Aula 03 TAAC 2017 2

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Tópicos Avançados em 
Arquitetura de Computadores
Professor: André Sobral
e-mail: asobral@unicarioca.edu.br
Ciência da Computação
Sumário
� Introdução;
� Componentes;
� Memória Principal;
� Memória Cache;
� Processadores
Sistema de Computação
Subsistema de Memória
�Memória Cache:
Sistema de Computação
� É um tipo de memória que trabalha em 
conjunto com o processador. 
� Os processadores atuais trazem uma certa 
quantidade de memória cache embutida no 
encapsulamento. 
� O objetivo é potencializar o desempenho do 
chip de processamento, evitando que fique 
ocioso por longos períodos. 
Subsistema de Memória
�Memória Cache:
Sistema de Computação
Hierarquia das Memórias Hierarquia das Memórias 
Subsistema de Memória
�Memória Cache:
Sistema de Computação
MEMÓRIA 
PRINCIPAL DISCO
64 KB
1 ns
1 MB
3-10 ns
4-10 GB
20-60 ns
4-16 TB
4-14 ms
REGISTRADORESREGISTRADORES
TAMANHO = 1000 Bytes
(32 ou 64B p/reg)
VELOCIDADE = 100ps
CACHE L1 CACHE L2
Comparação entre as Memórias Comparação entre as Memórias 
Subsistema de Memória
�Memória Cache:
Sistema de Computação
Kit Processador Intel I5 4440 Placa Mãe H81
Cache:
- L1: 4x 32KB 
- L2: 6 MB
Memória Cache
� Cache em Níveis:
Sistema de Computação
Transferência 
de Bytes 
Transferência de 
blocos 
MEMÓRIA 
PRINCIPALCPUCPU CACHE
Rápida LentaMais rápida
Muito mais 
rápida
MEMÓRIA 
PRINCIPALCACHE L3
Nível 3
CACHE L2
Nível 2
CACHE L1
Nível 1
CPUCPU
Memória Cache
� Conceito de Localidade;
� Organização e funcionamento;
� Elementos de projetos:
Sistema de Computação
� Mapeamento de endereços;
� Política de substituição de linhas;
� Políticas de escrita pela Cache;
� Níveis; 
� Tamanhos de Cahes;
� Largura de Linhas.
Memória Cache
�Conceito de Localidade:
Sistema de Computação
Há um princípio de programação que define
o modo como as instruções são executadas
(em sequência, durante um certo tempo)
Os programas são organizados de modo que
as linhas de código costumam ser executas
em sequência. Apenas em alguns momentos
a sequência é interrompida e o processo
desvia da sequência, sendo esta sequência
retomada em seguida.
Este princípio de programação é
denominado: PRINCÍPIO DA LOCALIDADE,
sendo a base da estratégia de emprego de
hierarquia de memórias.
Mais especificamente, da criação e uso das
memórias CACHE.
Memória Cache
� Conceito de Localidade:
Sistema de Computação
Princípio da LocalidadePrincípio da Localidade
Localidade Espacial
Sempre que o processador realiza um acesso a um endereço de memória, é muito 
provável que o próximo acesso seja ao endereço contíguo seguinte.
Localidade Temporal
Sempre que o processador realiza um acesso a um endereço de memória, é muito 
provável que em curto tempo ele acesse novamente o mesmo endereço.
Memória Cache
� Tempo de Acesso:
Sistema de Computação
Comparação de velocidades do Processador e MP(utilizando memória cache 
intermediária)
Há uma grande diferença de tempo
entre a transferência da MP para o
processador e este usar os dados. No
exemplo, o proc. Gasta 2 nseg para
somar e espera 100 nseg para receber
novos dados.
Caso seja usada uma memória intermediária
de alta velocidade entre a MP e o
processador (que armazena uma cópia dos
dados sendo imediatamente usados). Este
espera 2 nseg pelos dados, em vez de 100
nseg. Esta memória intermediária é a
CACHE.
Memória Cache
� Organização e Funcionamento:
Sistema de Computação
EXEMPLO DO FUNCIONAMENTO DO PROCESSO DE ACESSO À MEMÓRIA, QUANDO HÁ MAIS 
DE UMA MEMÓRIA, E CONSIDERANDO-SE O PRINCÍPIO DA LOCALIDADE.
� O sistema é constituido de Processador – Cache – MP
� Sempre que o processador quer buscar um dado, ele coloca seu endereço (da MP) no 
BE (Barramento de Endereços).
