2019819_1317_AC_06

Prévia do material em texto

Arquitetura de 
Computadores I
Prof. MSc. Daniel Menin Tortelli
danielmenintortelli@gmail.com
Memória – Parte II
Arquitetura dos módulos de memória. 
• Num chip de memória DRAM, cada bit é formado pelo conjunto de um 
transistor e um capacitor.
• O transistor controla a passagem da corrente elétrica, enquanto o capacitor a 
armazena por um curto período. 
• Quando o capacitor contém um impulso elétrico, temos um bit 1 e quando ele 
está descarregado, temos um bit 0.
• Os "capacitores" usados nos chips de memória são extremamente pequenos e 
simples, basicamente dois pequenos blocos de metal ligados ao transístor, que 
conservam o impulso elétrico por apenas uma fração de segundo.
Arquitetura dos módulos de memória. 
• Para evitar a perda dos dados, a placa mãe inclui um circuito de refresh, que é 
responsável por regravar o conteúdo da memória várias vezes por segundo (a 
cada 64 milissegundos ou menos).
• O processo de refresh atrapalha duplamente, pois consome energia (que acaba 
sendo transformada em calor, contribuindo para o aquecimento do micro) e 
torna o acesso à memória mais lento. 
• Apesar disso, não existe muito o que fazer, pois a única solução seria passar a usar 
memória SRAM, que é absurdamente mais cara :).
• A principal diferença é que na memória SRAM cada célula é formada por 4 ou 6 
transístores, ao invés de apenas um. 
• Dois deles controlam a leitura e gravação de dados, enquanto os demais formam a célula 
que armazena o impulso elétrico (a célula continua armazenando um único bit).
Capacidades
• A capacidade da memória pode se referir ao chip de memória (cuja capacidade é medida em 
bits) ou ao módulo de memória (cuja capacidade é medida em bytes).
• O quanto cada chip de memória armazena é chamado densidade do chip. 
• Essa capacidade é normalmente expressa na forma “bits X organização interna”. 
• Um pente de memória de 1 GB, por exemplo, é formado geralmente por 8 chips de 1 gigabit 
cada um (8 gigabits = 1 gigabyte). 
• Cada chip possui nada menos do que 1 bilhão de transístores e capacitores e o módulo 
inteiro acumula um total de 8 bilhões de conjuntos.
• Apesar dessa brutal quantidade de transistores, os chips de memória são relativamente 
simples de se produzir, já que basta repetir a mesma estrutura indefinidamente.
Capacidades
• A tabela abaixo ilustra as capacidades típicas (as densidades por chip estão em 
bits, portanto você deverá dividir por oito para ter a densidade de cada chip 
em bytes). 
• A placa-mãe e/ou o processador (já que atualmente o circuito controlador de 
memória está embutido no processador) também podem limitar a capacidade 
máxima que cada módulo pode ter.
Pré-busca
• As memórias dinâmicas armazenam dados dentro de uma matriz de pequenos 
capacitores, composta de linhas e colunas. 
• As memórias DDR têm um circuito de pré-busca que permite manter uma linha 
selecionada, permitindo que o controlador de memória busque dados que 
estejam adjacentes na mesma linha nas operações seguintes, de forma 
automática, sem a necessidade de selecionar novamente esta linha, 
economizando tempo e aumentando o desempenho. 
• A quantidade de dados que serão lidos dessa forma varia de acordo com a 
tecnologia da memória. 
Pré-busca
• Por exemplo, no caso das memórias DDR3 e DDR4, quando o controlador de 
memória pede um dado, a memória já lê e entrega os próximos oito dados seguintes.
• A largura dos dados (número de bits) dependerá da organização interna do chip de 
memória. 
• Por exemplo, em um chip DDR3 “1 Gb x 8”, os dados estão organizados internamente 
em grupos de oito bits, e a pré-busca fará a entrega de oito dados de oito bits, ou 
seja, 64 bits.
Temporizações das memórias RAM
• As memórias DDR, DDR2, DDR3 e DDR4 são classificadas de acordo com a 
velocidade máxima que conseguem operar, bem como suas temporizações. 
Temporizações são números como 3-4-4-8, 5-5-5-15, 7-7-7-21 ou 9-9-9-24. 
• Quanto menor forem esses números, melhor. 
• As memórias construídas com tecnologia DDR (quando falarmos “tecnologia 
DDR”, aplica-se para todas as suas variações, como DDR4, DDR3, etc.) seguem 
a seguinte classificação: DDRxxx/PCyyyy. 
Temporizações das memórias RAM
• O primeiro número (xxx) indica o clock máximo que os chips da memória 
suportam. 
