Arquitetura de Computadores - Ateneu - Aula 09

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Unidade Central de Processamento
Clock
O clock é um pulso alternado de sinais de tensão alta ("high") e baixa ("low"), gerado pelos circuitos de relógio (composto de um cristal oscilador e circuitos auxiliares).
O clock é o sinal de controle no barramento, mais importante, pois é um sinal de sincronismo.
É o clock que determina o momento exato para troca de informações entre os circuitos.
Todos os processadores a partir do 486DX2 possuem multiplicação de clock.
Período
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Unidade Central de Processamento
Clock
Conforme vimos ao analisar a comunicação entre UCP e memória, as instruções, os dados e os endereços "trafegam" no computador através dos barramentos (de dados, de endereços e de controle), sob a forma de bits representados por sinais elétricos.
Periodicamente, uma nova configuração de bits é colocada nos circuitos, e tudo isso só faz sentido se pudermos de alguma forma organizar e sincronizar essas variações, de forma a que, num dado instante, os diversos circuitos do computador possam "congelar" uma configuração de bits e processá-las.
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Unidade Central de Processamento
Clock
Para isso, é preciso que exista um outro elemento, que fornece uma base de tempo para que os circuitos e os sinais se sincronizem. Este circuito é chamado clock - o relógio interno do computador. Cada um dos estados diferentes que os circuitos assumem, limitados pelo sinal do clock, é chamado um ciclo de operação.
O clock é um pulso alternado de sinais de tensão, gerado pelos circuitos de relógio (composto de um cristal oscilador e circuitos auxiliares).
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Unidade Central de Processamento
Clock
O Clock é expresso em termos de freqüência, isto é, ciclos na unidade de tempo. 
A unidade básica de freqüência é o Hertz sendo que 1Hz equivale a um ciclo (pulso) por segundo.
Os fabricantes costumam apresentar seus equipamentos, destacando a velocidade do seu clock, na verdade o clock do seu processador.
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Unidade Central de Processamento
Clock
Vale considerar que a velocidade exposta na venda de produtos (ex. Processador com 2.6 GHz) equivale a freqüências atingidas no interior do chip.
Dizem, portanto, respeito ao processamento interno do processador e não a freqüência (clock) na relação CPU – memória do computador
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Unidade Central de Processamento
Pipeline
O termo em inglês pipeline significa encanamento, tubulação. Na computação, um pipeline é um conjunto de elementos que processam dados conectados em série, de modo que a saída de um elemento seja a entrada do seguinte. A ligação dos módulos se assemelha a uma ligação de canos para formar uma tubulação, por isso o nome pipeline;
O processamento nos elementos de um pipeline são executados paralelamente de forma que todos terminem no mesmo tempo. O pipeline se assemelha a uma linha de produção onde cada unidade executa a sua função e passa para a unidade seguintes;
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Unidade Central de Processamento
Pipeline
Atualmente, a grande maioria dos sistemas de computação é fabricado em torno de processadores que buscam maior velocidade na realização de suas atividades.
Um dos processos mais usados é o que conhecemos na indústria como linha de montagem ("pipeline"), no qual a UCP se divide em várias partes funcionais distintas (estágios), cada uma correspondendo a uma determinada atividade.
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Unidade Central de Processamento
Pipeline (Tipos)
Pipelines de Instrução:
São usados nos processadores para sobrepor a execução de instruções múltiplas com os mesmos circuitos. Os circuitos são divididos geralmente acima em estágios, incluindo: a busca de instrução, a decodificação de instrução, a execução de operação, e o salvamento em registrador, onde cada estágio processa uma instrução diferente e seqüencial de cada vez;
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Unidade Central de Processamento
Pipeline (Tipos)
Pipelines Gráficos:
Encontrados na maioria de placas gráficas, que consistem em unidades aritméticas múltiplas, ou processadores específicos, que executam os vários estágios das operações de renderização gráfica comuns (projeção de perspectiva, corte de janela, cálculo de cor e luz, renderização, etc.);
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Unidade Central de Processamento
Pipeline (Tipos)
Pipelines de Software:
Consiste nos múltiplos processos de software de modo que o fluxo de saída de um processo seja encaminhado automaticamente para o fluxo de entrada do seguinte. Os pipelines de Unix são a aplicação clássica deste conceito;
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Unidade Central de Processamento
Pipeline – Paralelismo a nível de instrução
É possível obter maior desempenho computacional com:
Tecnologias mais avançadas, tais como circuitos mais rápidos;
Melhor organização da CPU, tais como o uso de múltiplos registradores e memória cache;
Pipeline de instruções.
A idéia básica em um pipeline de instruções é a de novas entradas serem aceitas, antes que as entradas aceitas previamente tenham terminado.
Este conceito assume que uma instrução tem vários estágios.
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Unidade Central de Processamento
Pipeline
Várias instruções são realizadas de forma simultânea, embora em estágios diferentes, ou seja permite a sobreposição temporal das diversas fases de execução das instruções;
Exemplo:
Lavanderia
Colocar uma carga de roupa na lavadora. (L) (30)
Quando terminar de lavar, colocar na secadora. (S)(40)
Quando terminar de secar, dobrá-las. (D)(20)
90 minutos depois, começar de novo a lavar ...
