Aula 06 - Hierarquia de memória

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Victor Medeiros
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victorwcm
Infraestrutura de Hardware
Hierarquia de Memória
Victor MedeirosInfraestrutura de Hardware
Introdução
• Os programas exigem cada vez mais dos computadores 
uma capacidade de memória ilimitada e de acesso quase 
simultâneo. 
• Quanto maior o tamanho da memória (capacidade de 
armazenamento) mais lento será o acesso à mesma. 
• Memórias maiores ➔ memórias mais lentas 
• Memórias menores ➔ memórias mais rápidas
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Introdução
• Um programa não acessa todo o seu código e todos os 
seus dados de uma só vez com igual probabilidade; 
• Podemos utilizar memórias menores (mais rápidas) para 
armazenar as informações mais prováveis de serem 
utilizadas no dado intervalo de tempo;
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Princípio da localidade
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Princípio da localidade
• Estabelece que os programas acessam uma parte 
relativamente pequena do seu espaço de endereçamento 
em um instante qualquer; 
• Localidade temporal – se um item é referenciado, ele 
tende a ser referenciado novamente dentro de um 
espaço de tempo curto; 
• Localidade espacial – se um item é referenciado, itens 
próximos dele tendem a ser logo referenciados;
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Princípio da localidade
• Exemplos: 
• A maioria dos programas contém loops de modo que 
as instruções e os dados são acessados de forma 
repetitiva 

➔ alto grau de localidade temporal 
• As instruções quase sempre são executadas 
sequencialmente

➔ alto grau de localidade espacial
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Hierarquia de memória
• Tiramos proveito do princípio da localidade implementando a 
memória de computador como uma hierarquia de memória. 
• Existem vários níveis de memória, cada um deles com 
tamanhos e velocidades diferentes. 
• As memórias mais rápidas são mais caras (maior custo 
por bit armazenado); 
• As memórias mais lentas são mais baratas; 
• Consequentemente, as memórias mais rápidas são 
menores que as mais lentas;
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Hierarquia de memória
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Hierarquia de memória
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maior custo

