Jean Carlos- Visão Geral De Memórias

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Bacharelando Em Sistema De Informação 
Jean Carlos Penas 
MEMÓRIAS 
Visão Geral Do Sistema De Memória Do Computador 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SERRA 
2014 
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MEMÓRIAS 
Visão Geral Do Sistema De Memória Do Computador 
Jean Carlos Penas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SERRA 
2014 
 
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RESUMO 
 
Na visão geral do sistema de memória do computador discutimos 
sobre a hierarquia de memória que abrange todos os tipos de memórias em 
função de três aspectos: velocidade, capacidade e custo. Além disso, 
explicamos a respeito dos princípios que mantém os dados nas memórias 
cache, evitando assim que a memória principal que é um meio mais lento 
seja acessada mais vezes e mencionamos também alguns conceitos 
relacionados a organização da memória. Se tratando de memórias, foram 
extraidos informações a respeito das memórias externas ou secundárias 
como disco magnético ou hd, ou ainda chamado de disco rígido e por último 
estudamos a respeito do sistema RAID. Tal sistema é composto por 7 tipos 
de raids que atendem diversas pecualiaridades como por exemplo, 
confiabilidade e alta disponibilidade de dados. 
 
 
ABSTRACT 
Overview of the computer's system memory discussed the memory 
hierarchy which covers all kinds of memories in terms of three aspects: 
speed, capacity and cost. Furthermore, we explain about the principles that 
keeps the data in cache memories, thus preventing the main memory that is 
slower medium is accessed more often and also mentioned some concepts 
related to memory organization. It comes to memories, were extracted 
information about the external or secondary memories as magnetic disc or 
hd, or called hard and finally we study about the RAID system. This system 
consists of 7 types of raids that meet various peculiarity such as high 
reliability and data availability. 
 
 
 
 
 
 
 
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ILUSTRAÇÕES 
 
Figura 1 - Organização Da Memória. ............................................................................... 7 
Figura 3 - Acesso sequencial ............................................................................................ 8 
Figura 2 – O método de acesso do hd é direto.................................................................. 8 
Figura 4 - Memórias Principais possuem o método de acesso aleatório. ......................... 8 
Figura 5 - Acesso aleatório ............................................................................................... 8 
Figura 6 - Memórias cache podem empregar o método associativo ou aleatório. ........... 9 
Figura 7 - Hierarquia De Memórias. ................................................................................ 9 
Figura 8 - Triângulo Envolvendo custo, velocidade e capacidade. ................................ 10 
Figura 9 - Busca da Palavra Entre o Processador , Cache, Memória. ............................ 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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SUMÁRIO 
 
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 6 
MÉTODOS DE ACESSO .............................................................................................. 8 
HIERARQUIA DE MEMÓRIA ................................................................................... 9 
PRINCÍPIOS DA MEMÓRIA CACHE ..................................................................... 10 
ALGORITMOS DE SUBSTITUIÇÃO ...................................................................... 11 
CONCLUSÃO ............................................................................................................... 12 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INTRODUÇÃO 
 