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Unidade Central de Processamento
Pipeline
Exemplo:
Lavanderia (sem pipeline)
Tempo Total = 4 x 90minutos = 6horas
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Unidade Central de Processamento
Pipeline
Exemplo:
Lavanderia (com pipeline)
Tempo Total = 30 + 4 x 40m +20m = 3 horas e meia
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Conteúdo Programático
Unidade V - Memória 
Barramento;
Hierarquia;
Memória principal (Organização, Operações, capacidade, Tipos);
Memória secundária (Organização, Operações, Capacidade, Tipos);
Novas tecnologias: DDR e Rambus.	 
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Memória
Função: 
armazenar informações que são/serão manipuladas por um sistema de computação para que possam ser recuperadas prontamente quando necessárias; 
Conceito: 
é um componente do sistema de computação onde são guardados dados ou informações para serem usados quando desejados; 
Objetivo: 
armazenar dados ou informações e permitir sua recuperação quando requerido; 
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Memória
O que é?
Local onde os dados e os programas são armazenados (na forma de bits) para imediata execução (memória Principal - MP) ou para uso posterior (memória secundária - MS);
Operações:
Armazenar consiste em guardar uma informação (ou um conjunto de informações) na memória e a operação é denominada escrita ou gravação (“ write”);
Recuperar uma informação (ou um conjunto de informações) da memória é copiá-la para uma outra posição na memória ou para outro componente do sistema. Esta operação é denominada leitura (‘read’). 
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Memória
Introdução
Nos últimos anos vem se investindo no aumento da velocidade dos processadores;
Porém, a velocidade de processamento de um sistema não é determinada somente pelo seu processador;
Não adianta ter o processador mais rápido do mundo se a alimentação de informações não consegue acompanhar o mesmo ritmo;
Como tanto o fornecimento dos dados como seu armazenamento após o processamento são efetuados na memória, a velocidade média de acesso a memória é importante no cálculo de velocidade de um sistema.
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Memória
Introdução
Além da velocidade, o tamanho da memória também é importante.
O ideal seria:
Memória de tamanho ilimitado;
Memória com um tempo de acesso muito rápido.
Entretanto, esse são objetivos contraditórios:
Por problemas tecnológicos, quanto maior a memória mais lenta será o seu tempo de acesso
Solução:
Criar uma ilusão para o processador de forma que a memória pareça ilimitada e muito rápida.
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Memória
Exemplo – Biblioteca
Um estudante recebe a tarefa de fazer
um trabalho sobre Arquitetura de Computadores;
Ele vai a biblioteca, senta em uma baia e inicia sua pesquisa.
Supondo que ele leva um (1) minuto para procurar um livro nas estantes e leva um (1) minuto para ir buscar o livro.
O estudante gastará 10 minutos para procurar em 5 livros.
É claro que se ele esquecer algum livro ou tiver que buscar um livro novamente, esse tempo crescerá.
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Memória
Exemplo – Biblioteca
Entretanto, existem situações complicadoras:
Todos os livros requeridos pelo estudante podem não caber na mesa;
Ao sair para tomar um café, um colega chega e pega a mesa.
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Memória
Princípio da Localidade
É nesse contexto que se insere o princípio da localidade;
Ele estabelece que os programas acessam uma parte relativamente pequena do seu espaço de endereçamento em um instante qualquer, assim como o estudante acessa uma parcela pequena de livros da biblioteca em um dado instante;
Existem dois tipos de localidade:
Localidade temporal (localidade no tempo);
Localidade espacial (localidade no espaço).
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Memória
Princípio da Localidade
Localidade Temporal:
Se um item é referenciado, ele tende a ser referenciado novamente dentro de um espaço de tempo curto. Se o estudante tiver trazido o livro recentemente para sua mesa, é provável que o faça em breve novamente.
Localidade Espacial
Se um item é referenciado, itens cujos endereços sejam próximos dele tendem a ser logo referenciados.
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Memória
Hierarquia de Memória
Ilusão de uma memória ilimitada e rápida obtida através da utilização de diversos níveis de acesso
A hierarquia de memória explora o princípio da localidade
Localidade de memória é o princípio que diz que os próximos acessos ao espaço de endereçamento tendem a ser próximos
A hierarquia é formada por:
Registradores;
Cache;
Memória principal;
Disco rígido;
CDROM, flexíveis, etc.
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Memória
Hierarquia de Memória
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Memória
Hierarquia de Memória
A idéia de memória secundária já é aplicado a décadas;
Os dados são transferidos para níveis mais altos a medida que são usados;
A transferência entre níveis é feita com grupos de palavra (bloco, página) pois o custo relativo de transferir um grupo de dados é menor do que para uma única palavra, além de já antecipar acessos (localidade espacial).
