Organização de computadores I

Memória

Em um sistema de computação temos a UCP se comunicando com a memória e os dispositivos de E/S.
Podemos fazer um paralelo do acesso à memória com um carteiro entregando cartas ou um acesso à biblioteca.
Duas ações básicas podem ser executadas:

armazenamento (escrita ou gravação (write))
recuperação (leitura (read))

Em sistemas de computação a unidade básica é o bit que pode ter 2 valores. Mas precisamos de mais valores para representar informação: números, letras do alfabeto, símbolos.
Para isso, os bits são agrupados em grupos de bits que são armazenados na memória e são acessados sempre em grupo.
Para acessar um grupo de bits, utiliza-se um endereço que varia de 0 a (N-1) onde N é o número total de grupos existentes.
Exemplo:


        |--------------|
end 0   |     M bits   |
        |--------------|
end 1   |     M bits   |
        |--------------|
end 2   |     M bits   |
        |--------------|
        |       .      |
        |--------------|
end N-1 |b_m-1|b_m-2|...|b₀|
        |--------------|

Operação de escrita

Escreve no endereço 4
 
      UCP                   Memória
|-------------|         |--------------|
|             | end 0   |              |
|  |------|   |         |--------------|
|  | 1110 |   | end 1   |    1000      |
|  |------|   |         |--------------|
|             | end 2   |    1100      |
|-------------|         |--------------|
      |         end 3   |              |
      |                 |--------------|
      |         end 4   |0001 ->  1110 |
      |                 |--------------|
      |                        |
      |------------------------|

Operação de leitura

Lê do endereço 1

      UCP                   Memória
|-------------|         |--------------|
|             | end 0   |              |
|  |------|   |         |--------------|
|  | 1110 |   | end 1   |    1000      |
|  |   |  |   |         |--------------|
|  | 1000 |   | end 2   |    1100      |
|  |------|   |         |--------------|
|-----------  | end 3   |              |
      |                 |--------------|
      |         end 4   |    1110      |
      |                 |--------------|
      |                        |
      |                        |
      |------------------------|

Memória

Dados e instruções são armazenados na memória, lidos e escritos pela UCP
Instruções são armazenadas de forma seqüencial (mas podem não ser executadas da mesma forma)
Memória organizada em células de M bits, mas acesso depende do tamanho de palavra utilizado pela máquina
Cada grupo de bits (célula) possui um endereço associado. Organização utilizada atualmente: cada célula possui 8 bits e o tamanho da palavra varia entre 16, 32 e 64 bits
Tamanho da palavra: Quantidade de bits transferida entre a Memória e UCP em operações de leitura e escrita

Exemplo de organização de memória: Memória  com 1KBytes,
cada célula possui 8 bits.

        |--------------|
end     |              |
        |--------------|
end 257 |     2A       |
        |--------------|
end 258 |     F1       |
        |--------------|
        |       .      |
        |--------------|
end 1023|              |
        |--------------|

Organização da Memória

Parâmetros a serem definidos na organização da memória

Quantidade de bits de uma célula: geralmente utiliza-se um byte

Exemplo de organização de memória: Memória  com 256 células
 e M pode ser 12, 16 ou 8 bits

        |--------------|
end 0   |     M bits   |
        |--------------|
end 1   |     M bits   |
        |--------------|
end 2   |     M bits   |
        |--------------|
        |       .      |
        |--------------|
end 255 |     M bits   |
        |--------------|

Quantidade de células X endereçamento
Para endereçar as células, só temos bits para utilizar. Endereço é formado por grupos de bits que formam o endereço. Podemos ter máquinas com mesmo tamanho de célula e quantidade diferente de células.
Exemplo:
Memória com 64K células de 8 bits cada uma. Qual a capacidade da memória ?
Memória com 128K células de 8 bits cada uma. Qual a capacidade da memória ?

1K=2¹⁰=1024, 1M=2²⁰=1.048.576, 1G=2³⁰=1.073.741.824
Memória organizada em células de 8 bits, capacidade dada em bytes
Acesso é feito por palavra.
exemplo: int em C possui 4 bytes, então cada acesso à memória traz 4 células para a UCP.
Capacidade da memória=T= N x M, onde N é o número de células e M o número de bits de cada célula.
Se M = 4 bits, quantos valores podemos ter armazenados ?
Cada endereço N é obtido por E linhas de endereço, logo N=2^E.
Se N=1024, quantas linhas usamos para endereçamento ?
T=1024*4=4096 bits = 4 X 1024 bits = 4K bits = 512 bytes
Exemplos:

Espaço de endereçamento = 8K células e cada célula pode armazenar 8 bits. Qual a capacidade da Memória e quantas linhas de endereço devem ser utilizadas ?
T = N X M = 2¹³ X 2 ³=2¹⁶=64K bits
N = 2 ¹³, logo teremos que ter 13 linhas para endereço
Uma memória pode armazenar no máximo 512K bits e cada célula possui 8 bits. Qual é o número máximo de células possíveis e quantos bits devem ser utilizados para endereçar este número de células?
T = N x M, N = T/M = 512 x 2¹⁰/8=2⁹x2¹⁰/2³=2¹⁶=2⁶x2¹⁰=64K células.
Bits para endereçamento: N = 64K = 2¹⁶, logo precisaremos de 16 bits
Um computador possui capacidade máxima de armazenamento de 512K células, cada uma de 16 bits.
Qual o número mínimo de bits que o barramento de endereços e de dados devem ter, supondo que duas células são acessadas em cada operação de leitura/ou escrita? Qual o maior endereço da Memória e qual a capacidade da Memória?
Se temos 512 K células=2⁹x2¹⁰=2¹⁹, teremos 19 bits para o barramento de endereços.
Se em cada acesso à memória, duas células são transferidas, então o barramento de dados deve ter o tamanho igual a 32 bits.
O maior endereço da Memória é N-1=2¹⁹-1=524.287
Capacidade da Memória = NxM=2¹⁹x16=2²³bits=2²⁰bytes=1M bytes
Suponha que uma máquina possui um barramento de dados de 64 bits e um barramento de endereços de 24 bits. Sabe-se que em cada acesso são lidas duas células da memória.
1. Qual a capacidade máxima de endereçamento da máquina ?
  Se temos 24 bits para endereço, podemos endereçar 2²⁴ células=16 M células ou 16M endereços
2. Qual a capacidade máxima de armazenamento da memória em bits ?
  Em cada acesso são lidas 2 células, e como o barramento de dados é de 64 bits, temos que cada célula possui 32 bits. Logo capacidade = 32 x 16 M = 512 Mbits
3. Qual o tamanho de célula da máquina? O tamanho da célula é 32 bits

Hierarquia de memória

Vários tipos de memória:

Mais rápida, mais cara e menor capacidade
Mais lenta, mais barata e maior capacidade


     custo mais alto           /\
     vel. alta                /  \ Registradores
     baixa capacidade        ------
                            /      \
                           /        \ Cache
                          ------------
                         /            \
                        /              \ Memória principal
                       ------------------
                      /                  \
                     /     discos         \ Memória secundária
   maior capacidade /----------------------\
   vel. baixa      /       CD-ROM           \
   custo baixo    /--------------------------\

Parâmetros de memória

Tempo de acesso: tempo decorrido entre o pedido de dado à memória (endereço) e a disponibilização do dado pela memória.
RAM - independe da posição do dado
Disco e CD-ROM- depende da posição do dado
Capacidade: medida em bytes (8 bits)
1K=2¹⁰, 1M=2²⁰, 1G=2³⁰, 1T=2⁴⁰
Volatilidade: diz respeito à capacidade de manter dados sem energia elétrica
Tecnologia: semicondutores, magnéticos, óticos

Registradores

Memória dentro da UCP.
Exemplos: registrador de instrução, registrador de dados

Tempo de acesso: tecnologia igual a UCP, mais rápido. Um ciclo de máquina, 1GHZ, 1ns
Capacidade: 1 único dado, instrução, endereço, pouca capacidade.
Exemplo: Intel: 10 registradores de 32 bits
MIPS (Silicon Graphics): 32 registradores de 32 bits
Voláteis e caros

Cache

O ciclo de instrução é composto do ciclo de memória mais o ciclo de execução. A tecnologia possibilitou um aumento de velocidade muito maior para UCP do que para memória principal, causando um gargalo.
Solução: colocar uma memória intermediária conhecida como cache.
Nível L1: dentro do processador.
Nível L2: fora do processador na placa mãe

Tempo de acesso: menor que memória principal, maior que registradores, 10ns.
Capacidade: se muito grande, muito cara. Se muito pouca, baixo desempenho.
Valores típicos: 16K para L1 e 64K a 2MB para L2.
Voláteis e caras
Tecnologia SRAM

Memória principal

Dispositivo onde dados e instruções são colocados para que a UCP possa acessá-los para executar um programa.

Tempo de acesso: maior que cache, pode variar de 50 a 150 ns.
Capacidade: bem maior que a cache. 64 MB, 128 MB, 256 MB, 1GB
Voláteis e mais baratas
Tecnologia DRAM

Memória secundária

Memória que permite o armazenamento permanente de dados e instruções.
Pode ser constituída de vários dispositivos: discos rígidos, disquetes, fitas, CD-ROMs.

Tempo de acesso: dispositivos eletromecânicos possuem tempo maior que dispositivos semicondutores.
Discos rígidos: 8 a 15ms
CD-ROMs: 120 a 300ms
Fitas: ordem de segundos
Capacidade: bem maior que a memória principal: 100GBytes, 1 Terabyte
NÃO Voláteis e mais baratas
Magnético e ótico