Tudo o que somos e o que fazemos faz parte do ambiente em que estamos 
habituados, isso inclui as diversas soluções que atribuimos a diversos tipos de problemas 
do nosso dia a dia. Todas essas soluções foram alcançadas através de observações 
associadas a elementos vivos ou não-vivos da natureza, que dada as suas propriedades 
são combinadas com a finalidade de resolver problemas. Então tudo o que sabemos hoje 
foi extraído através de observações, conjecturas e teoremas em função da natureza que 
nos cerca. A partir disto segue-se a definição de um conceito que chamamos de memória. 
 O que seria memória? Segundo o wikipédia, memória é a capacidade de adquirir, 
armazenar e recuperar informações disponíveis, seja internamente no cérebro ou 
externamente por meio de dispositivos artificiais. Só que neste caso, a memória é definida 
em um contexto diferente do que vamos lhe dar. A idéia da memória envolvendo 
computadores nasceu em 1946, com um cientista húngaro chamado John Von Neumann, 
ele trazia como proposta um meio de armazenamento onde pudesse armazenar instruções 
e programas para que pudessem ser acessados e alterados quando necessário. No mesmo 
ano, o professor de matemática Neumann publica um trabalho intitulado como Electronic 
Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC), este relatório traz de forma detalhada 
a organização do sistema de computação em quatro áreas: Unidade de Controle, Unidade 
Lógica e Aritmética e um conjunto de dispositivos de entrada e saída. Este é o modelo de 
computador que estamos habituados atualmente. Ele é chamado de Arquitetura De Von 
Neumann. 
O sistema de memória traz consigo propriedades bem relavantes como a 
localização da memória que indica se a memória é interna ou externa ao computador, 
quando é interna normalmente está associada a memória principal, quando externa 
geralmente está ligada as memórias secundárias, além disso, o processador mais 
precisamente a ULA ( Unidade Lógica e Aritmética) possui a sua própria memória local 
na forma de registradores. Outro tipo de memória interna é a cache, já as memórias 
externas consistem em dispositivos de armazenamento periféricos, como discos e fitas 
que são acessíveis pelo processador através de controladores de E/S. 
Toda memória tem como propriedade principal a capacidade. Na memória interna 
isto é expresso em termos de byte (1 byte = 8 bits) ou palavras. Os tamanhos comuns das 
palavras são de 8, 16 e 32 bits. A capacidade da memória externa normalmente é expressa 
em função de bytes. Na memória interna existe uma quantidade X de linhas elétricas para 
dentro e para fora do módulo de memória, elas representam a unidade de transferência, 
além disso, esse número linhas elétricas podem ser iguais ao tamanho da palavra, mas 
normalmente é maior, como 64, 128 e 256 bytes. 
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Figura 1 - Organização Da Memória. 
Neste contexto existem três conceitos relacionados a memória interna. O primeiro 
é a Palavra, trata-se de uma unidade natural de organização da memória, o tamanho da 
palavra normalmente é igual ao número de bits usados para representar um inteiro e 
definem também o tamanho da instrução. Mas existem memórias, que de acordo com a 
sua organização podem trabalhar com palavras de 64 bits, mas usa a representação de 
inteiros com 46 bits. 
A arquitetura intel x86 possui uma grande variedade de tamanhos de instrução, 
expressos como múltiplos de bytes e trabalha com palavra cujo tamanho é de 32 bits. O 
segundo conceito são as unidades endereçáveis, em alguns sistemas, a unidade 
endereçávelé a palavra, porém, muitos sistemas permitem o endereçamento no nível de 
byte. De qualquer forma, o relacionamento entre o tamanho em bits A de um endereço e 
o número de N de unidades endereçáveis é = N. 
O último conceito é a unidade de transferência, para a memória principal, este é o 
número de bits lidos ou escritos na memória de uma só vez. A unidade transferência não 
precisa ser igual a uma palavra ou uma unidade endereçável. Para a memória externa, os 
dados normalmente são transferidos em unidades muito maiores que uma palavra e estas 
são chamadas de blocos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 2 – O método de acesso do hd é 
direto 
MÉTODOS DE ACESSO 
 
Outro tema essencial que será discutido neste projeto são os métodos de acesso 
das unidades de dados, que inclui o acesso sequencial, direto, aleatório e associativo. O 
primeiro método de acesso acontece em um ambiente de memória organizada em 
unidades de dados chamadas de registros, o acesso é feito em uma sequência linear e o 
dado de endereçamento é armazenado para separar registros e auxiliar no processo de 
recuperação de dados. Existe um mecanismo compartilhado de leitura e escrita e este 
precisa ser movido do seu local atual para o local desejado, passando e rejeitando cada 
registro intermediário, desta forma o tempo para acessar um registro qualquer é altamente 
variável. Nesta categoria de acesso classificam-se as unidades de fita dat ou magnética. 
 
