Organizaã§ã£o de computadores

Prof.: Antonio J. Netto
netto@unirg.edu.br
Organização e Arquitetura
de Computadores I
Organização básica de
computadores (Parte II)
Carga Horária: 60 horas
UNIRG - FAFICH
Ciências da Computação

Organização Básica de
Computadores
2Org. e Arq. de Computadores
Computador eletrônico digital
 Sistema composto por
 processador,
 memória,
 dispositivos de entrada e saída
interligados.
Computadores

Computadores
ARMAZENAR
(ESCRITA,
WRITE) RECUPERAR
(LEITURA,
READ)
A memória de um computador quando energizada, conterá sinais
elétricos, mesmo que não seja uma informação útil.
Computadores
Memória

Computadores
 Elemento a ser manipulado : bit (armazena a informação na
forma de bits)
 Unidade de informação a ser armazenada, recuperada ou
transferida (célula) - Grupo de n bits (n = 8)  1 Byte
• ENDEREÇO: é o código de identificação da localização das
células (informações).
Operações:
• ESCRITA: transferência de informações de outro
componente do sistema de computação para a memória
(CPU  memória)
• LEITURA: transferência de bits da memória para a CPU,
disco.
Memória

Computadores
 Em um sistema de computação não é possível
construir e utilizar apenas um tipo de memória.
 Para certas atividades, por exemplo, é fundamental
que a transferência de informações seja a mais
rápida possível.
 Memória de um computador  subsistema -
construída de vários componentes (vários tipos
diferentes de memória) interligados e integrados,
com o objetivo de armazenar e recuperar
informações.

Computadores
 Necessidade de construção de vários tipos de
memória:
 Velocidade das UCP ( > tempo de acesso da
memória)
 Capacidade de armazenamento.
Hierarquia de Memória

Computadores
Hierarquia de Memória
Memória Secundária
Memória Principal
Memória Cache
Registradores
CD-ROM
Discos
Custo baixo
Velocidade baixa
Capacidade elevada
Custo alto Velocidade
alta Baixa
capacidade

Computadores
Hierarquia de Memória –
Conceitos Importantes
 Tempo de acesso
 Capacidade
 Volatilidade
 Tecnologia de fabricação
 Temporariedade
 Custo

Computadores
Tempo de acesso
 Indica quanto tempo a memória gasta para colocar
uma informação no barramento de dados após uma
determinada posição ter sido endereçada.
 É um dos parâmetros que pode medir o desempenho
da memória.
 Denominação: tempo de acesso para leitura (ou
tempo de leitura).

Computadores
Tempo de acesso
 Dependente do modo como o sistema de memória é
construído e da velocidade dos seus circuitos.
 Memórias eletrônicas - igual, independentemente da
distância física entre o local de um acesso e o local
do próximo acesso - acesso aleatório (direto).
 Dispositivos eletromecânicos (discos, fitas, ..) -
tempo de acesso varia conforme a distância física
entre dois acessos consecutivos - acesso
seqüencial.

Computadores
Capacidade
 Quantidade de informação que pode ser armazenada
em uma memória;
 Unidade de medida mais comum - byte, podem ser
usadas outras unidades como células (no caso de
memória principal ou cache), setores (no caso de
discos) e bits (no caso de registradores).
 Dependendo do tamanho da memória, isto é, de sua
capacidade, indica-se o valor numérico total de
elementos de forma simplificada, através da inclusão
de K (kilo), M (mega), G (giga) ou T (tera).

Computadores
Volatilidade
 Memórias podem ser do tipo volátil ou não volátil.
 Memória não volátil - retém a informação
armazenada quando a energia elétrica é desligada.
Ex.: Discos, Fitas.
 Memória volátil - perde a informação armazenada na
ausência de energia elétrica. Ex.: Registradores,
Memória Principal.
 É possível manter a energia em uma memória
originalmente não volátil - uso de baterias.

Computadores
Tecnologias de fabricação
 Memórias de semicondutores
 Memórias de meio magnético
 Memórias de meio óptico

Computadores
Memórias de semicondutores
 Dispositivos fabricados com circuitos eletrônicos e
baseados em semicondutores.
 Rápidas e relativamente caras, se comparadas com
outros tipos.
 Há várias tecnologias específicas, cada uma com
suas vantagens, desvantagens, velocidade, custo,
etc..
 Exemplos: Registradores, Memória Principal e
Memória Cache.

