Arquitetura de computadores modernos

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ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
CONCEITOS BÁSICOS
CONCEITOS BÁSICOS
DEFINIÇÕES
Processamento de Dados:
Consiste em uma série de atividades ordenadamente
realizadas com o objetivo de produzir um arranjo
determinado de informações a partir de outras obtidas
inicialmente.
• O Dado é a matéria prima originalmente obtida de
uma ou mais fontes.
• A Informação é o resultado do processamento dos
dados.
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Dados Processamento Informação
CONCEITOS BÁSICOS
DEFINIÇÕES
Processamento de Dados: Exemplo
Processamento:
Dias de venda em estoque = estoque disponível /
quantidade diária de de vendas
Es
to
qu
e
(d
ad
o)
Ve
nd
as
(d
ad
o)
Processamento
Dias de venda em 
estoque (informação)
CONCEITOS BÁSICOS
HARDWARE
• Chips diversos
• Processador
• Memória principal (RAM)
• Memória secundária (HD, SSD, etc.)
• Barramento
• Monitor de vídeo
• Etc.
CONCEITOS BÁSICOS
SOFTWARE
• Sistema Operacional
• Navegador
• Aplicativos
• Ferramentas (Java, Python, PHP, HTLM/CSS, etc.)
• Banco de dados
• Antivírus
• Etc.
CONCEITOS BÁSICOS
COMPUTADORES DIGITAIS
• Executam tarefas de acordo com uma sequência de
instruções (algoritmo).
• Processo é um programa em execução.
• Internamente ao computador, todos os caracteres
(letras, números, símbolos, etc.) são constituídos por
códigos binários que são convertidos para sinais de
tensão elétrica.
• Curiosidade: o ENIAC (em 1946) trabalhava com
sistema decimal (e não binário) e cada número era
traduzido por uma tensão diferente.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
CONCEITOS BÁSICOS
COMPUTADORES DIGITAIS
• O hardware é binário pois deixa passar, ou não, a
corrente elétrica através de portas.
• Essas portas são os transistores.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
CONCEITOS BÁSICOS
COMPUTADORES DIGITAIS
• Máquina de Von Neumann: máquina digital binária.
• Desenvolvida em 1946.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
John von Neumann
CONCEITOS BÁSICOS
COMPUTADORES DIGITAIS
• Nas mídias magnéticas o bit (Binary Digit) é
representado pela orientação magnética em uma,
ou outra, orientação.
Tempo1 65432 987
1 1 1 10 00 0
Direção
do Laser
• Nas mídias óticas o bit é
representado pela
transição entre pulsos
luminosos (transição ou
não transição).
 Pit: sem iluminação
 Land: com iluminação
CONCEITOS BÁSICOS
HISTÓRICO
• Dispositivos mecânicos (ábacos) (de 3.000 AC a 1880).
• Dispositivos eletromecânicos (cartão Hollerith) (de
1880 a 1930).
• Dispositivos eletrônicos (até a época do ENIAC -Electronic
Numerical Integrator And Computer) (de 1930 a 1945).
• Computadores:
 Com válvulas (até 1955).
 Com transistores (a partir de 1947).
 Com circuitos integrados (a partir de 1958).
 Com integração em larga escala (chips) (a partir de 1964).
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Supercomputadores
Processamento de dados em larga escala para
aplicações específicas.
Dados para pesquisas e computação científica.
Operação de datacenters de nuvem (cloud
computing).
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Supercomputadores – Grifo 04 (Petrobras)
Desenhado e produzido pela Itautec, conta com 1088 GPUs NVIDIA
Tesla M2050 e 544 CPUs hexa-core Intel X5690. Além disso, ele tem 17
TB de memória RAM (incluindo 3TB de GRAM) e mais de 1 PB em
discos locais.
Com todo esse hardware, o sistema tem capacidade para realizar mais
de 250 trilhões de operações matemáticas por segundo.
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Supercomputadores – Galileu (UFRJ e Petrobras)
É usado para ajudar na exploração de petróleo na região do pré-sal,
assim como o Grifo04
Ele é capaz de processar 160 trilhões de cálculos por segundo –
portanto, tem a capacidade de 160 teraflops. Essa potência toda é
gerada por uma arquitetura com servidores Sun Blade x6048 e
processador Xeon X5560 que somam, no total, 6.464 núcleos.
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Supercomputadores – Grifo 04: aplicação
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Supercomputadores – Tupã (INPE): aplicação
A máquina tem uma velocidade máxima de 258
TFlop/s, equivalente a 258 trilhões de cálculos por
segundo.
CONCEITOS BÁSICOS
Flops
FLoating-point Operations Per Second
(Operações de Ponto Flutuante por Segundo)
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Computadores de grande porte 
Denominados Mainframes
Processamento de dados 
em larga escala.
Dados comerciais e 
computação científica.
Servidores de alta 
capacidade de 
processamento e de 
armazenamento.
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Microcomputadores
 Foram viabilizados pelos microprocessadores.
 Boa relação custo/benefício para uso pessoal e 
de pequenas organizações.
 Apresenta condições de escalabilidade.
 Há grande variedade de ferramentas de software 
disponíveis.
Fonte (adaptado): Arquitetura de Computadores – J. Hennessy e D. Patterson
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Servidores
 Maior escala de processamento, serviços de
armazenamento e de segurança das
informações.
 Em certas condições, pode substituir o
mainframe.
 Apresenta condições de escalabilidade.
 Pode apresentar alto throughput (desempenho
de operações por segundo).
Fonte (adaptado): Arquitetura de Computadores – J. Hennessy e D. Patterson
CONCEITOS BÁSICOS
CLASSES DE COMPUTADORES
• Computadores embarcados
 Presentes numa grande gama de aplicações
industriais, veiculares, domésticas, bancárias,
comunicações, etc.
 O desempenho ocorre em tempo real.
 O conjunto processador/memória é
miniaturizado para permitir sua instalação em
ambientes restritos.
 Necessidade de baixo consumo de energia.
Fonte (adaptado): Arquitetura de Computadores – J. Hennessy e D. Patterson
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
• O projetista de um computador atua em várias 
tarefas:
 Determinar os requisitos necessários.
 Maximizar o desempenho.
 Observar as restrições de prazo, custo, potência
de processamento e disponibilidade da máquina.
 Projetar a arquitetura do conjunto de instruções (*).
 Projetar a organização funcional da máquina.
 Familiaridade com o Sistema Operacional e 
compiladores.
Fonte: Arquitetura de Computadores – J. Hennessy e D. Patterson
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
• O projetista de um computador atua em várias 
tarefas:
 Projetar a implementação.
 Projetar os circuitos integrados (chips).
 Projetar a potência de processamento.
 Projetar o sistema de resfriamento da 
máquina.
 Etc.
Fonte: Arquitetura de Computadores – J. Hennessy e D. Patterson
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
(*) Mas o que é a Arquitetura do Conjunto de 
Instruções?
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
Fonte (adaptado): Arquitetura de Computadores – J. Hennessy e D. Patterson
Arquitetura do Conjunto de Instruções
ou
ISA – Instruction Set Architecture
É a primeira camada de software que atua sobre o
hardware. Situa-se na fronteira entre o hardware e os
demais softwares que operarão na máquina.
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA):
Quando uma nova máquina chega ao mercado surgem, de 
imediato, pelo menos 3 perguntas:
• Essa máquina é compatível com a anterior?
• Meu sistema operacional antigo roda nesta máquina?
• Esta máquina roda todos os meus programas sem que
eu precise fazer qualquer modificação neles?
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA):
Perguntas desta natureza geram
uma pressão para que as novas
máquinas sejam compatíveis
com as anteriores.
Linguagens 
Atuais
LinguagensAnteriores
Nível ISA
Nível da Micro-Arquitetura
Nível Lógico-Digital
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA):
Quais as características de um bom projeto de ISA?
• Definir um conjunto de instruções que possa ser
implementado com eficiência tanto nas tecnologias
atuais como nas futuras, resultando em projetos
com uma relação custo-benefício adequada para
várias gerações de tecnologias.
• Fornecer uma interface eficiente com o compilador
e com o hardware.
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA):
Propriedades do ISA
Define o aspecto da máquina para um programador da
linguagem de máquina, ou,
em outras palavras,
as instruções do ISA são aquelas para as quais o
compilador deve gerar código.
