Arquitetura de Computadores: Memórias

1. MemóriasMemórias
Prof. Alex Dias Camargo
alexcamargo@ifsul.edu.br
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
SUL-RIO-GRANDENSE
CAMPUS BAGÉ
ARQUITETURA DE COMPUTADORES

2. 2
I. Plano de aula
Na aula anterior foi visto:
 Barramentos
 Busca e execução de instruções
ARQ - Memórias

3. 3
I. Plano de aula
Nesta aula será apresentado:
 Características fundamentais dos sistemas de memórias
 Hierarquia das memórias internas e externas
ARQ - Memórias

4. 4
1. Memória interna
A memória do computador é organizada em uma hierarquia. No
nível mais alto, estão os registradores. Em seguida, vêm um ou
mais níveis de cache, seguidos da memória principal.
 Local de armazenamento com leitura e escrita.
 À medida que descemos na hierarquia da memória,
encontramos capacidade maior e tempo de acesso mais lento.
 A memória principal é comumente chamada de memória RAM
(Random-Access Memory).
Qualquer posição da memória pode ser selecionada, desde que
endereçada corretamente.
 Em geral, a maioria dos acessos futuros à memória principal
são para locais acessados recentemente.
 A hierarquia continua com a memória externa, com o próximo
nível geralmente sendo um disco rígido.
ARQ - Memórias

5. 5
1. Memória interna
ARQ - Memórias
Figura. Hierarquia de memórias

6. 6
1. Memória interna
ARQ - Memórias
Figura. Hierarquia de memórias

7. 7
1. Memória interna
ARQ - Memórias
Figura. Hierarquia de memórias cache

8. 8
1. Memória interna
Uma das principais características da arquitetura de Von Neumann
é o uso do conceito de programa armazenado. Existem duas
tecnologias de memórias RAM que merecem ser destacadas:
 Memórias RAM dinâmicas ou DRAM: feitas de células que
armazenam dados com carga de capacitores.
 Armazena cada bit de num capacitor separado dentro do
circuíto integrado. Transistores controlam o estado (0 ou 1).
 Um capacitor descarrega-se naturalmente, logo um circuito
especial faz o refresh de seu conteúdo.
Maior consumo energético.
 Uso típico em computadores: desktops e notebooks.
Armazenamento a curto prazo. Ex.: DDR3 e DDR4
 Atualmente variam de 1GB a 2GB em smartphones e 4GB a
16GB em computadores pessoais. Localizam-se na placa-mãe.
ARQ - Memórias

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1. Memória interna
ARQ - Memórias
Figura. Tipos de memórias DRAM

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1. Memória interna
Uma das principais características da arquitetura de Von Neumann
é o uso do conceito de programa armazenado. Existem duas
tecnologias de memórias RAM que merecem ser destacadas:
 Memórias RAM estáticas ou SRAM: os valores binários são
armazenados usando flip-flops (circuítos digitais).
 Utiliza circuitos de travamento biestáveis (2 estados) para
armazenar cada bit. Mantêm os dados enquanto houver
energia.
 O termo estático as diferenciam da RAM dinâmica (DRAM)
que deve ser periodicamente atualizada.
Menor consumo energético.
 Uso típico em caches de CPU: L2 e L3.
 Atualmente variam entre 1MB a 16MB. Localizam-se nos
processadores ou entre os processadores e memória.
ARQ - Memórias

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1. Memória interna
ARQ - Memórias
Figura. Tipos de memórias SRAM

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1. Memória interna
ARQ - Memórias
Tabela. Comparativo entre os tipos de memória RAM

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1. Memória interna
Com relação à volatilidade apresentada anteriormente, há uma
pequena porção da memória principal não volátil chamada de ROM
(Read Only Memory).
 São armazenadas pequenas instruções executadas quando o
computador é ligado. *a CMOS é volátil alimentada por bateria!
 Uma aplicação importante das ROMs é a microprogramação.
 Também é muito utilizada em programas do sistema.
Ex.: cartuchos de videogames e configurações BIOS.
 É criada como qualquer outro chip de circuito integrado, com
os dados gravados fisicamente no chip.
ARQ - Memórias

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1. Memória interna
ARQ - Memórias
Figura. Tipos de memórias ROM

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1. Memória interna
As memórias ROMs evoluíram no sentido de permitir
alterações pelas gravações por processos especiais. Assim,
surgiram os vários tipos delas:
 PROM (ROM Programável): alternativa mais barata, pois no
processo de fabricação é possível gravar seu conteúdo apenas
uma única vez, por um processo elétrico.
 EPROM (ROM Programável e Apagável): dados lidos e
gravados eletricamente, mas é utilizada uma luz ultravioleta
para apagar seu conteúdo e permitir uma nova escrita.
Todos os dados devem ser apagados antes de iniciar uma nova
gravação.
 EEPROM (ROM Programável e Apagável Eletricamente):
quaisquer dados podem ser gravados eletronicamente sem que
seja necessário apagar todo o seu conteúdo.
Apenas os bytes endereçados são atualizados.
ARQ - Memórias