maior velocidade
maior capacidade
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Tecnologia de memória
• A memória principal é implementada a partir da tecnologia 
DRAM (memória dinâmica de acesso randômico) 
• Menor custo 
• Os níveis mais próximos do processador utilizam tecnologia 
SRAM (memória estática de acesso randômico) 
• Maior custo 
• O disco magnético (HD) é utilizado na implementação do nível 
mais baixo da hierarquia. 
• Mais lento e de maior capacidade
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Hierarquia de memória
"O objetivo de um sistema de memória hierárquico é 
apresentar ao usuário uma capacidade de memória próxima à 
disponibilizada pela tecnologia mais barata, e um tempo de 
acesso próximo à disponibilizada pela tecnologia mais cara”.
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Hierarquia de memória
• O nível de memória mais próximo do processador é um 
subconjunto de qualquer dos níveis mais afastados. 
• Os dados são copiados entre dois níveis adjacentes. 
• A unidade mínima de informação é chamada de bloco.
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processador
nível superior
nível inferior
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Hierarquia de memória
• Se a informação solicitada pelo processador estiver no 
nível superior de hierarquia ocorre um acerto. 
• Se a informação não puder ser encontrada no nível 
superior, a tentativa de encontrá-la gera uma falta.
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processador
nível superior
nível inferior
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Hierarquia de memória
• Quando ocorre uma falta, o nível mais baixo da 
hierarquia é acessado para que seja possível recuperar o 
bloco com a informação solicitada pelo processador.
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processador
nível superior
nível inferior
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Hierarquia de memória
• Taxa de acertos corresponde à fração dos acessos na memória 
encontrados no nível superior. 
• Maiores taxas de acertos implicam em melhor performance da 
hierarquia 
• Taxa de faltas é a fração dos acessos à memória não encontrados 
no nível superior. 
• Tempo de acerto é o tempo necessário para acessar o nível 
superior da hierarquia. 
• Penalidade por falta é o tempo necessário para substituir um dos 
blocos do nível superior por um bloco do nível inferior, contendo a 
informação desejada.
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Memória cache
• Cache é o nível da hierarquia de memória situado entre 
a memória principal e o processador. 
• As palavras de memória usadas com mais freqüência 
são mantidas na cache
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processador
cache
memória 
principal
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Tratamento de faltas
• A unidade de controle é responsável pela detecção e 
processamento das faltas na cache. 
• Quando ocorre uma falta o processador é parado, e o 
conteúdo de seus registradores é congelado. 
• Um controlador deve tratar as faltas geradas nos 
acessos à cache, buscando na memória principal a 
informação desejada. 
• Uma vez que o dado tenha sido obtido, o processamento 
é reiniciado.
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Localidade espacial
• Para tirar proveito da localidade espacial, precisamos ter 
uma cache com um bloco que seja maior que uma 
palavra. 
• Sempre que houver uma falta, devemos buscar um bloco 
(várias palavras adjacentes), e que por conta disso tem 
grande possibilidade de serem utilizadas em breve. 
• O aumento no tamanho do bloco justifica-se pela 
exploração da localidade espacial e pelo consequente 
aumento da performance.
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Memória virtual
• A memória principal pode funcionar como uma cache para 
a memória secundária, usualmente implementada em 
disco magnético. Esta técnica é conhecida pelo nome de 
memória virtual. 
• Considerando que vários programas estão rodando ao 
mesmo tempo, a memória principal precisa conter 
somente a parte ativa de vários programas, assim como 
a cache, que só contém a parte ativa de um programa. 
• Cada programa contém o seu espaço de endereçamento, 
e não deve acessar o espaço de outro programa.
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Memória virtual
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espaço de 
endereçamento 
do programa C
espaço de 
endereçamento 
do programa B
espaço de 
endereçamento 
do programa A
parte ativa do 
programa C
parte ativa do 
programa B
parte ativa do 
programa A
Memória principal HD
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Memória virtual
• O uso da técnica de memória virtual permite que um 
programa venha a exceder a quantidade total de 
memória disponível para sua execução. 
• A técnica de memória virtual gerencia automaticamente 
os dois níveis da hierarquia de memória, representados 
pela memória principal e pela memória secundária.
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Memória virtual
• Na memória virtual um bloco de tamanho fixo é chamado 
de página. 
• Uma falha no acesso à memória virtual é chamada falta 
de página. 
• Se estivermos usando a memória virtual, o processador 
gera um endereço virtual, que é traduzido para 
endereço real. 
• O endereço real (ou, endereço físico) pode ser usado 
para acessar a memória
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Memória virtual
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espaço de 
endereçamento 
do programa C
espaço de 
endereçamento 
do programa B
espaço de 
endereçamento 
do programa A
parte ativa do 
programa C
parte ativado 
programa B
parte ativa do 
programa A
Memória principal HD
processador endereço virtual
tradutor de 
endereço
endereço 
real
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Tradução de endereço
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endereço virtual
31 30 29 28…………………………….………….. 15 14 13 12 11 10 9 8 …………….. 3 2 1 0
número da página virtual deslocamento na página
tradução
endereço físico
29 28…………………………….………….. 15 14 13 12 11 10 9 8 …………….. 3 2 1 0
número da página física deslocamento na página
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Tradução de endereço
• Exemplo: 

Suponha que temos uma memória secundária (HD) com 
capacidade de armazenar 2M páginas de tamanho 4k, e 
temos também, uma memória principal que pode 
armazenar 256K páginas. Qual seria a tradução do 
seguinte endereço virtual para o endereço físico? 
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endereço virtual
322 K 542
número da página virtual deslocamento na página
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Tradução de endereço
• Exemplo:
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endereço virtual
322 K 542
número da página virtual deslocamento na página
Deveremos descobrir que posição a página 322k ocupa na memória principal: 
Tamanho da memória principal = 256K páginas 
Endereço da página no HD = 322K 
Endereço da página na memória principal = 
 (Endereço da página no HD) módulo(Tamanho da memória principal ) 
Endereço da página na memória principal = (322K)módulo(256K) = 66K
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Tradução de endereço
• Exemplo:
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endereço virtual
322 K 542
tradução
endereço físico
66 K 542
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Tradução de endereço
• Exemplo:
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espaço de 
endereçamento 
do programa C
espaço de 
endereçamento 
do programa B
espaço de 
endereçamento 
do programa A
parte ativa do 
programa C
parte ativa do 
programa B
parte ativa do 
programa A
Memória principal HD
processador endereço virtual
tradutor de 
endereço
endereço 
real
322 K 66 K
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Exercício
• Traduza os endereços virtuais em endereços reais. 
Considere que o tamanho da memória secundária é de 
1M palavras e o tamanho da memória principal é de 
256K palavras.
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endereço virtual endereço físico
532 K 122
65 K 56