• Por exemplo, as memórias DDR3-1333 podem trabalhar a até 1.333 MHz e as 
memórias DDR4-2133 podem trabalhar até 2.133 MHz. 
• É importante notar que este não é o clock real das memórias. 
• O clock real das memórias com tecnologia DDR é metade do clock rotulado. 
Por exemplo, o clock real das memórias DDR3-1333 é 666 MHz, não 1.333 
MHz, e o clock real das memórias DDR4-2133 é 1.067 MHz e não 2.133 MHz.
Temporizações das memórias RAM
• O segundo número (yyyy) indica a taxa de transferência máxima teórica da memória 
(também conhecida como largura de banda), medida em MB/s. 
• A taxa de transferência de dados das memórias DDR400 é de no máximo 3.200 MB/s, e por isso 
que elas são rotuladas como PC3200. 
• A taxa de transferência das memórias DDR2-800 é de 6.400 MB/s, e por isso que elas são 
rotuladas como PC2-6400. 
• Já a taxa de transferência das memórias DDR3-1333 é de 10.664 MB/s, e por isso elas são 
rotuladas como PC3-10600 ou PC3-10666. 
• E a largura de banda das memórias DDR4-2133 é de 17.064 MB/s e elas são rotuladas como PC4-
17000. 
• Observe que é usado os números “2”, “3” ou “4” após os nomes “DDR” ou “PC” para 
indicar que estamos falando das memórias DDR2, DDR3 ou DDR4, e não das 
memórias DDR.
Temporizações das memórias RAM
• A primeira parte da classificação, DDRxxx, é o padrão usado para classificar os 
chips de memória, enquanto que a segunda parte, PCyyyy, é usada para 
classificar os módulos de memórias. 
• Na Figura, pode-se ver um módulo de memória PC3-10666, que utiliza chips 
DDR3-1333. Preste atenção nas temporizações (7-7-7-18) e na tensão de 
alimentação (1,5 V).
Módulo de memória DDR3-1333/PC3-10666
Temporizações das memórias RAM
• A taxa de transferência máxima teórica dos módulos de memórias pode ser calculada 
através da seguinte fórmula:
Largura de banda = clock x Número de Bits / 8
• Como os módulos de memória DIMM transferem 64 bits por vez, o “número de bits” 
da fórmula é 64. Como 64 / 8 é igual a 8, podemos simplificar esta fórmula para:
Largura de banda = clock x 8
• Se você instalar um módulo de memória em um computador onde o seu barramento de memória esteja 
rodando com um clock inferior, a taxa de transferência que o módulo de memória alcançará será menor do que 
a sua taxa de transferência máxima teórica.
Temporizações das memórias RAM
• Por causa das temporizações, dois módulos de memória com mesma taxa de 
transferência máxima teórica podem apresentar desempenhos diferentes.
• As temporizações da memória são dadas através de uma série de números, 
como, por exemplo 4-4-4-8, 5-5-5-15, 7-7-7-21 ou 9-9-9-24. 
• Estes números indicam a quantidade de pulsos de clock que a memória 
demora para fazer uma determinada operação. 
• Quanto menor o número, mais rápida é a memória.
Temporizações das memórias RAM
• As operações que estes números 
indicam são as seguintes: 
• CL: CAS Latency
• tRCD: RAS to CAS Delay
• tRP: RAS Precharge
• tRAS: Active to Precharge Delay
• CMD: Command Rate
• Para entendê-los, tenha em mente que 
a memória é organizada internamente 
em forma de matriz, onde os dados são 
armazenados na interseção de linhas e 
colunas.
Um módulo de memória DDR3-1600/PC3-12800 
com temporizações 8-8-8-24
Temporizações das memórias RAM
• CL: CAS Latency. Indica a quantidade de pulsos de clock que a memória leva 
para retornar um dado solicitado.
• Uma memória com CL=7 demora sete pulsos de clock para entregar um dado, 
enquanto que uma memória com CL=9 demora nove pulsos de clock para 
realizar a mesma operação. 
• Dessa maneira dois módulos trabalhando com o mesmo clock o que tiver a 
menor latência do CAS será o mais rápido.
• Uma memória com CL=7 tem uma melhoriade 22,2% na latência da memória 
em relação a uma memória com CL=9, considerando que as duas estejam 
rodando com o mesmo clock.
Temporizações das memórias RAM
• CL: CAS Latency. Indica a quantidade de pulsos de clock que a memória leva 
para retornar um dado solicitado.
Temporizações das memórias RAM
• tRCD: RAS to CAS Delay. Tempo demorado entre a ativação da linha (RAS) e a coluna 
(CAS) onde o dado está armazenado na matriz.