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1. Memória interna
ARQ - Memórias
Vídeo. Different kinds of memory as fast as possible (em inglês):
Link: https://youtu.be/dZcszUj5szA

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2. Exercícios
1. Responda os quizes abaixo:
https://rachacuca.com.br/quiz/90476/tipos-de-memoria/
https://www.goconqr.com/de-CH/p/8473046
2. Um tipo de memória cujo conteúdo é gravado pelo fabricante,
podendo ser lido, mas não modificado é denominado:
( ) ROM.
( ) RRAM.
( ) SDRAM.
( ) DDR.
( ) Memória de bloco.
ARQ - Memórias

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2. Exercícios
3. A memória cache:
( ) é usada para maximizar a disparidade existente entre a
velocidade do processador e a velocidade de leitura e gravação de
dados.
( ) é uma memória volátil de alta velocidade, porém com pequena
capacidade de armazenamento.
( ) armazena a maioria do conteúdo da memória principal.
( ) é uma memória volátil de baixa velocidade, porém com grande
capacidade de armazenamento.
( ) é usada para eliminar a disparidade existente entre a
quantidade de dados armazenados na memória principal e na
memória secundária.
ARQ - Memórias

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2. Exercícios
4. Esse tipo de memória contém um padrão permanente de dados,
que não pode ser mudado. Não é volátil, ou seja, nenhuma fonte de
energia é necessária para manter os valores dos bits na memória.
É possível ler o que tem nessa memória porém, não é possível
escrever algo novo nela. A memória citada é conhecida como:
( ) DRAM.
( ) SDRAM.
( ) Flash.
( ) ROM.
( ) Cache.
ARQ - Memórias

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2. Exercícios
5. O armazenamento de informações em computadores é feito pela
utilização de dispositivos chamados de memória, que as mantêm
de forma volátil ou permanente. Entre esses dispositivos, está a
memória RAM ou memória:
( ) magnética.
( ) secundária.
( ) cache.
( ) principal.
( ) de armazenamento em massa.
6. A memória aleatória do computador é chamada:
( ) SIMM (Single Inline Memory Module).
( ) ROM (Read Only Memory).
( ) IC (Integrated Circuit).
( ) RAM (Ramdom Access Memory).
ARQ - Memórias

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2. Exercícios
7. O elemento que ajuda a minimizar a diferença de desempenho
entre o processador e demais componentes dos computadores
atuais é:
( ) a memória cache.
( ) a memória principal.
( ) o disco rígido.
( ) o barramento PCI.
( ) o barramento USB.
8. A memória ROM e os discos removíveis possuem o mesmo
princípio de funcionamento, ou seja, quando o computador é
desligado, seus dados armazenados são perdidos.
( ) certo ( ) errado
ARQ - Memórias

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2. Exercícios
9. Memória virtual é:
( ) área de memória alocada para armazenamento temporário de
dados vindos da, ou endereçados à, memória principal.
( ) armazenamento temporário usado por um computador para
executar programas que precisem de mais memória do que ele
tem.
( ) memória intermediária, interposta entre a CPU (processador) e
a memória RAM, para diminuir o tempo médio de acesso aos
dados.
( ) memória secundária, também conhecida como memória de
massa, para permitir o armazenamento permanente de dados.
( ) armazenamento de dados em pequenos capacitores, onde um
capacitor carregado equivale a 1 e um descarregado a 0.
ARQ - Memórias

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2. Exercícios
10. A memória cache é uma memória do tipo:
( ) flash.
( ) EDO.
( ) DDR.
( ) SRAM.
( ) EPROM.
11. Defina o que não pode ser uma memória do tipo ROM.
( ) Uma memória do tipo volátil.
( ) Uma memória que pode conter a BIOS.
( ) Uma memória que pode conter o SETUP.
( ) Uma memória somente de leitura.
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
As memórias de massa, como também é chamada a memória
secundária (ou externa) se constituem em meios de
armazenamento bem maiores do que a memória principal.
 Normalmente, utilizam meios magnéticos (HDs) ou ópticos
(CDs, DVDs) para armazenar informação. É importante
também citar os SSDs (Solid-State Drive, “sem partes
móveis”).
 Para conseguir maior desempenho e disponibilidade,
servidores utilizam tecnologia de disco RAID. Utilização de
múltiplos discos em paralelo ou redundantes.
 O primeiro disco rígido foi lançado pela IBM em 1956. Tinha
o tamanho de duas geladeiras residenciais e armazenava
aproximadamente 5 MB (50 discos de 24 polegadas).
 O armazenamento óptico foi criado pela Philips em 1980. O
objetivo foi atender à indústria de áudio (entre 650 e 750 MB).
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. Hierarquia de memórias

