ficha 7 hierarquia de memoria

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UNIVERSIDADE SÃO TOMÁS DE MOÇAMBIQUE 
F i c h a H e r a r q u i a d e M e m o r i a 
 
 
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Hierarquia de memória 
Os programadores sempre ambicionaram ter quantidades ilimitadas de memória rápida. Contudo, as 
memórias rápidas são de alto custo e, normalmente, de pequena capacidade também. 
Uma solução é a organização do sistema de memória em uma hierarquia, com diversos níveis, onde 
memórias cada vez mais rápidas, menores e com um custo por byte maior, são colocadas nos níveis mais 
altos. 
O objectivo é fornecer um sistema de memória com um custo próximo daquele do nível mais baixo da 
hierarquia, e velocidade próxima daquela do nível mais alto. Os níveis de hierarquia mais altos 
normalmente são um subconjunto dos níveis mais baixos. 
À medida que a informação vai sendo utilizada, ela vai sendo copiada para os níveis mais altos da 
hierarquia de memória. 
 
Note que a cada nível que se sobe na hierarquia, endereços de uma memória maior são mapeados para 
uma memória menor. 
 
 
 
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Junto com esse mapeamento está associado uma função de protecção, evitando que dados de um usuário 
sejam modificados por outro. 
A importância da hierarquia de memória aumentou nos últimos anos devido ao aumento no desempenho 
dos processadores. 
 
PPrriinnccííppiioo ddaa LLooccaalliiddaaddee 
A utilização hierarquia no acesso à informação é bastante eficiente por satisfazer normalmente os 
princípios da localidade. 
O funcionamento da hierarquia de memória está fundamentado em duas características encontradas nos 
programas. • Existe uma grande probabilidade de o processador executar os mesmos trechos de código e 
utilizar repetidamente dados próximos,, a essa qualidade dos programas denominamos: 
9 Localidade Temporal e 
9 Localidade espacial. 
 
 
 
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Localidade Temporal - posições de memória, uma vez referenciadas (lidas ou escritas), tendem a ser 
referenciadas novamente dentro de um curto espaço de tempo. Usualmente encontrada em laços (loops) 
de instruções e acessos a pilhas de dados e variáveis. 
Exemplo: tanto as instruções dentro dos ciclos, como as variáveis usadas como contadores de 
ciclos, são acedidas repetidamente em curtos intervalos de tempo 
Consequência – a 1ª vez que um elemento de memória é acedido deve ser lido do nível mais 
baixo (por exemplo, da memória central). Mas da 2ª vez que é acedido existem grandes 
hipóteses que se encontre na cache, evitando-se o tempo de leitura da memória central. 
Localidade espacial: se uma posição de memória é referenciada, posições de memória cujos endereços 
sejam próximos da primeira tendem a ser logo referenciados. A informação é manipulada em blocos no 
sistema de hierarquia de memória para fazer uso da localidade espacial. 
Exemplos: as instruções são acedidas em sequência, assim como, na maior parte dos 
programas os elementos dos arrays. 
Consequência – a 1ª vez que um elemento de memória é acedido, deve ser lido do nível mais 
baixo (por exemplo, memória central) não apenas esse elemento, mas sim um bloco de 
elementos com endereços na sua vizinhança. Se o processador, nos próximos ciclos, acede a 
um endereço vizinho do anterior (ex.: próxima instrução ou próximo elemento de um array) 
aumenta a probabilidade de esta estar na cache. 
Os dados contidos num nível mais próximo do processador são sempre um sub-conjunto dos dados 
contidos no nível anterior. O nível mais baixo contém a totalidade dos dados. 
9 No início dos tempos o único nível que possui informação válida é o mais inferior de toda a 
hierarquia, composto de dispositivos de armazenamento não voláteis. 
9 Na medida em que a informação vai sendo utilizada, ela é copiada para os níveis mais altos da 
hierarquia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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PPrriinnccííppiioo ddee OOppeerraaççããoo 
Os dados são replicados unicamente entre dois níveis adjacentes. 
Linha – a cache está dividida em linhas. Cada linha tem o seu endereço (índice) e tem a capacidade de um bloco 
Bloco – Quantidade de informação que é transferida de cada vez da memória central para a cache. É igual à 
capacidade da linha. Unidade mínima que é trocada entre dois níveis de hierarquia e poderá estar presente ou não 
em ambos os níveis. 
 