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA):
Propriedades do ISA
Para fazer com que o compilador gere código para o ISA, o
projetista do compilador deve conhecer muito bem o
modelo de memória da máquina, quais registradores
estão implementados, quais os tipos de dados e de
instruções disponíveis e assim por diante.
O conjunto de todas essas informações é que define o
ISA.
CONCEITOS BÁSICOS
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DO COMPUTADOR
Propriedades do ISA
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
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Ciência da Computação
CONCEITOS BÁSICOS
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
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Ciência da Computação
ESTRUTURA DO HARDWARE
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
ProcessadorDispositivo de 
entrada
M
em
ór
ia
 
se
cu
nd
ár
ia
Dispositivo de 
saída
Memória 
principal 
(RAM)
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
ARQUITETURA GENÉRICA
Dispositivos de Entrada:
• Teclado
• Mouse
• Scanner
• Microfone
• Câmera
• Sensores diversos
• Leitor de QR Code
• Drivers de CD e DVD
• Etc.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
ARQUITETURA GENÉRICA
Dispositivos de Saída:
• Monitor de vídeo
• Impressora
• Gravador de mídias óticas
• Pendrive
• Caixa de som
• Etc.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Memória Principal (RAM):
• RAM – Random Access Memory
• Pode ser de vários tipos, por exemplo:
 DDR4: opera com valores de 2.133 até 4.266 MHz. Isso
significa mais transferências em um mesmo intervalo de
tempo.
 DDR4 DIMM: Ao contrário dos módulos SIMM de 30 e 72
vias, usados nos micros 386, 486 e Pentium, os módulos
DIMM possuem contatos em ambos os lados do módulo,
o que justifica seu nome, "Double In Line Memory
Module" ou "módulo de memória com dupla linha de
contato".
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Memória Principal (RAM):
• A sigla DDR vem de Double-Data-Rate (Taxa Dupla
de Transferência). Uma memória DDR-SDRAM é uma
memória do tipo SDRAM que permite que dois
dados sejam transferidos no mesmo ciclo de clock.
• Um módulo de memória do tipo DDR-SDRAM é,
teoricamente, duas vezes mais rápido que um
SDRAM comum.
• A SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) trabalha
sincronizada com os ciclos da placa mãe sem tempo
de espera.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Memória Principal (RAM):
Memórias são compostas por células, as quais têm
determinadas características:
• Cada célula contém apenas uma informação (um byte).
• Todas as células têm o mesmo tamanho, isto é, o
mesmo número de bits.
• Cada célula tem apenas um endereço, isto é, um
número associado pelo qual a célula é referenciada
pelos programas.
• O endereçamento é sequencial.
• Células consecutivas têm endereços consecutivos.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Memória Secundária: refere-se às memórias que não são a
RAM
• HDs
• SSDs
• Mídias óticas
• Pendrive
• Fita magnética
• Etc.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador:
• É o componente capaz de entender e realizar uma
operação definida por uma instrução de máquina.
• UCP – Unidade Central de Processamento ou CPU –
Central Processing Unit.
• Fabricantes: Intel, AMD, IBM, Sun, etc.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagem de máquina
• Instruções muito simples, primárias e de baixo nível 
(composições binárias).
• Não apropriadas para utilização pelo ser humano.
• Também designada de Linguagem Objeto.
• Vamos designá-la por L1.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagem fonte
• Instruções de alto nível.
• Apropriadas para utilização pelo ser humano.
• Vamos designá-la por L2.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagens de máquina e fonte
Como executar, então, um programa escrito em L2?
Linguagem Objeto (L1)
Linguagem Fonte (L2)
Hardware
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagens de máquina e fonte
Como executar, então, um programa escrito em L2?
Linguagem Objeto (L1)
Linguagem Fonte (L2)
Hardware
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Compilação:
• Elabora-se um sistema em L1 para:
 Ler integralmente e depurar o programa 
escrito em L2, gerando uma cópia em L1 
(Programa Objeto)
 Executar a cópia em L1, ignorando o programa 
em L2.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Compilação:
S
i m
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Interpretação:
• Elabora-se um sistema em L1 para ler o programa 
escrito em L2 linha a linha e:
 Interpretá-lo (linha a linha)
 Depurá-lo (linha a linha)
 Executá-lo (linha a linha)
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Interpretação:
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICAARQUITETURA GENÉRICA
Processador: na prática
Hardware
Linguagem L1
Linguagem L2
Linguagem L3
Linguagem L4
Componentes Básicos
FUNÇÃO DO COMPUTADOR
Ciclo Básico:
• O processador é construído contendo internamente
os micro programas de execução de cada operação.
• Ele tem uma sequência básica de execução de
operações primitivas: o ciclo de instrução.
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Componentes Básicos
FUNÇÃO DO COMPUTADOR
Ciclo Básico:
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Início
Buscar 
instrução na 
memória
Interpretar a 
instrução a ser 
realizada
Buscar 
operandos (se 
houver)
Executar a 
operação
Esquematicamente
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento:
• Provê a interligação de todos os componentes,
permitindo a comunicação entre eles.
• É constituído de fiação que permite o deslocamento
dos sinais elétricos entre os dispositivos,
representando os 0 (zeros) e os 1 (uns).
• A comunicação entre dispositivos é bilateral, ou
seja, quando um par de dispositivos “está
conversando”, os demais devem esperar sua vez
para utilizar o barramento.
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento:
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Processador Memória Cache Memória RAM HD Dispositivo n
Barramento
. . .
Observação:
• Esse é o barramento do PC quando foi lançado no mercado
pela IBM em 1981.
• Barramento ISA – Industry Standard Architecture.
Componentes Básicos
ARQUITETURAGENÉRICA
Barramento:
• Existem três barramentos na máquina com
finalidades diferentes:
 Barramento de dados.
 Barramento de endereços.
 Barramento de controle.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento:
• Na placa mãe estão instalados o processador, vários
chips auxiliares, um barramento que percorre todo seu
comprimento e soquetes, nos quais serão ligados os
conectores das placas controladoras dos dispositivos
de E/S (Entrada / Saída).
• Às vezes existem dois barramentos, um de alta
velocidade (para as placas de E/S modernas) e outro de
baixa velocidade (para as placas de E/S antigas).
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento:
• O barramento não é utilizado apenas pelas placas
controladoras de E/S mas, também, pelo processador e
pela memória.
• Como evitar colisões e, portanto, perda de dados, se o
processador e uma placa controladora de E/S quiserem
utilizar o barramento ao mesmo tempo?
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Duas possibilidades:
Arbitragem centralizada.
Arbitragem distribuída.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
 Um chip, denominado “Árbitro do Barramento”
decide de quem é a vez de utilizar o barramento.
 Em geral, os dispositivos de E/S têm preferência,
preterindo o processador, pois os discos e demais
dispositivos, cuja operação dependa de movimento
de suas partes, não podem ter seu trabalho
interrompido no meio, sob pena de perderem os
dados.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
Exemplo: modelo Daisy Chaning
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
 Há um árbitro de barramento.
 Cada dispositivo faz sua requisição de utilização do
barramento do computador.
 O árbitro recebe as requisições, mas não “sabe” quem
as fez.
 O árbitro libera uma requisição por vez através do
Barramento de Permissões.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
 O 1º dispositivo que estiver aguardando uma
permissão utiliza-a, mesmo que esta não tenha sido
gerada pelo dispositivo que a está utilizando.
 Se o dispositivo não solicitou permissão alguma,
passa a liberação para o dispositivo seguinte.
 O 1º dispositivo tem mais requisições atendidas que
os demais.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
Exemplo: modelo Multibus
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
 Não há árbitro de barramento.
 O Barramento de Requisições prioriza os dispositivos.
 Todos os dispositivos monitoram todas as linhas de
requisição, assim quando o barramento fica livre cada
dispositivo “sabe” se é sua vez de utilizá-lo, ou não.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
 Para obter a utilização do barramento o dispositivo
verifica:
 Se o Barramento de Ocupado está livre.
 Se ele está recebendo o sinal da Linha de
Arbitragem.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
Se as duas condições forem verdadeiras:
 O dispositivo interrompe a propagação do sinal
da Linha de Arbitragem.
 Ativa o Barramento de Ocupado.
 Utiliza o barramento do computador.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: PCI - Peripheral Component Interconnect
(Interconexão de Componentes Periféricos)
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: PCI
• Foi lançado pela Intel em 1992.