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1. Memória interna
ARQ - Memórias
Figura. Hierarquia de memórias

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3. Memória externa
Um disco rígido (Hard Disk ou HD) é formado por uma ou mais
superfícies, chamadas de pratos. Essa superfície é circular, fina e
coberta por uma camada de material magnetizável.
 Trilhas: organização dos dados no prato em um conjunto
(eixo) concêntrico de anéis. Identificadas por endereços.
 Setores: local onde os dados são transferidos para o disco.
Podem ter tamanhos ser variáveis, porém, geralmente fixado
em 512 bytes. Identificados por endereços.
 Cabeça: gravação e leitura de dados feitas através de
pequenos eletroímãs. Movida por um braço atuador.
 Rotação: HDs mais comuns são capazes de alcançar entre
5.600 a 7.200 rotações por minuto, embora existam modelos
que chegam até 15.000 RPM.
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. Organização de um disco rígido

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. Organização de um disco rígido

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. Organização de um disco rígido

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3. Memória externa
SSD (Solid State Drive, ou Unidade de Estado Sólido) é um
tipo de dispositivo, sem partes móveis, para armazenamento não
volátil de dados digitais.
 Construídos em torno de um circuito integrado
semicondutor, responsável pelo armazenamento.
Difere dos sistemas magnéticos (HDs) ou ópticos (CDs e DVDs).
 Utilizam memória flash (eletricamente apagada e
reprogramada). Tecnologia semelhante as utilizadas em
cartões de memória e pendrives.
 Por não possuírem partes móveis, são mais resistentes que
os HDs comuns contra choques físicos. Uso em notebooks.
 Custo elevado e capacidade de armazenamento reduzida.
Apesar de serem menos suscetíveis a falhas, os SSDs possuem
limitação de ciclos de escrita, diferente dos HDs.
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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. Organização de um disco sólido

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Tabela. Comparativo: SSD versus HDD

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3. Memória externa
RAID (Redundant Array of Independent Disks, ou Conjunto
Redundante de Discos Independentes) é um meio de criar um
subsistema de armazenamento composto por vários discos.
 Dados são distribuídos nos múltiplos discos para viabilizar o
acesso simultâneo.
 O uso de múltiplas cabeças de leitura/gravação aumenta a
vazão de transferência, mas também aumenta a probabilidade
de falhas.
 As definições RAID definem as configurações em sete níveis.
Do alto desempenho a alta disponibilidade.
 Implementação via software ou hardware. Gerenciamento
pelo sistema operacional ou por controladora específica.
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Sistema operacional

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Controladora Dell

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3. Memória externa
RAID (Redundant Array of Independent Disks, ou Conjunto
Redundante de Discos Independentes) é um meio de criar um
subsistema de armazenamento composto por vários discos.
 RAID 0 (Striping - Distribuição): os dados são subdivididos
em segmentos consecutivos que são escritos sequencialmente
através de cada um dos discos de um array (conjunto).
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Nível 0 (Striping - Distribuição)

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3. Memória externa
RAID (Redundant Array of Independent Disks, ou Conjunto
Redundante de Discos Independentes) é um meio de criar um
subsistema de armazenamento composto por vários discos.
 RAID 0 (Striping - Distribuição): os dados são subdivididos
em segmentos consecutivos que são escritos sequencialmente
através de cada um dos discos de um array (conjunto).
 RAID 1 (Mirror - Espelhamento): para esta implementação
são necessários no mínimo dois discos ou mais, desde que seja
utilizado sempre um número par.
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Nível 1 (Mirror - Espelhamento)

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3. Memória externa
RAID (Redundant Array of Independent Disks, ou Conjunto
Redundante de Discos Independentes) é um meio de criar um
subsistema de armazenamento composto por vários discos.
 RAID 0 (Striping - Distribuição): os dados são subdivididos
em segmentos consecutivos que são escritos sequencialmente
através de cada um dos discos de um array (conjunto).
 RAID 1 (Mirror - Espelhamento): para esta implementação
são necessários no mínimo dois discos ou mais, desde que seja
utilizado sempre um número par.
 RAID 2 (Redundância por código de Hamming): todos os
discos posicionam a sua cabeça na mesma posição. Os strips
são pequenos (um byte ou uma palavra).
Usado somente se houverem erros frequentes previstos!
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Nível 2 (Redundância por código de Hamming)