 
 
Figura 3 - Acesso sequencial 
 
O segundo método de acesso é semelhante ao acesso sequêncial ou linear, ele envolve um 
mecanismo compartilhado de leitura e escrita , porém, os blocos ou registros individuais 
têm um endereço exclusivo, baseado no local físico, neste caso o tempo de acesso a um 
registro também é variável. 
O terceiro método de acesso possui um endereço exclusivo para cada endereço de 
memória ou local endereçável e que está fisicamente interligado. Neste método de acesso, 
o tempo de acesso é constante e por isto o acesso a um local de memória é aleatório. 
 
Figura 5 - Acesso aleatório 
 O quarto método de acesso é semelhante ao acesso aleatório, com uma diferença, 
este permite fazer uma comparação de um certo número de bit desejados dentro de uma 
palavra para uma combinação especificada e faz isso para todas as palavras 
simultaneamente, desta forma uma palavra é recuperada com base em parte do seu 
conteúdo e o tempo de recuperação é constante. Alguns sistemas de cache empregam os 
2 ultimos tipos de acesso. 
Figura 4 - Memórias Principais possuem o 
método de acesso aleatório. 
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Figura 6 - Memórias cache podem empregar o método associativo ou aleatório. 
 
 
 
Hierarquia De Memória 
 
De acordo com a Figura 7, a hierarquia de memória é representada por uma 
pirâmide, onde o topo é formado pelas memórias mais rápidas, como os registradores, e 
isto vai diminuindo gradativamente a medida que nos aproximamos da base, nela 
encontramos as memórias mais lentas como as fitas dat ou magnéticas. 
 
Figura 7 - Hierarquia De Memórias. 
 
Na estrutura piramidal as memórias são organizadas em função de três fatores: 
Capacidade, Custo e Velocidade. No topo da pirâmide, os aspectos como custo e 
velocidade atingem o seu ápice ao passo que na base eles alcansam o seu apogeu, mas a 
capacidade das memórias que estão na base é superior aos demais.Por meio de inequações 
podemos representar essa mesma estrutura em função da capacidade: fitas > discos > MP 
> cache > registradores e do custo e velocidade: registradores > cache > MP > discos > 
fitas. 
No entando, é impossível adquirir todos os 3 aspectos, como maior capacidade, 
alta velocidade e baixo custo, pois ao menos um deles não atenderá a especificação citada 
anteriormente. 
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Figura 8 - Triângulo Envolvendo custo, velocidade e capacidade. 
Na Figura 8 diz que o custo e a velocidade são diretamente proporcionais e 
inversamente proporcionais a capacidade ou seja se tentarmos encontrar um dispositivo 
que tenha maior velocidade, consequentemente o custo será alto e a capacidade será 
menor, esses aspectos configuram as cache, ou então se tentar achar um dispositivo que 
tenha um custo razoável, velocidade razoável e capacidade razoável, teriamos um SSD 
por exemplo ou então se achar um dispositivo que tenha maior capacidade, menor custo, 
consequentemente terá menor velocidade que é o caso das fita dat. Portanto qualquer 
cenário que envolva memórias pode ser representada no triângulo da Figura 8. 
 