 
 
 
 
 
Quando fazemos um acesso a um nível da hierarquia e encontramos a informação desejada, dizemos que 
houve um acerto (hit), caso contrário diz-se que houve uma falha (miss). 
– Hit-tentativa de acesso a informação no nível superior, com sucesso;; Diz-se que ocorreu um hit 
quando o elemento de memória acedido pelo CPU se encontra na cache. 
– miss - tentativa de acesso a informação no nível superior, sem sucesso (page fault no caso de 
memória virtual); Diz-se que ocorreu um miss quando o elemento de memória acedido pelo CPU não se 
encontra na cache, sendo necessário lê-lo da memória central. 
– hit rate - taxa (%) de tentativas com sucesso; Percentagem de hits ocorridos relativamente ao total de 
acessos à memória. 
– miss rate: taxa (%) de tentativas sem sucesso; = (1.0 - hit rate); Percentagem de misses ocorridos 
relativamente ao total de acessos à memória. 
– Hit time- é tempo de acesso ao nível superior da hierarquia de memória, que inclui o tempo 
necessário para saber se no acesso ocorrerá um hit ou um miss. Tempo necessário para aceder à 
cache, incluindo o tempo necessário para determinar se o elemento a que o CPU está a aceder se encontra 
ou não na cache 
Cache
000
101
110
111
010
011
100
001
 
 
 
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– miss penalty -> tempo necessário para substituir o bloco em falta (em períodos de clock), 
penalização no desempenho quando a tentativa não tem sucesso. Tempo necessário para carregar 
um bloco da memória central para a cache quando ocorre um miss. A penalidade por falha (miss 
penalty) ou tempo de acesso com falha é tambem o tempo necessário para buscar a informação 
nos níveis inferiores da hierarquia, armazená-la no nível actual e enviá-la para o nível superior. 
Acessos que resultam em acertos nos níveis mais altos da hierarquia podem ser processados mais 
rapidamente e os acessos que geram falhas, obrigando a buscar a informação nos níveis mais baixos da 
hierarquia, levam mais tempo para serem atendidos. 
Para um dado nível da hierarquia possa ser considerado eficiente é desejável que o número de acertos 
(hit) seja bem maior do que o número de falhas (miss). 
 
TTAAXXAA DDEE AACCEERRTTOOSS 
Define-se como taxa de acertos (h) a relação entre o número de acertos e o número total de acessos 
para um dado nível da hierarquia de memória. 
h = número acertos / total de acessos 
• O total de acessos inclui tanto os acessos de leitura como os de escrita. 
Taxa de Acerto h: probabilidade de que uma posição referenciada seja encontrada em dado nível da 
hieraquia de memória. 
 h = taxa de acertos 
Ta = tempo de acesso com acerto 
Tf = tempo de acesso com falha 
Tma = tempo médio de acessoTma = h*Ta +(1 – h)*Tf 
Exemplo: Se Ta = 10 ns, Tf = 80 ns, h = 0,85 então Tma = 20,5 ns 
Se h = 1 então Tma = Ta 
 
 
 
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MMooddoo ccoommoo oo ddeesseemmppeennhhoo éé aaffeeccttaaddoo 
Um dos factores identificados é o tempo médio de execução de cada instrução, expresso em ciclos de 
clock, CPI - permite mostrar claramente como uma inadequada concepção de um sistema de memória 
pode impor fortes penalizações nos tempos de execução de aplicações devido aos acessos à memória. 
CPUtime = Nº instr * CPI * período do clock 
CPI = CPI (execução no CPU) + CPI (acesso à memória) 
CPI(acesso à mem) = Nº acessos / instr * miss rate * miss penalty 
 