43. 43
3. Memória externa
RAID (Redundant Array of Independent Disks, ou Conjunto
Redundante de Discos Independentes) é um meio de criar um
subsistema de armazenamento composto por vários discos.
 RAID 3 (Redundância usando bit de paridade):
semelhante ao RAID 2, mas usa apenas um disco redundante,
contendo o bit paridade dos bits correspondentes dos discos.
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Nível 3 (Redundância usando bit de paridade)

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3. Memória externa
RAID (Redundant Array of Independent Disks, ou Conjunto
Redundante de Discos Independentes) é um meio de criar um
subsistema de armazenamento composto por vários discos.
 RAID 3 (Redundância usando bit de paridade):
semelhante ao RAID 2, mas usa apenas um disco redundante,
contendo o bit paridade dos bits correspondentes dos discos.
 RAID 4 (Paridade em nível de bloco): os discos operam de
modo independente. Pedidos de acessos a dados podem ser
atendidos em paralelo. Strips são blocos grandes.
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Nível 4 (Paridade em nível de bloco)

47. 47
3. Memória externa
RAID (Redundant Array of Independent Disks, ou Conjunto
Redundante de Discos Independentes) é um meio de criar um
subsistema de armazenamento composto por vários discos.
 RAID 3 (Redundância usando bit de paridade):
semelhante ao RAID 2, mas usa apenas um disco redundante,
contendo o bit paridade dos bits correspondentes dos discos.
 RAID 4 (Paridade em nível de bloco): os discos operam de
modo independente. Pedidos de acessos a dados podem ser
atendidos em paralelo. Strips são blocos grandes.
 RAID 5 (Paridade em nível de bloco distribuído): os blocos
paridade não estão concentrados em um único disco, mas
distribuídos entre os discos.
ARQ - Memórias

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Figura. RAID: Nível 5 (Paridade em nível de bloco distribuído)

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3. Memória externa
ARQ - Memórias
Tabela. Comparativo: Níveis de RAID

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4. Exercícios
1. O SSD (Solid-State Drive) utiliza memória flash para
armazenamento não volátil de dados. Justifique.
( ) certo ( ) errado
2. Considere as seguintes características:
1 - Consomem menos energia.
2 - Não vibram.
3 - São Imunes ao magnetismo.
4 - Possuem taxas de transferência de dados maiores.
Em comparação com os HDDs, são características dos SSD,
considerando a mesma capacidade de armazenamento:
( ) 3 apenas. ( ) 1 e 3 apenas. ( ) 2 e 4 apenas. ( ) 1, 2 e 4
apenas. ( ) 1, 2, 3 e 4.
ARQ - Memórias

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4. Exercícios
3. Um RAID corresponde a um conjunto de: Explique.
( ) decodificadores.
( ) dispositivos de interface.
( ) discos.
( ) registradores.
( ) barramentos.
4. Em uma configuração do tipo RAID 5, as informações de
paridade são distribuídas em todos os discos do arranjo,
diferentemente do que ocorre no RAID 4, caso em que as
informações de paridade ficam residentes em um único disco.
( ) certo ( ) errado
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4. Exercícios
5. RAID 1, também conhecido como disk mirroring, requer pelo
menos dois discos rígidos e permite a recuperação dos dados em
caso de falha de um dos discos.
( ) certo ( ) errado
6. Assinale a alternativa que apresenta o nome das mídias de
armazenamento de dados que podem ser gravadas e que têm
capacidade de menos de 1GB.
( ) DVD-RW
( ) DVD-R
( ) SSD
( ) Blu-Ray
( ) CD-R
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4. Exercícios
7. Em um dos esquemas de RAID, toda a informação é duplicada,
isto é, está toda presente em dois discos físicos diferentes. Esse
esquema corresponde ao:
( ) RAID 0
( ) RAID 1
( ) RAID 2
( ) RAID 3
( ) RAID 5
8. Em RAID 5, a paridade dos dados é distribuída por todos os
discos, enquanto, em RAID 4, é gravada em um disco dedicado.
Justifique.
( ) certo ( ) errado
ARQ - Memórias

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4. Exercícios
9. RAID 0, também conhecido como disk striping, requer no mínimo
dois discos rígidos: se um disco falhar, os demais garantem o
acesso e a recuperação dos dados. Justifique.
( ) certo ( ) errado
10. Enquanto o conjunto RAID 1 demanda uma quantidade par de
discos, os demais conjuntos RAID podem trabalhar com qualquer
quantidade de discos. Justifique.
( ) certo ( ) errado
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Referências básicas
STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de
Computadores. 8.ed. São Paulo: Prentice Hall, 2010.
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