• O processador se comunica com a memória através de 
uma conexão dedicada de alta velocidade.
• A controladora se comunica diretamente com a
memória e com o barramento PCI, de modo que o
tráfego processador-memória não passa pelo
barramento PCI.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: PCI
• Os periféricos de banda passante alta, ou seja, capazes
de transferir dados a uma velocidade alta, tais como os
discos SCSI, podem se conectar diretamente ao
barramento PCI.
• O barramento PCI tem uma ponte para o barramento
ISA, de maneira que a controladora ISA e seus
dispositivos podem ser usados.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Quando o PCI foi criado (nos anos 90), ele teve um efeito
unificador sobre o excesso de barramentos existentes na época
(ISA, EISA, VESA, Micro Channel, etc.).
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: PCI Express
Uma vez que o barramento PCI Express é baseado na
tecnologia de comunicação serial, os dados podem ser
enviados nos dois barramentos existentes em duas
direções simultaneamente. No barramento PCI os dados
são enviados paralelos, e apenas numa única direção por
vez.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: PCI Express
Barramento PCI Express
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento 
PCI Express
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento: comparação PCI x PCI Express
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
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Ciência da Computação
ESTRUTURA DO HARDWARE
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
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Ciência da Computação
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Memórias Principal (RAM), Cache e Registradores
(parte 1)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
ARQUITETURA GENÉRICA
Há vários tipos diferentes de memórias, cada um com
características próprias, tais como:
• Tempo de acesso
• Capacidade
• Aplicabilidade
• Volatilidade
e que formam um subsistema, organizado de forma
hierárquica.
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
ARQUITETURA GENÉRICA
• Registradores
• Memória cache
• Memória principal (RAM)
• Memória secundária
Processador
Registradores
Memória
Cache
Memória
RAM
Memórias
Secundárias
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
ARQUITETURA GENÉRICA
Fonte: Organização Estruturada de Computadores – Andrew S. Tanenbaum
REGISTRADORES
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• São memórias de pequeno porte localizadas junto
ao processador.
• Têm alta velocidade de acesso pois sua
intercomunicação com o processador não depende
da utilização do barramento da máquina.
• Armazenam resultados temporários, e de controle,
necessários ao processador.
• Há registradores de duas naturezas:
 Gerais
 Específicos
REGISTRADORES
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• Registradores Gerais:
 Funcionam como um rascunho do
processador para o armazenamento de
valores temporários entre uma operação e
outra.
• Registradores Específicos:
 Armazenam sempre o mesmo tipo de dado.
REGISTRADORES: GERAIS (EXEMPLOS)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Registrador de Instruções (RI)
• Contém a instrução a ser executada.
Registrador Contador de Programa (CP)
• Contém endereço da próxima instrução a ser
executada.
MEMÓRIA CACHE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Características
• Pequena capacidade de armazenamento.
• Alta velocidade de acesso.
• Reduz o tempo de acesso que ocorreria entre o 
processador e a memória RAM.
MEMÓRIA CACHE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Com a utilização de memórias cache duas técnicas,
ambas necessárias, são combinadas:
• Grande capacidade de memória (RAM), de acesso
mais lento.
• Pequenas memórias (cache), de acesso rápido.
• Obtém-se, com isto, o melhor das duas técnicas:
 Grande capacidade de armazenamento e
 Agilidade de acesso.
MEMÓRIA CACHE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
O conceito envolvido é o de que as palavras de memória
mais utilizadas pelo processador ficam armazenadas na
memória cache, e aquelas menos utilizadas (e que não
estão na memória cache) permanecem na memória
RAM.
Processador
Memória
Principal
(RAM)
Memória 
Cache
Barramento
MEMÓRIA CACHE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA CACHE: TIPOS
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• Unificada
 Hospeda instruções de programas e dados.
 Os dados são alterados durante o processamento,
o que gera a necessidade de reescrever o
conteúdoda memória cache na memória
principal.
MEMÓRIA CACHE: TIPOS
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• Dividida
 Há duas memórias cache. Uma
hospeda as instruções dos
programas e a outra os dados.
 A reescrita é só da cache de
dados.
 O conteúdo da cache de
instruções é
descartado porque elas não são
alteradas pelo processamento.
MEMÓRIA CACHE: MÚLTIPLOS NÍVEIS
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
MEMÓRIA CACHE: NOMENCLATURA
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
A nomenclatura x86 para processadores é derivada de
uma família de processadores desenvolvida pela Intel:
• 286
• 386
• 486
• Pentium
• Pentium Pro
• Pentium II, III e IV
MEMÓRIA 
CACHE: 
ORGANIZAÇÃO
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Fonte: 
Arquitetura e 
Organização de 
Computadores 
– William 
Stallings
MEMÓRIA RAM (RANDOM ACCESS MEMORY)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• É o dispositivo do computador onde são armazenados
programas e dados. É na memória que os
processadores leem e gravam informações.
• O processador só troca informações com a RAM por
uma questão de agilidade na execução dos processos.
• Para que um programa seja executado, o código e os
respectivos dados devem estar na RAM.
MEMÓRIA RAM: ORGANIZAÇÃO
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• É o depósito de trabalho do processador.
• No instante da execução do programa, as instruções e
os dados necessários devem estar armazenados na
RAM.
• Processo é um programa em execução.
• A Palavra é a unidade de informação do
processador/RAM que deve representar o valor de
um dado (número ou instrução).
• A Palavra é constituída por um conjunto de bytes.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
MEMÓRIA RAM: ORGANIZAÇÃO (continuação)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• Endereço, conteúdo e posição na RAM.
• Unidade de Armazenamento: conjunto de bits.
• Unidade de Transferência: é a quantidade de bits que
é transferida da RAM numa operação de leitura ou de
gravação de dados.
• A quantidade de bits em uma célula (byte) é definida
pelo fabricante. Máquinas para operações comerciais
adotam o padrão de 8 bits/byte.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
MEMÓRIA RAM: ORGANIZAÇÃO (continuação)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• A quantidade de endereços gerenciáveis numa RAM
está ligada à quantidade de bits destinados ao
controle de endereços segundo a relação: 2k:
 k = quantidade de bits destinados ao controle de
endereçamentos.
 Se k=2, a quantidade de endereços administráveis é 4:
 22 = 4  00, 01, 10, 11
 Se k=3, a quantidade de endereços administráveis é 8:
 23 = 8  000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111
• Obs.: trata-se, aqui, da quantidade de endereços
acessíveis, e não da capacidade da RAM.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
MEMÓRIA RAM: CAPACIDADE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
• Vamos adotar:
 N = capacidade da memória em células (bytes)
 M = quantidade de bits/byte
 T = total de bits que podem ser armazenados
• Se M = 8 então N = 28 = 256 endereços possíveis, de
00000000 (zero) a 11111111 (255).
• T = N x M = 256 x 8 = 2.048 bits = 2 Kb
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Como o Processador se comunica com a Memória?
Vamos analisar as duas situações possíveis:
A. O Processador precisa ler um byte na memória.
B. O Processador precisa gravar um byte na memória.
Para isto vamos relembrar os dois registradores
específicos anteriormente citados:
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Registrador de Instruções (RI)
• Contém a instrução a ser executada.
Registrador Contador de Programa (CP)
• Contém endereço da próxima instrução a ser
executada.
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
A comunicação entre os dispositivos da máquina ocorre
através de 3 barramentos:
Processador Memória Cache Memória RAM HD Dispositivo n
Barramento de Dados
. . .
 Barramento de Controle
 Barramento de Endereços
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Barramentos
Dados: destina-se a transferir os dados.
Endereços: destina-se a transferir os endereços de acesso
à RAM.