• Cada chip de memória é organizado internamente como uma matriz. Na interseção 
de cada linha e coluna temos um pequeno capacitor responsável por armazenar um 
“0” ou “1” – o dado. 
• Internamente, o processo de acessar um dado armazenado é feito ativando-se a 
linha onde ele está localizado e, em seguida, a coluna. 
• Esta ativação é feita por dois sinais de controle chamados RAS (Row Address Strobe) 
e CAS (Column Address Strobe). 
• Quanto menor for o tempo entre esses dois sinais, melhor, já que o dado será lido 
mais rapidamente.
Temporizações das memórias RAM
• tRCD: RAS to CAS Delay. Tempo demorado entre a ativação da linha (RAS) e a 
coluna (CAS) onde o dado está armazenado na matriz.
Temporizações das memórias RAM
• tRP: RAS Precharge. Tempo demorado entre desativar o acesso a uma linha de 
dados e iniciar o acesso a outra linha de dados.
• Após o dado ter sido entregue pela memória, um comando chamado 
Precharge precisa ser executado para desativar a linha da memória que estava 
sendo usada e para permitir que uma nova linha seja ativada.
• O tempo RAS Precharge (tRP) é o tempo entre o comando Precharge e o 
próximo comando “Active” (“Ativar”). O comando “Active” inicia um ciclo de 
leitura ou de escrita.
Temporizações das memórias RAM
• tRP: RAS Precharge. Tempo demorado entre desativar o acesso a uma linha de 
dados e iniciar o acesso a outra linha de dados.
Temporizações das memórias RAM
• tRAS: Active to Precharge Delay. O quanto a memória tem que esperar até que 
o próximo acesso à memória possa ser iniciado.
• CMD: Command Rate. Tempo demorado entre o chip de memória ter sido 
ativado e o primeiro comando poder ser enviado para a memória. 
• Algumas vezes este valor não é informado. 
• Normalmente possui o valor T1 (1 clock) ou T2 (2 clocks).
Temporizações das memórias RAM
Canais de Memória
Arquiteturas de Memória de Dois, Três e Quatro Canais
• A memória RAM impede que o micro obtenha seu desempenho máximo. Isto 
acontece porque o processador é muito mais rápido do que a memória RAM e 
muitas vezes ele tem de ficar esperando a memória para poder entregá-la um 
determinado dado. 
• Durante esse tempo de espera o processador fica ocioso, sem fazer nada (isto 
não é absolutamente verdade, mas vale para nossas explicações).
• Em um computador ideal, a velocidade da memória deve ser igual à do 
processador.
Arquiteturas de Memória de Dois, Três e Quatro Canais
• As arquiteturas de dois, três e quatro canais são técnicas usadas para dobrar, triplicar 
ou quadruplicar a velocidade de comunicação entre o controlador de memória e a 
memória RAM, aumentando assim o desempenho do micro.
• A memória é controlada por um circuito chamado controlador de memória. 
• Atualmente, a maioria dos processadores tem este componente integrado, o que 
significa que o processador tem um barramento de memória dedicado conectando-o 
à memória. 
• Em processadores antigos, no entanto, este circuito estava localizado no chipset da 
placa-mãe, mais especificamente no chip ponte norte (este chip também é conhecido 
como MCH, Memory Controller Hub, Hub Controlador de Memória).
Arquiteturas de Memória de Dois, Três e Quatro Canais
Arquiteturas de Memória de Dois, Três e Quatro Canais
• Neste caso, o processador não se comunica diretamente com a memória RAM; o 
processador acessa o chip ponte norte, que, por sua vez, envia as solicitações do 
processador à memória. 
• A primeira opção oferece maior desempenho, já que não há um intermediário nas 
comunicações entre o processador e a memória.
Como a memória é acessada em processadores 
com controlador de memória integrado
Como a memória é acessada em processadores sem 
controlador de memória integrado
Arquiteturas de Memória de Dois, Três e Quatro Canais
• A memória RAM é conectada ao controlador de memória através de uma série de 
fios, coletivamente chamados “barramento de memória”. Esses fios são divididos em 
três grupos: dados, endereço e controle. 
• Os fios do barramento de dados são responsáveis por transportar os dados que 
estão sendo lidos (ou seja, dados que estão sendo transferidos da memória para o 
controlador de memória) ou escritos (ou seja, transferidos do controlador de 
memória para a memória RAM, isto é, saindo do processador). 
• Os fios do barramento de endereços dizem aos módulos de memória onde 
exatamente (isto é, em qual endereço) os dados precisam ser lidos ou armazenados. 