OObbjjeeccttiivvooss ddaa hhiieerraarrqquuiiaa ddee mmeemmóórriiaa 
– Minimizar o miss rate 
o Construindo cada nível com a máxima dimensão possível 
o Selecção adequada da dimensão dos blocos e da estratégia de acesso. 
– Minimizar o miss penalty 
ƒ Melhorar os tempos de acesso do nível inferior 
ƒ Selecção adequada da dimensão dos blocos 
– Melhorando a largura de banda no acesso ao nível inferior 
 
 
 
 
 
 
 
 
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OOss eelleemmeennttooss mmaaiiss iimmppoorrttaanntteess ddaa uummaa hhiieerraarrqquuiiaa ddee mmeemmóórriiaa ssããoo:: 
9 Registradores 
9 Memória Cache 
9 Memória Principal 
9 Memória Secundária 
CCaarraacctteerrííssttiiccaass ffuunnddaammeennttaaiiss ddee ssiisstteemmaass ddee mmeemmoorriiaass 
1. Localização 
– Processador 
– Interna (principal) 
– Externa (secundaria) 
2. Capacidade 
– Tamanho da palavra 
– Numero de palavras 
3. Unidade de transferência 
9 palavra 
9 bloco 
4. Método de acesso 
9 Sequencial 
9 Directo 
9 Aleatório 
9 Associativo 
 
5. Desempenho 
9 Tempo de acesso 
9 Tempo de ciclo 
9 Taxa de transferência 
6. Tecnologias 
9 De semicondutores 
9 Magnéticas 
9 Ópticas 
9 Magneto-óptica 
7. Características físicas 
9 Volátil /nao- volátil 
9 Apagavel/nao apagavel 
8. Organização 
 
 
 
 
 
 
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A organização da memória rege-se por uma hierarquia de sistemas de memória. As principais 
são as seguintes: 
9 A memória interna refere-se à memória principal, directamente acedida pelo CPU 
9 O CPU necessita da sua própria memória local, na forma de registos 
9 A memória externa (memória secundária) é referida a todos os dispositivos usados para 
armazenar dados e que acedem ao CPU através de controladores/módulos de Entrada/Saída 
Palavra – unidade de organização de memoria. O tamanho de uma palavra ‘e tipicamente igual ao numero 
de bits usados para representar um numero inteiro e ao tamanho da instrução 
Unidade de transferência -‘e numero de bits que podem ser lidos ou escritos de cada vez, onde na 
memoria interna ‘e chamado palavra e na externa bloco. 
Acesso sequencial – o acesso e feito segundo uma sequencia linear; 
Acesso directo – acesso baseado em localização física. 
Acesso aleatório – usa acesso directo com tempo de acesso a qualquer posição constante; 
Associativo – é do tipo aleatório e possibilita comparar simultaneamente certo numero de bits de uma 
palavra com todas as palavras da memoria, determinando quais dessas palavras contem o mesmo padrão 
de bits. Possibilita a busca de palavras de acordo com o seu conteúdo. 
Tempo de acesso 
9 Em uma memória de acesso aleatório é o tempo gasto para efectuar uma operação de leitura ou 
de escrita 
9 Em memória de acesso não aleatório, é o tempo gasto pra posicionar mecanismo de leitura ou 
escrita na posição desejada. 
Tempo de ciclo de memoria – compreende o tempo de acesso e o tempo adicional requerido antes que 
um segundo acesso possa ser iniciado. 
Taxa de transferência (R)– é a taxa na qual dados podem ser transferidos de ou para a unidade de 
memoria. 
 
 
 
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Em memoria de acesso aleatório R=1/ tempo de ciclo 
Em memoria de acesso não aleatório: TN=TA+N/R 
TN – tempo médio para ler ou escrever N bits; 
TA – tempo médio de acesso; 
N – numero de bits 
R - Taxa de transferência 
Organização – arranjo físico dos bits para formar palavras. 
Registadores 
9 Os registradores estão localizados no núcleo do processador. São caracterizados por um tempo 
de acesso menor que um ciclo de relógio e sua capacidade é da ordem de centenas de bytes. 
9 O controle de qual informação deve estar nos registradores é feita explicitamente pelo compilador, 
que determina quais variáveis serão colocadas no registrador. 
9 É o único nível da hierarquia que permite movimentações iguais apenas ao tamanho da 
informação desejada. 
 