Controle: destina-se a transferir os sinais de controle das
operações em andamento.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
A estrutura interna do processador, de forma
simplificada, é:
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
Processador
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
A) O processador precisa ler um byte na RAM:
1º passo:
Carregar o endereço desejado para
o byte.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
2º passo:
Enviar um sinal de leitura.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
2
A) O processador precisa ler um byte na RAM:
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
3º passo:
A controladora da memória “puxa”
o endereço desejado.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
2
3
A) O processador precisa ler um byte na RAM:
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
A) O processador precisa ler um byte na RAM:
4º passo:
A memória carrega o conteúdo
solicitado no RI.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
2
3 4
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
A) O processador precisa ler um byte na RAM:
5º passo:
A UC “puxa” o conteúdo
disponibilizado.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
2
3 4
5
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
B) O processador precisa gravar um byte na RAM:
1º passo:
Carregar no CP o endereço onde o
conteúdo deverá ser armazenado.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
B) O processador precisa gravar um byte na RAM:
2º passo:
Carregar no RI o conteúdo que
deverá ser armazenado.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
2
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
B) O processador precisa gravar um byte na RAM:
3º passo:
Enviar um sinal de armazenamento.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
3
2
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
B) O processador precisa gravar um byte na RAM:
4º passo:
A controladora da memória “puxa”
o endereço solicitado para o
armazenamento.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
3
4
2
MEMÓRIA RAM: OPERAÇÕES COM O PROCESSADOR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
B) O processador precisa gravar um byte na RAM:
5º passo:
A controladora da memória “puxa”
o conteúdo e armazena-o no
endereço solicitado.
Processador
UC
(Unidade de Controle)
Registradores
CP RI
Memória
1
Processador
3
4 5
2
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Memórias Principal (RAM), Cache e Registradores
(parte 1)
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Memória Secundária
(parte 2)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Disquetes:
Diâmetro de 5 ¼”
Capacidade de 1,2 MB
Diâmetro de 3 ½” 
Capacidade de 1,44 MB
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Disquetes:
• O disco era flexível e coberto por material
magnetizável.• A cabeça de leitura / gravação tocava a superfície do
disco, motivo pelo qual o disquete só girava quando
acionada uma leitura ou gravação (para minimizar o
desgaste físico).
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk
HD - 1956 – 5 MB
Peso > 1 tonelada
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk
Um disco magnético pode ser composto de um ou mais
pratos de alumínio, cobertos por material magnetizável.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk
A cabeça de leitura/gravação flutua rente à superfície do
prato em um colchão de ar.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk
Eventualmente pode ocorrer um acidente...
Disco 
“crashado”
...e se não 
houver 
backup...
R
isco
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização
A cabeça de 
leitura/gravação 
movimenta-se no sentido 
radial do disco, isto é, do 
centro para a borda e vice-
versa.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Cada superfície dos discos é organizada logicamente em
trilhas e setores:
• As trilhas são anéis magnéticos concêntricos sobre
toda a superfície do disco.
• A trilha mais interna (próxima do eixo de rotação) é
a trilha 0 (zero), a qual contém o índice do disco.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Exemplo de parte da trilha de um disco
Obs.: 1 mícron = 1 milésimo de mm = 10-6 m
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Fonte: https://pt.dreamstime.com/ilustra%C3%A7%C3%A3o-stock-casas-bonitos-dos-
desenhos-animados-na-rua-image49864690
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Fonte: https://www.prefeitura.sp.gov.br/cidade/secretarias/habitacao/noticias/?p=280765
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
O HD frequentemente é constituído por mais de um disco:
• Nesta situação o 
endereçamento não pode 
mais ser efetivado apenas com 
trilhas e setores.
• Surge o conceito de “cilindro”.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Um cilindro (imaginário) é
formado pelo conjunto de
todas as trilhas de mesmo
endereço em superfícies
diferentes.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Os acessos a discos sempre se dão pelo início de um
setor, nunca no meio.
Se as informações a serem transferidas ocuparem mais
de uma trilha, não há perda de tempo (se as trilhas
pertencerem ao mesmo cilindro). Na mudança de
cilindro há perda de tempo de, pelo menos, uma
rotação.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
A performance de um disco depende do tempo de acesso
para ler ou gravar uma informação.
Em primeiro lugar, a cabeça de leitura / gravação precisa se
deslocar, no sentido radial do disco, da trilha em que se
encontra parada até a trilha desejada. Este tempo é
denominado de “Tempo de Seek”.
Em segundo lugar, uma vez atingida a trilha desejada, há um
retardo para esperar que a informação passe sob a cabeça de
leitura / gravação. Este tempo é denominado de “Tempo de
Latência Rotacional”.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Portanto tem-se:
TTA = Tempo total de acesso (a determinada informação)
TS = Tempo de Seek
TLR = Tempo de Latência Rotacional
então:
TTA = TS + TLR
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Alguns tempos médios padrão são:
TS = Tempo de Seek  entre 5 a 15 ms
TLR = Tempo de Latência Rotacional  entre 4 a 8 ms (se o disco
girar a 7.200 rpm)
Observação:
O tempo de latência pode variar de 0 (zero) a uma rotação
completa do disco, dependendo de onde a cabeça estiver no
momento da leitura / gravação a ser efetuada.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Exemplo 1:
Se a rotação do disco for de 3.600 rpm, qual é a latência máxima?
1 min = 60 s, portanto:
Latênciamax = ------------ = 0,01667 s = 16,67 ms (por volta)
60
3.600
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Exemplo 2:
Quanto tempo seria gasto para ler um disco completo com as
seguintes características:
800 cilindros
6 trilhas/cilindro
32 setores/trilha
Trotação = 20 ms (por volta)
Tseek = 10 ms (entre cilindros adjacentes)
Todas as trilhas são lidas a partir do cilindro 0 
(zero).
A cabeça está recolhida (fora do disco).
Fonte: Organização Estruturada de Computadores – Andrew S. Tanenbaum
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
Cilindros 0 a 799
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
HD – Hard Disk: Organização - Endereçamento
800 cilindros
6 trilhas/cilindro
32 setores/trilha
Trotação = 20 ms (por volta)
Tseek = 10 ms (entre cilindros adjacentes)
Todas as trilhas são lidas a partir do cilindro 0 (zero).
A cabeça está recolhida (fora do disco).
Exemplo 2:
TTA = TS + TLR
TS = (800 + 1) x 10 ms = 8.010 ms
TLR = 20 x 6 x 800 = 96.000 ms
TTA = 8.010 + 96.000 = 104.010 ms = 104,01 s
Fonte: Organização Estruturada de Computadores – Andrew S. Tanenbaum
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Um SSD é constituído basicamente de uma placa de circuito
impresso, um conjunto de chips de memória flash NAND, um
cache DRAM, um controlador de memória, um controlador
de interface e um conector de interface, como IDE, SATA ou
SAS.
NAND: Not And
DRAM: Dynamic Random Access Memory
IDE: Integrated Drive Electronics
SATA: Serial AT Attachment (AT: Advanced Technology)
SAS: Serial Attached SCSI
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
Fonte: https://storage.toshiba.eu/cms/en/support_services/solid_state_drives.html
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
A memória usada em SSDs é uma memória flash não
volátil NAND e é produzida em diferentes graus de
qualidade. A NAND é projetada baseada no uso da
tecnologia Single Level Cell (SLC) ou da tecnologia Multi
Level Cell (MLC).
SLC: Célula de nível único
MLC: Célula multinivel
Fonte: https://storage.toshiba.eu/cms/en/support_services/solid_state_drives.html
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
A memória usada em SSDs é uma memória flash não
volátil NAND e é produzida em diferentes graus de
qualidade. A NAND é projetada baseada no uso da
tecnologia Single Level Cell (SLC) ou da tecnologia Multi
Level Cell (MLC).
SLC: Célula de nível único
MLC: Célula multinivel
Fonte: https://storage.toshiba.eu/cms/en/support_services/solid_state_drives.html
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
A memória NAND SLC armazena um bit por célula, tem
mais resistência, mas é significativamente mais cara para
produzir com maior capacidade. A MLC NAND usa dois
bits por célula. Esta tecnologia flash tem menor
resistência, mas tem capacidades maiores e pode ser
produzida com custos muito mais baixos.Fonte: https://storage.toshiba.eu/cms/en/support_services/solid_state_drives.html
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
Arquitetura 
básica de 
um SSD
Fonte: www. http://thessdguy.com/category/ssd-secure-erase-forensics
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Exemplo de arquitetura de um SSD
Fonte: https://storage.toshiba.eu/cms/en/support_services/solid_state_drives.html
1. Como ocorre com HDs, a interface SATA é
geralmente usada em SSDs. O conector tem
uma configuração mecânica que é compatível
com as tomadas para unidades de disco rígido.
2. O controlador é o dispositivo central do SSD,
permitindo desempenho nas velocidades de
leitura / gravação, alta resistência de gravação e
maior confiabilidade.
3. Função Cache (alguns SSDs não têm cache).
4. Os dados são armazenados em uma matriz de
memória flash NAND, que utiliza a tecnologia
NAND MLC para obter custos baixos e de alta
capacidade de armazenamento.