� O controle da Memória Cache intercepta o endereço e verifica se há uma cópia do dado 
na cache.
� Se houver a cópia, chama-se de ACERTO (A) ou HIT (H).
� Se não houver cópia do dado na cache, chama-se de FALTA (F) ou MISS 
(M).
Memória Cache
� Organização e Funcionamento:
Sistema de Computação
FUNCIONAMENTO DO PROCESSO DE ACESSO À MEMÓRIA, QUANDO HÁ MAIS DE UMA 
MEMÓRIA, E CONSIDERANDO-SE O PRINCÍPIO DA LOCALIDADE.
� Nesse caso, o sistema busca um bloco de dados contíguos na MP (que 
contém o dado desejado mais os dados que deverão ser buscados nos próximos
acessos, devido ao princípio da localidade) e traz para a memória cache . E leva 
o dado desejado para o processador.
� A Falta (Miss) acarreta uma perda de tempo, mas espera-se que seja pouco
frequente.
� A Eficiência do sistema (E) é medida pela relação entre Acertos (A) e Total de 
Acessos (T).
E = A / T
Memória Cache
� Organização e Funcionamento:
Considere um sistema de computação que possua dois tipos de memória:
um rápido, de baixa capacidade (64 KB), com latência de 5 ns, interligado
ao processador e outro, mais lento, de maior capacidade (512 MB), com
latência de 50 ns, interligada à memória rápida.
Calcule o tempo médio de acesso do processador, considerando um
período de 200 acessos e que o sistema tenha eficiência de 95 %.
Sistema de Computação
E = A / T
Memória Cache
� Organização e funcionamento:
Sistema de Computação
� A cache possui uma cópia de um 
bloco de dados da MP.
� O processador endereça um Byte 
(célula) da MP, mas o dado virá 
para ele da memória do seu lado (a 
cache mais rápida).
� ACERTO- quando a cópia do dado 
desejado está na memória cache L1
� FALTA – quando o dado não está na 
cache L1 e tem que ser transferido 
de uma cache mais lenta (ou da 
MP) até a L1.
Memória Cache
� Organização e funcionamento:
Sistema de Computação
� A MP é fisicamente organizada em uma sequencia 
contínua de N células, cada uma com 1 byte de largura.
� Então a MP é constituída de N bytes de dados com 
endereços de ) à N-1
� Para integrar com o sistema Processador/cahe/MP, a 
MP é organizada em blocos de X bytes (X células em 
cada bloco) com endereços Bi (i de 0 à B-1).
Quant de Blocos = Quant Células
Largura de 1 Bloco
Memória Cache
� Organização e funcionamento:
Sistema de Computação
Memória Cache
� Organização e funcionamento:
Sistema de Computação
� A MC é organizada em um conjunto de L linhas, sendo 
cada linha composta por X bytes
� A linhas apresentam endereços de 0 à L-1
� Cada linha apresenta um campo indicador do endereço 
do bloco, chamado de Tag ou Rótulo.
� A quantidade de Blocos (B) é sempre maior que a 
quantidade de linhas (L).
� Por isso existem métodos de mapeamento dos blocos 
da MP para as poucas linhas da MC.
Memória Cache
� Organização e funcionamento:
Sistema de Computação
Memória Cache
� Organização e funcionamento:
Sistema de Computação
� Considere um sistema de computação que possui uma MP 
organizada em células de 1 byte e apenas uma MC externa, sendo
cada linha de 32 bytes. Em um dado instante o processador inicia um 
acesso colocando no BE o endereço 5D7A9F216, pergunta-se:
a) Qual deverá ser a largura de BE do sistema?
b) Qual o tamanho da MP que é composta por 2048 blocos?
Exercício de Fixação
� Questão 01: (Colégio Pedro II – CC – 2016)
Observe as afirmativas sobre memória cache:
I. O número de blocos da memória principal é igual ao número de 
linhas da memória cache.
II. Denomina-se hit quando um dado solicitado não está armazenado 
na memória cache e, neste caso, o bloco da memória principal que 
contém o byte desejado é transferido para a memória cache.
III. A eficiência da memória cache de um sistema de computação em 
que ocorrem 94 miss a cada 100 acessos é de 6%.
Assinale a alternativa em que está(ão) presente(s) apenas a(s)
afirmativa(s) verdadeira(s). 
a) I e II
b) II e III
c) I e III
d) I
e) III
Sistema de Computação
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� Memória Cache (Cont.)
Sistema de Computação