• Os fios do barramento de controle enviam comandos para os módulos de memória 
dizendo a eles qual tipo de operação deve ser feita – por exemplo, se é uma 
operação de escrita (armazenamento) ou leitura.Outro fio importante presente no 
barramento de controle é o sinal de clock da memória.
Largura de Banda
• Largura de banda é a taxa de transferência máxima teórica de um canal de 
comunicação. No caso das memórias, a largura de banda é medida em 
megabytes por segundo (MB/s) ou gigabytes por segundo (GB/s), ou seja, 
quantos milhões ou bilhões de bytes podem se transferidos por segundo, 
respectivamente. 
• A largura de banda da memória pode ser obtida através seguinte fórmula:
Largura de banda = clock DDR x 8
Arquiteturas de Memória de Dois, Três e Quatro Canais
• As arquiteturas de memória de dois, três e quatro canais funcionam 
aumentando a quantidade de fios de dados disponíveis no barramento de 
memória, dobrando, triplicando ou quadruplicando a largura de banda 
disponível, respectivamente.
• É importante notar que o aumento de desempenho é obtido apenas no 
subsistema de memória; dobrar o desempenho teórico da memória não 
significa que o computador ficará duas vezes mais rápido.
Arquitetura de Canais
Arquitetura de Canal Simples
• Quando dizemos que o barramento de dados da memória é de 64 bits, isto 
significa que existem 64 fios (sim, fios físicos na placa-mãe) conectando o 
controlador de memória aos soquetes de memória. 
• Esses fios são rotulados como D0 a D63. O barramento de dados da memória é 
compartilhado entre todos os soquetes de memória. 
• Os barramentos de endereços e controle ativarão o soquete apropriado 
dependendo do endereço onde o dado deve ser armazenado ou lido.
Arquitetura de Canal Simples
Como o modo de canal único funciona (Single Channel)
Arquitetura de Canal Simples
Arquitetura de Dois Canais
• A arquitetura de dois canais expande a quantidade de fios disponíveis no barramento 
de dados da memória de 64 para 128. 
• Isto dobra a largura de banda disponível. Por exemplo, se você usa memórias DDR3-
1333, a taxa de transferência máxima teórica é dobrada de 10.664 MB/s (10,6 GB/s) 
para 21.328 MB/s (21,3 GB/s).
• Cada módulo de memória, no entanto, é um dispositivo de 64 bits. 
• Dessa forma, para que a arquitetura de dois canais funcione, é necessário instalar 
dois módulos de memória em paralelo, expandindo o barramento de memória para 
128 bits.
• A arquitetura de dois canais funciona acessando dois módulos em paralelo, isto é, ao 
mesmo tempo.
Arquitetura de Dois Canais
• Em micros que suportam a tecnologia de dois canais, o barramento de dados da 
memória é expandido para 128 bits. 
• Isto significa que existem 128 fios conectando o controlador de memória aos 
soquetes de memória.
• Esses fios são rotulados como D0 a D127. 
• Como cada módulo de memória aceita apenas 64 bits por pulso de clock, dois 
módulos de memória são usados para preencher o barramento de dados de 128 bits. 
• Como os dois módulos são acessados ao mesmo tempo, eles precisam ser idênticos 
(mesma capacidade, mesma temporizaçãoe mesmo clock).
Arquitetura de Dois Canais
Como o modo de dois canais funciona (Dual Channel)
Arquitetura de Dois Canais
Habilitando o Modo de Dois Canais
• Para habilitar a tecnologia de dois canais você precisa ter:
• Um controlador de memória com suporte à arquitetura de dois canais (praticamente 
todos os atuais processadores suportam esta arquitetura).
• Dois ou uma quantidade par de módulos de memória; cada par de módulos deve ser 
idêntico.
• Instalar os módulos de memória nos soquetes corretos na placa-mãe que habilitarão 
esta arquitetura.
Habilitando o Modo de Dois Canais
Instale módulos de memória em soquetes 
de mesma cor
Modo de dois canais habilitado em um 
micro com processador Intel (ver o 
soquete vazio entre eles)
Responda...
1. O fator crítico de desempenho é na comunicação entre processador e memória 
principal. Explique algumas medidas que podem ser tomadas para melhorar essa 
comunicação.
2. O que são memórias de acesso sequencial, direto e aleatório?
3. Qual a relação entre tempo de acesso, custo de memória e capacidade.
4. Como o Princípio de Localidade (Temporal e Espacial) se relaciona com o uso de 
múltiplos níveis de memória.
5. Explique como funciona internamente as duas tecnologias de acesso aleatório, 
dinâmica e estática, utilizadas para construção de memória cache e principal. Fale 
sobre as vantagens e desvantagens de cada uma em termos de custo, capacidade e 
tempo de resposta.