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: SSD – SOLID STATE DRIVE
Fonte: www.tonymacx86.com/buying-advice/73151-absolute-best-ssd-2.html
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos IDE - Integrated Drive Electronics
• A placa controladora
passou a ser integrada ao
drive, não era mais (como
anteriormente) uma placa
separada inserida num slot.
• A placa controlava até dois
HDs simultaneamente.
• Esta tecnologia foi lançada
no início da década de 80.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos EIDE – Extended Integrated Drive Electronics
• Substituiu os discos IDE.
• A placa controlava até 4 dispositivos 
simultaneamente, sendo um deles um CD-ROM.
• A taxa de transferência era mais alta que no IDE.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos SCSI – Small Computer System Interface
SCSI: pronuncia-se “scâzzi”.
Contém um barramento
integrado na controladora que
pode controlar um disco SCSI
e até 7 outros dispositivos
concomitantemente: HDs,
DVDs, scanner, fitas, etc.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos SCSI – Small Computer System Interface
Tantos os controladores SCSI, 
como os dispositivos 
periféricos, podem funcionar 
como mestres ou como 
escravos.
A taxa de transferência é mais 
alta que no EIDE.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
RAID – Redundant Array of Inexpensive Disks
(denominação adotada por Patterson - 1988)
RAID – Redundant Array of Independent Disks
(denominação adotada pela indústria)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
O paralelismo nos processadores tem sido cada vez mais
utilizado para aumentar a sua performance.
Em função disto, o mesmo conceito foi aplicado aos
discos para permitir-lhes maior performance.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
A idéia básica do RAID é:
• Instalar um conjunto de discos próximo ao servidor,
com uma placa controladora RAID em substituição à
SCSI (a placa RAID incorpora a controladora SCSI).
• Continuar a operar normalmente.
• Não há troca de sistema operacional.
• Possibilidade de operação tolerante a falhas.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
A idéia básica do RAID é:
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
• Para o sistema operacional, e demais softwares, os
discos do conjunto RAID são “enxergados” como um
único disco.
• A controladora do RAID distribui os dados pelos drives,
permitindo operações paralelas.
• Configurações para operações paralelas: RAID nível 0
(zero) até nível 5.
• Configurações para operações tolerantes a falhas:
RAID nível 1 até nível 5.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 0 (zero) – Não há tolerância a falhas
Drive 0 Drive 1 Drive 2 Drive 3
Drive virtual único
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
• O arquivo a ser gravado é desmembrado, pela
controladora RAID, em 4 sub-arquivos.
• Em cada drive é gravado apenas ¼ do arquivo. Todos os
sub-arquivos são gravados simultaneamente,
caracterizando o paralelismo na operação.
• Grava-se em faixas consecutivas ao longo dos drives.
• No processo inverso (de leitura), a controladora RAID lê
simultaneamente os 4 sub-arquivos e remonta-os no
arquivo original para entregá-lo ao sistema operacional.
Nível 0 (zero) – Não há tolerância a falhas
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 1 – Há tolerância a falhas
Drive Primário Drive Backup
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 1 – Há tolerância a falhas
• Numa operação de leitura, qualquer das duas cópias pode
ser acessada, melhorando a performance.
• Na gravação, a performance não é melhor que a do nível 0
(zero).
• O drive backup entra em operação imediata em caso de
falha no drive primário.
• Substitui-se o drive defeituoso e copia-se para ele todo o
conteúdo do drive backup (ou vice-versa, se o defeito
ocorrer no drive backup).
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 2 – Há tolerância a falhas
• Opera com 7 drives que têm sincronismo da posição
das cabeças de leitura / gravação e sincronismo
rotacional.
• Grava-se um bit em cada drive físico.
• Perdas de bits são recuperadas pelo algoritmo de
Distância de Hamming.
Richard Hamming
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 2 – Há tolerância a falhas
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 2 – Há tolerância a falhas
Byte
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
• O RAID nível 3 é uma versão simplificada do nível 2.
Dados
Nível 3 – Há tolerância a falhas
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 3 – Há tolerância a falhas
• Grava-se um bit em cada drive físico.
• Um único bit de paridade é calculado para cada
palavra de dados e escrito no drive de paridade.
• Os drives devem estar sincronizados, pois as palavras
de dados estão espalhadas por vários drives.
• Se um drive falhar, através do bit de paridade é
possível corrigir o byte.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 4 – Há tolerância a falhas
Este nível trabalha com faixas e não com palavras com bits
de paridade, portanto não há necessidade de sincronizar os
drives.
ParidadeDados
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
• Os bits de paridade de cada uma das faixas são gravados
em um drive específico.
• Se um dos drives falhar, os bytes perdidos podem ser
recuperados a partir do drive de paridade.
• Problema: se um setor de dados for modificado
(atualizado), será necessário ler todos os drives para
recalcular a paridade (que é da faixa, e não apenas do byte
modificado).
Nível 4 – Há tolerância a falhas
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 5 – Há tolerância a falhas
O problema apontado no nível 4 é eliminado no nível 5 através
da distribuição uniforme dos bits de paridade por todos os
drives.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 5 – Há tolerância a falhas
Bits de 
Paridade
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS MAGNÉTICOS
Discos RAID
Nível 5 – Há tolerância a falhas
• No caso de falha de um drive, a recuperação do conteúdo
dos dados desse drive será feita através dos bits de
paridade.
• A faixa de paridade num determinado drive não diz
respeito aos dados armazenados no próprio drive físico.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS
• Aceitam uma densidade de gravação muito superior 
que aquela dos meios magnéticos.
• Os discos ópticos sãogravados por feixes laser.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS
Exemplo:
Para um disco óptico com capacidade para uma hora de
gravação, e submetido a um feixe laser de 6 MHz, qual a
sua capacidade de armazenamento em bits?
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS
Exemplo:
f (frequência) = 6 MHz = 6 x 106 Hz = 6 x 106 ciclos/seg
t (tempo) = 1 hora = 3.600 seg = 36 x 102 seg
portanto
c (capacidade) = 
f x t = 6 x 106 x 36 x 102 = 216 x 108 = 21,6 x 109 = 20 Gbits
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
COMPACT
DISK
READ
ONLY
MEMORY
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Desenvolvido pela Philips e pela Sony em 1980, e
detalhados pela IS 10149 (International Standards da
ISO).
Especificações:
Diâmetro = 120 mm
Espessura = 1,2 mm
Furo central = 15 mm
Capacidade = de 650 a 700 MB
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
O CD é gravado por um raio laser infravermelho de alta
potência para queimar buracos de 0,8 mícrons de
diâmetro em um disco mestre coberto por uma camada
de vidro.
Obs.: 1 mícron = 10-6 metros
A partir deste disco mestre é feito um molde, com
saliências onde estavam os buracos feitos pelo laser.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Uma resina de poli carbono é inserida nesse molde para
formar um CD com o mesmo padrão de buracos
existente no disco mestre.
Em outras palavras, o CD é prensado. Sua produção,
portanto, ocorre no fabricante. Não é possível produzi-lo
“caseiramente”.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
As depressões no policarbono são conhecidas como PITS.
As áreas entre os pits que não foram perfurados são
chamados de LANDS.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Os pits têm uma altura equivalente a ¼ de comprimento
de onda do laser, a luz refletida de um pit está, portanto,
defasada de ½ comprimento de onda em relação à luz
refletida na superfície do disco.
Como resultado desse efeito, as duas partes interferem
destrutivamente e retornam menos luz para o dispositivo
fotodetector do CD player do que a luz que sai de um
land. É desta maneira que o CD player diferencia um pit
de um land.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Base plástica
(policarbono)
Alumínio
Etiqueta
Policarbono
¼ de comprimento
de onda
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Reforço Destruição
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Portanto:
• Pits geram pontos de destruição de luz (pontos
negros).
• Lands geram pontos luminosos.
Poderia parecer mais simples usar um pit para representar
o zero e um land para representar um 1.
É mais seguro operar com as transições pit/land (ou
land/pit) para representar o 1, e a sua ausência para
representar o zero.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Exemplo:
Tempo1 65432 987
1 1 1 10 00 0
Direção
do Laser
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Os dados são gravados no CD na forma de uma espiral, a
qual inicia próximo ao furo central do eixo e se estende
até a borda do CD.