 
 
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Memória Cache 
Memória Cache: Elemento de memória intermediário entre o Processador e a Memória 
principal 
 
Tipos de Dispositivos de Memória 
No sub-sistema de memória de um computador é possível encontrar três tipos diferentes de dispositivos 
de memória: 
9 O primeiro tipo é a memória programável somente de leitura, mais conhecida como PROM 
(Programmable Read Only Memory). Este tipo de dispositivo permite apenas acessos de leitura. 
As informações armazenadas são atribuídas pelo fabricante do sistema, e não podem ser 
modificadas após o seu armazenamento. 
9 O segundo tipo é a memória programável e apagável somente de leitura, ou simplesmente 
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). Assim como no caso da PROM, o 
processador realiza apenas acessos de leitura a uma EPROM. No entanto, ao contrário da 
PROM, o conteúdo de uma memória EPROM pode ser apagado, e a memória pode ser 
novamente usada para armazenar um novo conjunto de informações. 
As memórias PROM ou EPROM são usadas para armazenar o firmware do computador. Em 
geral, o firmware é formado por sub-rotinas usadas pelo sistema operacional, e que interagem 
directamente com o hardware do computador. O BIOS (Basic Input/Output System) em sistemas 
computadores do tipo IBM PC é um exemplo de firmware. As rotinas que formam o BIOS são 
armazenadas em memórias do tipo EPROM. 
9 O terceiro tipo de dispositivo de memória encontrado em um computador é a memória de leitura 
e escrita, ou RAM (Random Access Memory). Como a própria denominação indica, o 
 
 
 
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processador pode efectuar acessos de leitura e escrita a um dispositivo RAM. As memórias deste 
tipo são usadas para armazenar as instruções e dados de um programa em execução. 
Existem dois tipos de memória RAM: 
9 as memórias RAM estáticas, ou SRAM (Static RAM) e 
9 as memórias RAM dinâmicas, ou DRAM (Dynamic RAM). 
Estes dois tipos de memórias RAM diferem quanto à capacidade de armazenamento e ao tempo de 
acesso. 
Para memórias fabricadas com a mesma tecnologia,a capacidade de um dispositivo DRAM é até 16 
vezes maior que a de um dispositivo SRAM. Esta diferença na capacidade de armazenamento deve-se ao 
modo como uma célula de bit é implementada. Nas memórias DRAM, a célula de bit é implementada por 
um circuito electrónico que ocupa uma área de integração menor que a ocupada pelo circuito usado nas 
memórias SRAM. Como a área por célula de bit é menor, para a mesma área total de integração o número 
total de células de bit em uma DRAM é maior. 
No entanto, as memórias SRAM apresentam uma vantagem sobre as memórias DRAM no que se refere 
ao tempo de acesso. Para a mesma tecnologia, o tempo de acesso de uma SRAM é até 4 vezes menor 
que o tempo de acesso de uma DRAM. Melhorias no tempo de acesso dos dispositivos DRAM não 
acontecem na mesma taxa que o aumento observado na sua capacidade de armazenamento. 
Os dispositivos DRAM são utilizados em sistemas de baixo e médio custo, tais como computadores 
pessoais e estações de trabalho. Com este tipo de dispositivo é possível dotar um sistema com uma 
capacidade de memória principal elevada, sem aumentar significativamente o seu custo. No entanto, o uso 
de dispositivos DRAM favorece a capacidade de armazenamento da memória principal em detrimento do 
seu tempo de acesso, comprometendo o desempenho do sistema. 
As classes de aplicações como processamento gráfico e multimédia necessitam que o desempenho seja 
um factor cada vez mais importante na faixa de computadores pessoais e estações de trabalho. A solução 
para obter o compromisso desejado entre capacidade de armazenamento, desempenho e custo encontra-
se no uso apropriado de tecnologias de memória com diferentes relações entre estes três factores. Esta é 
a ideia por detrás das memórias cache, cujo conceito e operação são examinados a seguir.