Princípios Da Memória Cache 
 
 
Figura 9 - Busca da Palavra Entre o Processador , Cache, Memória. 
 Sabe-se que a memória cache foi desenvolvida e implementada com o propósito 
de se evitar acessos mais frequentes a memória ram, para tal existem 2 princípios que 
mantém os dados na memória cache, o princípio da localidade espacial e temporal. O 
primeiro princípio diz que os dados tendem a se agrupar quando são acessados, desta 
forma quando um dado é acessado, especula-se uma maior probabilidade dos dados 
vizinhos também serem acessados. O segundo princípio diz que é bem provável que a 
instrução que está sendo acessada volte a ser acessada novamente desta forma o 
processador já especula a montagem dessa intrução. 
 Além disto, existem várias técnicas que permitem mapear uma palavra 
(Organização natural da memória) da memória para a cache, mas destas destacam-se as 
3 principais técnicas ou funções de mapeamento: Direto, Associativo e Associativo em 
Conjunto. O mapeamento direto é a técnica mais simples que consiste no mapeamento de 
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cada bloco da memória principal a apenas uma linha da cache possível. A desvantagem 
desta técnica é que existe um local de cache fixo para cada bloco e assim se um programa 
referenciar palavras repetidamente de dois blocos diferentes mapeados para a mesma 
linha da cache, então os blocos serão continuamente trocados na cache e 
consequentemente a razão de acertos seriam baixas, isto é configurado como um 
fenômeno chamado Thrashing. Com o intuito de se corrigir as falhas desse mapeamento 
surgiu uma técnica que consiste em guardar o que foi descartado caso seja necessário 
novamente, como esses dados ja foram lidos então podem ser usados novamente a um 
custo menor. Esta reciclagem só é possível graças a uma victim cache, trata-se de uma 
porposta cujo objetivo é reduzir as perdas de dados devido aos conflitos das cache 
mapeadas diretamente sem afetar seu tempo de acesso. 
 Já o mapeamento associativo compensa a desvantagem do mapeamento direto, 
permitindo que cada bloco da memória principal seja carregado em qualquer linha da 
cache. Neste caso, a lógica de controle da cache interpreta um endereço de memória 
simplesmente como um campo tag e um campo palavra. O campo Tag identifica o bloco 
da memória principal e para determinar se um bloco está na cache a lógica de controle da 
cache precisa comparar simultaneamente a tag de cada linha. O mapeamento associativo 
em conjunto é um meio-termo que realça os pontos princiais das técnicas direta e 
associativa, enquanto ameniza os seus pontos negativos. Neste caso a cache é uma série 
de conjuntos, cada um consistindo em uma série de linhas, desta forma cada palavra é 
mapeada para todas as linhas de cache em um conjunto específico, de modo que o bloco 
da memória principal é mapeada no conjunto 0 e assim por diante. Desta forma pode ser 
implementado várias cache associativas, além disto, é possível implementar a cache 
associativa em conjunto com várias caches de mapeamento direto e assim cada cache 
mapeada diretamenteé conhecida como uma via. As primeiras linhas da memória 
principal são mapeadas diretamente nas linhas de cada via da cache. 
 
ALGORITMOS DE SUBSTITUIÇÃO 
 
Uma vez que a cache estiver cheia, e um novo bloco for trazido para a cache, um 
dos blocos existentes precisa ser substituídos. Para o mapeamento direto, existe apenas 
uma linha possível para qualquer bloco em particular e nenhuma escolha é possível. Para 
as técnicas associativa e associativa em conjunto, um algoritmo de substuição é 
necessário. Para alcançar alta velocidade, tal algoritmo precisa ser implementado em 
hardware. Diversos algoritmos foram experiementados. Mencionamenos quadro dos mais 
comuns. Provavelmente, o mais eficaz seja o usado menos recentemente: Substitua aquele 
bloco no conjunto que permanceceu na cache por mais tempo sem qualquer referência a 
ele. Para associatividade em conjunto com duas linhas por conjunto, isso é facilmente 
implementado. Cada linha inclui um bit USE for 0 é utilizada. Como estamos supondo 
que os locais de memória usados mais recentemente são mais prováveis de serem 
referenciados, LRU ( Least Recently Used) deverá oferecer a melhor razão de acerto. 
LRU também é relativamente fácil de implementar para uma cache totalmente 
associativa. O mecanismo de cache mantém uma lista separada de índices para todas as 
linhas na cache. Quando uma linha é referenciada, ela passa para a ferente da lista. Para 
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subistuição, a linha no final da lista é usada. Devido à sua simplicidade de implementação, 
LRU é o algoritmo de substituição mais popular. Outra possibilidade é o procedimento 
de pilha: Substitua o bloco no conjunto que esteve na cache por mais tempo. O algoritmo 
FIFO (First – in – First - out) ou de pilha é facilmente implementado como uma técnica 
round-robin ou de buffer circular. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONCLUSÃO 
 