Esta espiral produz 22.188 voltas do disco, e se pudesse
ser “esticada”, mediria 5,6 Km.
Os dados são gravados sobre a espiral em blocos de 2 KB.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Espiral
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Espiral
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
No caso de CDs contendo músicas, é necessário que os
pits e lands sejam sempre lidos à uma mesma velocidade
angular para preservar o ritmo original da música.
Em função disto, a velocidade de rotação do CD precisa
diminuir continuamente na medida em que a cabeça de
leitura se move da parte interna (centro) para a parte
externa (borda) do CD.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Na parte interna a velocidade de rotação é de 530 RPM,
e na parte externa é de 200 RPM.
A velocidade linear sobre a espiral deve ser mantida a
120 cm/s (1,2 m/s).
Para CDs contendo software e/ou dados, não há esta
restrição de velocidade.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-ROM
Algoritmo para correção de erros
Cada byte passa de 8 bits para 14.
Quadro = 42 bytes = 42 x 14 = 588 bits.
Setor = 98 quadros = 98 x 42 = 4.116 bytes.
Considerando os bits de controle necessários, temos, por
setor:
Eficiência = no de bytes úteis / no total de bytes
Eficiência = 2.048 / 7.203 x 100 = 28%
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Memória Secundária
(parte 2)
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Memória Secundária
(parte 3)
Compact
Disk
Recordable
(Gravável)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
• Este dispositivo é diferente dos discos magnéticos,
pois uma vez gravado, não pode ser regravado.
• Em termos físicos, os CD-Rs são discos de
policarbono, o mesmo material utilizado para a
construção dos CD-ROMs.
• Na aparência o CD-R se parece muito com o CD-
ROM, exceto pela cor da face reflexiva. No CD-ROM
a cor predominante é a prateada enquanto no CD-R
é a dourada.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
• Ao contrário do CD-ROM que tem depressões
físicas (furos) em sua mídia, no CD-R a diferença
entre a reflexão causada por um pit e por um land
precisa ser simulada.
• Isso é feito adicionando-se uma camada de tinta
entre o policarbono e a camada reflexiva dourada:
 Cianina (esverdeada)
 Ftalocianina (alaranjada)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
Faixa de 
“queima” 
do CD.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
• Num CD-R virgem o estado inicial da tinta é
transparente, e deixa passar através dela a luz
emitida pelo laser, que será refletida na camada
reflexiva.
• Para escrever (gravar) no CD-R, há necessidade de
um laser de alta potência (8 a 16 mW).
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
• Quando o feixe laser atinge um ponto da tinta (em
alta potência), esse ponto fica aquecido, quebrando
uma cadeia química. Essa mudança na estrutura
molecular cria um ponto negro, ou seja, “queima” a
tinta.
 Para gravação: alta potência
 Para leitura: baixa potência
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
• Este ponto negro, ao ser lido, não reflete a luz,
simulando um pit.
• Onde a tinta não foi “queimada” há reflexão de luz,
simulando um land.
• Isto permite ler um CD-R num drive de CD-ROM.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
Camada Reflexiva
Camada de Tinta
Policarbono
Diodo a laser 
infravermelho
Fotodetector
Prisma
Etiqueta
Policarbono
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-R
Compact
Disk
ReWritable
(Regravável)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-RW
• Este dispositivo permite regravações sobre uma
mesma mídia, a exemplo do que ocorre com os
discos magnéticos.
• Diferentemente do CD-R que utiliza uma camada de
tinta para simular os pits e lands, o CD-RW utiliza
uma liga metálica composta de:
Prata (Ag - 47)
 Índio (In - 49)
 Antimônio (Sb - 51)
 Telúrio (Te - 52)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-RW
• Esta liga apresenta dois estados estáveis, ambos
com diferentes graus de reflexão :
 Cristalino (transparente e, portanto, reflexivo)
 Amorfo (opaco e, portanto, ponto negro)
• No CD-RW virgem a liga é fornecida inteiramente no
estado cristalino.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-RW
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-RW
• Os drives de CD-RW operam com três potências
distintas do laser:
 Na potência alta, o laser derrete a liga,
convertendo-a do estado cristalino (reflexivo)
para o amorfo (ponto negro), simulando um
pit.
 Na potência média, o laser derrete e regenera
a liga, fazendo-a voltar para o estado
cristalino, simulando um land (“apaga” a
gravação anterior).
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-RW
• Os drives de CD-RW operam com três potências
distintas do laser (continuação):
 A potência baixa é utilizada para ler o CD-RW.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-RW
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – CD-RW
Digital
Video
Disk
Digital
Versatile
Disk
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
• Os DVDs usam as mesmas especificações dos CD-
ROMs: discos de 120 mm de diâmetro de
policarbono, contendo pits e lands que são
iluminados por um diodo a laser e lidos por um
fotodetector.
• As diferenças são:
 Pits menores (0,4 mícron contra 0,8 nos CDs)
 Uma espiral mais apertada (0,74 mícron contra
1,6 nos CDs)
 Laser vermelho
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
Comparação entre CDs e DVDs:
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
• Com estas inovações a capacidade do DVD chegou
a 4,7 GB.
• Utilizando compressão de dados, um DVD deste
tipo pode armazenar:
 Um vídeo de 133 min em alta resolução
 Trilhas sonoras em 8 idiomas diferentes
 Legendas em 32 idiomas diferentes
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
• Há 4 formatos para os DVDs:
 Um único lado, com uma camada única: 4,7 GB
 Um único lado, com duas camada: 8,5 GB
 Dois lados, com uma camada única em cada um:
9,4 GB
 Dois lados, com duas camadas cada: 17 GB
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
• A tecnologia de gravação de duas camadas tem
uma das camadas reflexivas embaixo, encimada
por outra camada semi-reflexiva. Dependendo de
onde estiver focalizado o laser, atravessa uma das
duas camadas.
• O nível mais baixo precisa de pits e lands
ligeiramente maiores para poder ser lido de
maneira confiável.
• Por isso, a capacidade do nível inferior é um pouco
menor que aquela do nível superior.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
• Os discos com dois lados de gravação nada mais
são do que dois discos de 0,6 mm de espessura,
cada um deles gravado de um único lado, e colados
um ao outro pelos lados não gravados.
• Para fazer com que a espessura de todas as
versões seja a mesma, um disco com um só lado
gravado é colado a outro disco de 0,6 mm vazio
(não tem nada gravado, é só para manter a
espessura padrão de 1,2 mm).
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
Estrutura do DVD de dois lados e duas camadas
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD
Digital
Versatile
Disk
Recordable
(Gravável)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – DVD-R E DVD-RW
Digital
Versatile
Disk
ReWritable
(Regravável)
A letra "e" da palavra “Blue” foi eliminada do
nome de forma intencional para permitir o
registro da marca, já que a expressão “Blue
Ray" é usada frequentemente e não pode ser
patenteada.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – BD (BLU-RAY DISC)
• Este disco utiliza a tecnologia do laser azul-violeta
com 405 nm (1 nanômetro = 10-9 metros) de
comprimento de onda, em contraste com os 650 nm
do laser vermelho utilizado nos DVDs tradicionais.
• Sua base, contudo, não é o policarbono. Ela é feita
de papel, o que torna seu descarte ecologicamente
correto.
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – BD (BLU-RAY DISC)
O BD-RW (Blu-Ray Disc ReWritable) tem uma taxa de
transferência de 36 Mbps (taxa 1 X) e pode conter até
25 GB de dados numa única camada e 50 GB em
duas camadas. Um disco com capacidade de 50 GB
comporta até 9 horas de vídeo em HD (“high
definition” - alta definição) ou, aproximadamente, 23
horas de vídeos em SD (“standard definition” -
definição padrão).
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – BD (BLU-RAY DISC)
Há 4 formatos:
 Um único lado, com uma camada única: 25 GB
(comporta 6 horas de vídeo em alta definição)
 Um único lado, com duas camada: 50 GB
 Dois lados, com duas camadas cada: 100 GB
 Previsões para:
 8 camadas: 200 GB (4 de cada lado)
12 camadas: 400 GB (6 de cada lado)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – BD (BLU-RAY DISC)
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
MEMÓRIA SECUNDÁRIA: DISCOS ÓPTICOS – BD (BLU-RAY DISC)
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
HIERARQUIA DE MEMÓRIA
Memória Secundária
(parte 3)
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
EXEMPLOS
• HD
• Impressora
• Máquina de comando numérico
• Modem
• Mouse
• Plotter
• Rede local
• Scanner
• SSD
• Teclado
• Vídeo
• Etc.