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Memória
Hierarquia de Memória (Parâmetros)
Tempo de Acesso: 
É o período de tempo decorrido desde o instante em que foi iniciada a operação de acesso até que a informação (ou dado) requerida tenha sido efetivamente transferida; 
O tempo de acesso de uma memória é dependente da sua tecnologia de construção, variando bastante entre os diversos tipos; 
Capacidade: 
É a quantidade de informação que pode ser armazenada em uma memória; 
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Memória
Hierarquia de Memória (Parâmetros)
Volatilidade: 
Memória não volátil: é aquela que retém a informação armazenada quando não há energia elétrica. Exemplo: Memórias do tipo Magnéticas, Óticas e ROM. 
Memória volátil: é aquela que perde a informação armazenada quando não há energia elétrica. Exemplo: Registradores e memórias do tipo RAM. 
Temporariedade: 
Permanente: tempo indefinido, a informação é armazenada por um longo período, por meses e anos. Exemplo: Discos Rígidos Internos e Externos; 
Transitório ou Temporário: tempo extremamente curto, não ultrapassando o tempo de execução de um programa. Exemplo: Registradores e Memória Cache; 
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Memória
Hierarquia de Memória (Parâmetros)
Tecnologia de Fabricação: 
Semicondutores ou memórias eletrônicas: fabricadas com circuitos eletrônicos/integrados baseados em elementos semicondutores. São rápidas e caras. Exemplos: Memórias do tipo RAM; Memórias Cache e Registradores; 
Magnético: armazenam a informação sob a forma de campo magnético. São memórias não voláteis, eletromecânicas, baratas e armazenam grande quantidade de informação. Exemplo: Fita, Disquete e Discos Rígidos; 
Ótico: armazenam a informação utilizando feixes de luz para marcar os bits na superfície. Exemplo: CDs e DVDs. 
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Memória
Hierarquia de Memória (Parâmetros)
Custo: 
Variado devido a diversos fatores, mas principalmente, a tecnologia de fabricação; 
Unidade de medida de custo sugerida: preço por byte armazenado; 
Exemplo: 
Um disco rígido com capacidade de 80GB que custe, no mercado, R$300,00, tem o custo de R$0,00375 por MB. 
Uma memória semicondutora dinâmica com 256MB tem custo de R$0,83 por MB, aproximadamente, totalizando, no mercado, R$20,00. 
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Memória
Hierarquia de Memória (Parâmetros)
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Memória
Registradores
Possui a maior velocidade de transferência, em relação às outras memórias, menor capacidade de armazenamento e maior custo; 
Tempo de acesso: menor de todo o sistema pois é fabricado com a mesma tecnologia do processador e está interno ao mesmo. Em torno de 1 a 2 nanossegundos; 
Capacidade: armazenam um único dado, instrução ou endereço. Em torno de 8 a 128 bits. Registradores de dados: mesmo tamanho da palavra do processador; 
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Memória
Registradores
Volatilidade: são memórias semicondutoras voláteis; 
Tecnologia: a mesma utilizada nos processadores. Exemplo: Tecnologia MOS; 
Temporariedade: guardam informação o mais temporariamente possível, portanto, são memórias transitórias; 
Custo: mais alto da hierarquia, devido à alta tecnologia empregada na fabricação; 
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Memória
Memória Cache
É uma memória que fica entre o processador e a memória principal; 
Foi desenvolvida para melhorar o desempenho do sistema de computação: velocidade de acesso do processador é muito maior que a da memória, o que pode gerar gargalo de congestionamento na comunicação entre os dois dispositivos; 
Função: acelerar a velocidade de transferência das informações entre o processador e a memória principal, melhorando o desempenho do sistema; 
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Memória
Memória Cache
Memórias Cache podem ser inseridas em até 3 níveis denominados L1, L2 e L3, sendo L1 e L2 internas ao processador e L3 externa ao processador, acoplada na placa mãe;
Tipos: RAM Cache, Cache-Memória Principal e Cache-Disco; 
Tempo de acesso: entre 5 e 20 nanossegundos. São memórias semicondutoras.;
Capacidade: não tão grande e nem tão pequena, deve ser adequada para armazenar quantidade de informações suficientes que possam ser buscadas pelo processador; 
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Memória
Memória Cache
Capacidade: 
Memórias cache tem eficiência entre 95% e 98%, ou seja, a cada 100 acessos do processador à memória cache, ele encontra o valor desejado na cache em 95 a 98 deles. Quando não o encontra, busca na memória principal;
Aumentando a capacidade da memória cache, eleva-se também o custo do sistema computacional; 
A capacidade varia entre 32KB e 256KB para L1 e 4MB para L2.
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Memória
Memória Cache
Volatilidade: a memória cache é do tipo volátil; 
Tecnologia: são fabricadas com a tecnologia das memórias estáticas (SRAM) 
Temporariedade: o tempo de permanência de uma instrução ou dado na cache é menor que a duração da execução do programa ao qual a instrução ou dado pertence; 
Custo: Alto. O valor é próximo ao dos processadores. Memórias cache internas são mais caras que as externas. 
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