Conhecemos os métodos de acesso sequencial, direto, aleatório e associativo. O direto 
é implementado em memórias onde as unidades de dados são chamadas de registros e o 
endereço de cada registro é usado para separa-los e também para auxiliar no processo de 
recuperação. O braço de leitura precisa passar e recusar cada registro até chegar no seu 
objetivo, deste modo o tempo é altamente variável, exemplo: Fitas dat. O método direto 
também é sequencial mas cada registro possui um endereço exclusivo, baseado no local físico. 
Exemplo: Unidades de disco. O acesso aleatório é usado em memórias onde cada local 
endereçável tem um mecanismod e endereçamento exclusivo fisicamente interligado. O tempo 
de acesso é constante permitindo assim que qualquer local seja acessado sem interferir no 
tempo de acesso. O associativo é um método de acesso aleatório mas com uma diferença, a 
busca do local é feita através de uma comparação do número de bits desejados dentro de uma 
palavra para uma combinação específica e aplica essa técnica a várias palavras 
simultaneamente. Vimos também que existe uma hierarquia de memória envolvendo três 
aspectos: capacidade, velocidade e custo. A conclusão dessa pesquisa é que não é possível ter 
ganho nos três aspectos e sim apenas dois deles. Exemplo: ou você tem uma memória com alta 
capacidade, custo baixo mas velocidade muito baixo ( Fitas dat) ou capacidade pequena, custo 
alto e velocidade alta ( memória cache). 
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Vimos também que as memórias cache utilizam dois princípios para manter as palavras 
mapeadas dos blocos da memória para cache, localidade temporal e espacial. Basicamente, o 
primeiro mantém a palavra mais acessada na cache, o segundo mantém as palavras vizinhas à 
que esta sendo acessada. 
Neste projeto gozamos dos conceitos que as tecnologias implementadas nas memórias 
trazem, como por exemplo, as funções de mapeamento que consiste em três: O primeiro é o 
mapeamento direto que mapeia cada bloco da memória a uma linha da cache, a sua principal 
desvantagem é que o local de cache para cada bloco da memória é fixo. O mapeamento 
associativo compensa a desvantagem do mapeamento direto permitindo que cada bloco da 
memória principal seja carregado em qualquer linha da cache, desta forma o mapeamento 
associativo permite flexibilidade em relação a qual bloco substituir quando um novo bloco for 
lido para cache. A principal desvantagem do mapeamento associativo é a complexidade do 
circuito necessário para comparar as tags de todas linhas da cache em paralelo. A desvantagem 
do mapeamento associativo é corrigido no mapeamento associativo em conjunto combinando 
as duas técnicas o direto e o associativo podendo mapear várias linhas de cache associativa e 
direta a cada bloco de memória. Quando a cache está cheia e um novo bloco da memória precisa 
ser copiado para uma linha da cache é necessário um algoritmo de substituição para realocar 
um novo espaço para o bloco que será trazido para a cache. Os algoritmos mencionados foram: 
LRU e o FIFO. O 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
Livro: 
Stalling, William. Arquitetura e Organização De Computadores: William ._8. Ed_São 
Paulo: Pearson Pratice Hall, 2010. 
 
Sítios Eletrônicos: 
ABNT. Referencias Bibliográficas. 
Disponível em: http://www.sorocaba.unesp.br/Home/Biblioteca/guia-abnt_site.pdf 
Acesso em: 19 de Junho de 2014. 
 
Wikipedia. Arquitetura De Von Neumann. 
Disponível em: http://www.infopedia.pt/$john-von-
neumann;jsessionid=8ybKq32fNOwJ0Dv8XpLA9Q__ 
Acesso em: 19 de Junho de 2014. 
 
Unicamp. Arquitetura De Von Neumann. 
Disponível em: http://www.ic.unicamp.br/~tomasz/projects/vonneumann/node3.html 
Acesso em: 19 de julho de 2014. 
 
Wikipedia. Acesso aleatório. 
Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Acesso_aleat%C3%B3rio 
Acesso em: 19 de julho de 2014.