• LCD = Vídeo de Cristal Líquido
• Os cristais líquidos são formados por moléculas
orgânicas viscosas que fluem como um líquido,
mas também têm estrutura espacial como um
cristal.
• Embora existam muitos tipos de vídeos LCD,
vamos analisar o vídeo TN – Twisted Nematic.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY)
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY): MONOCROMÁTICO
• A placa de trás contém pequenas ranhuras
horizontais e a placa frontal contém ranhuras do
mesmo tipo, só que verticais.
• Na ausência de campo elétrico, as moléculas do
LCD tendem a se alinhar com as ranhuras.
• Considerando que o alinhamento frontal e o
posterior diferem de 90º, as moléculas (e portanto a
estrutura do cristal) se torcem de trás para a frente.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY)
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY)
• Por trás da tela existe um polarizador horizontal.
Este só deixa passar a luz polarizada
horizontalmente.
• Na frente da tela há um polarizador vertical, que só
deixa passar a luz polarizada verticalmente.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY)
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY)
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY)
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY)
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY): POLARIZADOR
Exemplo de utilização de um filtro polarizador
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY): POLARIZADOR
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY): POLARIZADOR
• Se não houvesse o cristal líquido entre as placas, a
luz polarizada horizontalmente que sai do
polarizador de trás seria bloqueada pelo
polarizador da frente, fazendo com que a tela
permanecesse uniformemente preta.
• A estrutura do cristal torcida pelas moléculas do
LCD guia a luz na medida em que ela passa, e gira
sua polarização, fazendo com que ela saia
horizontalmente.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY): POLARIZADOR
• Portanto, a ausência de um campoelétrico faz com
que a tela LCD fique branca.
• Aplicando-se uma tensão a determinadas partes
dos eletrodos, pode-se controlar a torção das
moléculas do cristal líquido ao longo da tela,
dosando a intensidade da luz que chega à placa
polarizadora vertical frontal em cada ponto.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MONITORES LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY): COLORIDO
• Seguem os mesmos princípios gerais dos vídeos
monocromáticos, mas a implementação é mais
complexa.
• Para obter as cores primárias (RGB), a luz branca
emitida contra a posição posterior da tela deve
passar por filtros ópticos para decompô-la nas
suas componentes primárias em cada pixel
permitindo, assim, que sejam tratadas de forma
independente.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: JATO DE TINTA
• A cabeça de impressão móvel carrega um, ou mais,
cartuchos de tinta e se move horizontalmente sobre
o papel para espalhar a tinta através de orifícios
muito pequenos numa grade.
• Dentro de cada orifício o pingo de tinta é aquecido
eletricamente até o ponto de ebulição, quando ele
explode e lança a tinta sobre o papel.
• O orifício é resfriado e o vácuo resultante suga para
dentro do orifício mais uma gota de tinta.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: JATO DE TINTA
• A velocidade de impressão é limitada, então, pela
quantidade de vezes que o ciclo aquecer / resfriar
pode ser repetido por segundo.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: JATO DE TINTA
Cabeça de 
Impressão
F
la
t 
C
a
b
le
Placa 
Controladora
Sentido
C
a
rt
u
c
h
o
 1
C
a
rt
u
c
h
o
 2
Papel
C
a
rt
u
c
h
o
 N
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: JATO DE TINTA
Grade
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: JATO DE TINTA
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER
• O dispositivo central de uma impressora laser é um
tambor rotativo de precisão ou, em alguns casos,
uma esteira.
• No início de cada ciclo de impressão (nova página)
o tambor recebe uma carga de 1.000 volts.
• O tambor é recoberto de material fotossensível.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - MONOCROMÁTICA
Fonte: https://mackellsantos.wordpress.com/2012/03/18/tecnologia-permite-
apagar-e-reutilizar-folhas-impressas-usando-laser/
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - MONOCROMÁTICA
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - MONOCROMÁTICA
• O laser escaneia todo o tambor através de um
movimento que percorre toda a extensão do
tambor. Este movimento é propiciado por um
espelho. O emissor laser é fixo (não se move).
• Quando a luz incide no tambor, o ponto de
incidência perde a sua carga elétrica.
• Quando o feixe completa o escaneamento de uma
linha no tambor, este gira e inicia-se o
escaneamento da linha seguinte.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - MONOCROMÁTICA
• O toner “gruda” no tambor nos pontos eletricamente
carregados, formando a imagem.
• O papel é, então, pressionado contra o tambor,
quando o toner adere ao papel.
• Em seguida o papel passa entre cilindros de borracha
aquecidos para que o toner se funda ao papel.
• Na sequência:
 O tambor é descarregado eletricamente.
 É limpo do toner residual.
 É carregado eletricamente novamente para um novo
ciclo.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - MONOCROMÁTICA
Fonte: http://www.graficafireprint.com.br/como-funcionam-impressoras-laser/
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - MONOCROMÁTICA
Variação de tons
O feixe laser é modulado para produzir pontos claros e 
escuros. 
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - COLORIDA
Fonte: https://www.oki.com/br/printing/about-us/our-brand/our-innovation/led-
laser/index.html
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
IMPRESSORAS: LASER - COLORIDA
Fonte: https://absncomercial.com.br/impressora-laser-color-xerox-phaser-
7800dn-a3.html
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MÉTODOS PARA REALIZAÇÃO DE OPERAÇÕES DE E/S
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mario A. Monteiro
• O processador é utilizado intensamente apenas
questionando repetidamente (loop) se um
determinado dispositivo está pronto, ou não, para
uma nova operação.
• Durante esse período de questionamento (pooling)
ele perde tempo.
• Como há vários processos em andamento, é
necessário um loop para cada um deles, o que
consome tempo do processador.
Por programa:
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MÉTODOS PARA REALIZAÇÃO DE OPERAÇÕES DE E/S
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mario A. Monteiro
• O processador emite a instrução de E/S para uma
interface e passa a atender outro processo. A
interface é que se comunicará com o dispositivo.
• Quando a interface já estiver de posse dos dados
enviados pelo dispositivo, ela “avisa” ao processador
através de um sinal de interrupção. Essa designação
de “interrupção” porque o sinal interrompe a
atividade em curso no processador para que ele
foque no dispositivo.
Por interrupção:
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MÉTODOS PARA REALIZAÇÃO DE OPERAÇÕES DE E/S
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mario A. Monteiro
• É o método que tem o melhor desempenho.
• Consiste na transferência de dados entre uma
interface e a RAM, com muito pouco acesso ao
processador.
• O processador solicita a transferência de dados para
um dispositivo denominado Controlador de DMA, e o
processador fica liberado para realizar outras
atividades.
Por Acesso Direto à Memória - DMA:
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
MÉTODOS PARA REALIZAÇÃO DE OPERAÇÕES DE E/S
Fonte: 
https://open4tech.com/direct-
memory-access-dma-in-
embedded-systems/
• Quando o Controlador de DMA termina a
transferência dos dados com o dispositivo, ele avisa
o processador através de uma interrupção.
Por Acesso Direto à Memória - DMA:
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
ARQUITETURA DO SISTEMA OPERACIONAL
Um Sistema Operacional (SO) é um programa que controla a
execução dos programas aplicativos e atua como uma
interface entre o usuário e o hardware do computador. Ele
pode ser imaginado como tendo dois objetivos:
Conveniência: um SO torna um computador mais
conveniente para uso.
Eficiência: um SO permite que os recursos do sistema
computacional sejam usados de uma maneira eficiente.
VISÃO GERAL
SO COMO INTERFACE ENTRE USUÁRIO/COMPUTADOR
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
O hardware e o software utilizados para disponibilizar
aplicações a um usuário podem ser vistos em um padrão em
camadas, ou hierárquico. O usuário dessas aplicações (o
usuário final) geralmente não se preocupa com a arquitetura
do computador. Desse modo, o usuário final vê um sistema
computacional em termos de uma aplicação.
O SO “esconde” os detalhes do hardware do programador e
lhe oferece uma interface conveniente para usar o sistema.
Ele atua como um mediador, tornando mais fácil para o
programador e os programas aplicativos acessarem e
utilizarem essas facilidades e serviços.
VISÃO GERAL
SO COMO INTERFACE ENTRE USUÁRIO/COMPUTADOR
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
O conjunto de instruções do SO é aquele que está disponível
para os programadores de aplicações.
Uma Chamada de Sistema ativa um determinado serviço
prestado pelo SO ao nível da aplicação.
Um exemplo de uma chamada de serviço é o comando de
leitura de um dado num arquivo.
VISÃO GERAL
SO COMO GERENCIADOR DE RECURSOS
Um computador é um conjunto de recursos para o
movimento, o armazenamento e o processamento de dados
e para o controle dessas funções. O SO é responsável por
gerenciar esses recursos.
O SO controla o movimento, o armazenamento e o
processamento de dados, gerenciando os recursos do
computador. O SO está no controle das funções básicas da
máquina.
VISÃO GERAL
SO COMO GERENCIADOR DE RECURSOSFonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
Em geral, pensamos em um mecanismo de controle como
algo externo àquele que é controlado ou, pelo menos, como
algo que é uma parte distinta e separada daquilo que é
controlado. Isso não acontece com o SO, que, como um
mecanismo de controle, é incomum em dois aspectos:
O SO funciona da mesma maneira que o software comum do
computador; ou seja, ele é um programa executado pelo
processador.
O SO muitas vezes abre mão do controle e deve depender do
processador para permitir que ele readquira o controle.
VISÃO GERAL
SO COMO GERENCIADOR DE RECURSOS
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
Para entender como o SO gerencia o escalonamento de diversos
processos na memória, vamos considerar um exemplo.
O kernel do SO sempre está residente. Além disso, existem
diversos processos ativos, incluindo A e B, cada um recebendo a
alocação de uma parte da memória.
O processo A está sendo executado. O processador está
executando as instruções do programa contido na partição de
memória de A. Em algum momento, mais tarde, o processador
deixará de executar as instruções de A e começará a executar as
instruções do SO. Isso acontecerá por uma destas três razões:
VISÃO GERAL
ESCALONAMENTO DE PROCESSOS
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
1. O processo A emite uma chamada de serviço (por exemplo, uma
requisição de E/S) ao SO. A execução de A é suspensa até que essa
chamada seja satisfeita pelo SO.
2. O processo A causa uma interrupção, que é um sinal gerado pelo
hardware ao processador. Quando esse sinal é detectado, o
processador deixa de executar A e transfere a execução ao
tratador de interrupção do SO. Diversos eventos relacionados a A
causarão uma interrupção. Um exemplo é um erro, como a
tentativa de executar uma instrução privilegiada. Outro exemplo é
um tempo limite esgotado (timeout); para impedir que qualquer
processo monopolize o processador, cada processo só recebe a
atenção do processador por um curto período de cada vez.
VISÃO GERAL
ESCALONAMENTO DE PROCESSOS
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
3. Algum evento não relacionado ao processo A que requeira
atenção causa uma interrupção. Um exemplo é o término de
uma operação de E/S.
O resultado é o seguinte: o processador salva os dados de
contexto atuais e o contador de programa (CP) para A no bloco
de controle do processo de A, e depois começa a executar o SO.
O SO pode realizar algum trabalho, como iniciar uma operação
de E/S. Depois o escalonador do SO decide qual processo deve
ser executado em seguida. Neste exemplo, B é escolhido. O SO
instrui o processador a restaurar os dados de contexto de B e
prosseguir com a execução de B onde ele parou.
VISÃO GERAL
ESCALONAMENTO DE PROCESSOS
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
Em um sistema de uniprogramação, a memória principal é
dividida em duas partes: uma parte para o SO (residente) e
uma parte para o programa sendo executado naquele
momento.
Em um sistema de multiprogramação, a parte do “usuário”
da memória é subdividida para acomodar diversos processos.
A tarefa de subdivisão é executada dinamicamente pelo SO e
é conhecida como gerenciamento de memória.
VISÃO GERAL
GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
Para isso, a solução é a troca de processo na memória
(swapping). Há uma fila de requisições de processos, em
geral armazenada no disco, e esses processos são trazidos,
um por vez, à medida que houver espaço disponível. Quando
os processos terminam, eles são removidos da memória
principal.
E quando nenhum dos processos na memória está no estado
pronto (por exemplo, todos estão aguardando uma operação
de E/S)?
VISÃO GERAL
GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
Em vez de permanecer ocioso, o processador troca (swaps)
um desses processos de volta para o disco em uma fila
intermediária. Essa é uma fila de processos existentes que
foram temporariamente removidos da memória. O SO, então,
traz outro processo de uma fila intermediária, ou então
atende à requisição de um novo processo da fila. A execução,
então, continua com o processo recém-chegado.
Um esquema mais sofisticado, envolvendo memória virtual,
melhora o desempenho em relação à simples troca de
processo na memória.
VISÃO GERAL
GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
MEMÓRIA VIRTUAL
IMPLEMENTAÇÃO
A memória virtual opera com base na técnica da
paginação a qual, por sua vez, vem do conceito de espaço
de endereçamento.
MEMÓRIA VIRTUAL
ESPAÇO DE ENDEREÇAMENTO
Vamos definir espaço de endereçamento como sendo o
número de palavras endereçáveis.
Se tivermos 16 bits para endereçamento, teremos 216 =
65.536 endereços possíveis, portanto o espaço de
endereçamento compreende os endereços de zero a
65.535.
Vamos considerar uma memória com 4 KB, ou seja, se
cada palavra for do tamanho de um byte, teremos uma
memória de 4.096 palavras.
MEMÓRIA VIRTUAL
ESPAÇO DE ENDEREÇAMENTO
MEMÓRIA VIRTUAL
PAGINAÇÃO
o conjunto de endereços lidos do disco é chamado de
página.
A memória física pode ser, então, menor que o espaço de
endereçamento.
Retomando o exemplo anterior, as páginas serão blocos de
4 KB que serão carregados na memória na medida da
necessidade.
MEMÓRIA VIRTUAL
A memória principal contém sempre 4 KB de informação, mas
não necessariamente os primeiros 4 KB do espaço de
endereçamento, mas qualquer bloco de 4 KB.
PAGINAÇÃO
MEMÓRIA VIRTUAL
A paginação é, na prática, mais complexa, uma vez que
uma determinada memória física pode abrigar mais de um
bloco de dados.
Retomando novamente o exemplo anterior, com páginas
de 4 KB, temos:
PAGINAÇÃO
MEMÓRIA VIRTUAL
PAGINAÇÃO
MEMÓRIA VIRTUAL
O controle deste
processo ocorre
através de uma Tabela
de Paginação:
PAGINAÇÃO
Página no
Indicador de
paginação
Endereço
no disco Frame no
0 1 xxx 2
1 1 yyy 0
16 0 zzz
Indicador de Paginação:
0 – A página não está na memória
1 – A página está na memória
Tabela de Paginação
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
ARQUITETURA DO SISTEMA OPERACIONAL
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2021/1
Ciência da Computação
CONJUNTO DE INSTRUÇÕES
A operação do processador é determinada pelas instruções
que ele executa, conhecidas como instruções de máquina ou
instruções de computador. A coleção de diferentes instruções
que o processador pode executar é conhecida como conjunto
de instruções.
Cada instrução deve conter as informações exigidas pelo
processador para execução. As etapas envolvidas na
execução da instrução define os elementos de uma instrução
de máquina. Esses elementos são os seguintes:
INTRODUÇÃO
ELEMENTOS DE UMA INSTRUÇÃO DE MÁQUINA
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
Código de operação: especifica a operação a ser realizada (por
exemplo, ADD, E/S). A operação é especificada por um código
binário conhecido como código da operação, ou opcode (são
representados por abreviações, chamadas mnemônicos).
Referência a operando fonte: a operação pode envolver um ou
mais operandos fontes, ou seja, operandos que são entradas para
a operação.
Referência a operando de resultado: a operação deve produzir um
resultado.
Referência à próxima instrução: isso diz ao processador onde
buscar a próxima instrução depois que a execução dessa instrução
estiver completa.
INTRODUÇÃO
ELEMENTOS DE UMA INSTRUÇÃO DE MÁQUINA
Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings
• O endereço da próxima instrução a ser buscada poderia ser
um endereço real ou um endereço virtual, dependendo da
arquitetura. Geralmente, a distinção é transparente à
arquitetura do conjunto de instruções.