Computadores
 Classificação de Memórias Semicondutoras
RAM
L/E - Leitura/Escrita
(R/W - Read/Write)
ROM (Somente Leitura)
(Read Only Memory)
SRAM
DRAM
FPM DRAM
EDO DRAM
BEDO RAM
SDRAM
RDRAM
ROM
PROM
EPROM
EEPROM

Computadores
Memória R/W - Read and Write
 Memória de leitura e escrita, de acesso aleatório e volátil.
 Pode ser estática (SRAM) ou dinâmica (DRAM).
 SRAM - uso de circuitos transistorizados (flip-flops)
mantém a informação enquanto estiver energizada, muito
rápidas (~ns), usadas tipicamente como memórias cache.
 DRAM - uso de capacitores (1 transistor e 1 capacitor por
bit, não usa flip-flops), necessita de refresh, alta
capacidade de armazenamento (> densidade), mais lentas,
usadas tipicamente como memória principal. Evolução:
FPM DRAM (Fast Page Mode) assíncrona e mais antiga,
EDO DRAM (Extended Data Output), também assíncrona,
SDRAM (memórias Síncronas), etc.

Computadores
Memória R/W - Read and Write
DDR ou SDRAM-II (Double Data Rate SDRAM)
 É uma memória SDRAM muito mais avançada e que
consegue trabalhar com o dobro do desempenho. Pode-se
encontrá-la, por exemplo, em placas-mãe equipadas com o
processador AMD K7.
RDRAM (Rambus DRAM)
 Baseada em protocolo, isto é, usa padrão de barramento
proprietário. A arquitetura interna dos circuitos, é muito
diferente das demais pois, permite a leitura e escrita de até 16
dados simultaneamente por circuito. Utilizadas,
principalmente, em algumas máquinas de jogos e em
aplicações gráficas muito intensivas.

Computadores
ROM - Read Only Memory
 Memória apenas de leitura. Uma vez gravada não pode
mais ser alterada. De acesso aleatório, não é volátil.
 Mais lenta que a R/W e mais barata.
 Pode ser programada por máscara ("mask
programmed“- MROM) em fábrica. Devido ao alto
custo da máscara somente se torna econômica em
grandes quantidades.
MROM- O firmware era gravado durante a fabricação do circuito, com
o auxílio de um filme fotográfico - máscara. As máscaras apresentam
o inconveniente de serem caras e não permitem regravação.

Computadores
ROM - Read Only Memory
 Utilizada geralmente para gravar programas que
não se deseja permitir que o usuário possa alterar
ou apagar (Ex.: o BIOS - Basic Input Output System
e Microprogramas de Memórias de Controle).
 Outros tipos: PROM, EPROM, EEPROM e Flash.

Computadores
PROM - Programmable Read Only Memory
 Memória apenas de leitura, programável.
 ROM programável com máquinas adequadas
(chamadas queimadores de PROM).
 Geralmente é comprada "virgem" (sem nada
gravado), sendo muito utilizada no processo de
testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se
queira produzir ROM em quantidades pequenas.
 Uma vez programada (em fábrica ou não), não pode
mais ser alterada.

Computadores
EPROM - Erasable Programmable
Read Only Memory
 Memória apenas de leitura, programável (com
queimadores de PROM) e apagável (com máquinas
adequadas, à base de raios ultra-violeta).
 Tem utilização semelhante à da PROM, para testar
programas no lugar da ROM, ou sempre que se
queira produzir ROM em quantidades pequenas, com
a vantagem de poder ser apagada e reutilizada.

Computadores
EEPROM (ou E2PROM) - Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory
 Memória apenas de leitura, programável e eletronicamente
alterável. Também chamada EAROM (Electrically Alterable
ROM).
 EPROM apagável - processo eletrônico, sob controle da
UCP (equipamento e programas adequados), menor e mais
rápida que a EPROM.
 Mais cara, geralmente utilizada em dispositivos aos quais
se deseja permitir a alteração, via modem (carga de novas
versões de programas à distância ou possibilitar a
reprogramação dinâmica de funções específicas de um
programa, geralmente relativas ao hardware, p.ex.,
reconfiguração de teclado, programação de terminal, etc).

Computadores
ROM Flash
 Funcionamento similar ao da EEPROM – conteúdo
total ou parcial da memória pode ser apagado
normalmente por um processo de escrita.
 Apagadas e regravadas por blocos (o apagamento não
pode ser efetuado ao nível de byte como na EEPROM),
alta capacidade de armazenamento
 O termo flash foi imaginado devido à elevada
velocidade de apagamento dessas memórias em
comparação com as antigas EPROM e EEPROM.
 Ideal para várias aplicações portáteis (câmeras
digitais, palmtop, assistentes digitais portáteis,
aparelhos de música digital ou telefones celulares).

Computadores
Memórias de meio magnético
 Fabricadas de modo a armazenar informações sob a
forma de campos magnéticos.
 Devido à natureza eletromecânica de seus
componentes e à tecnologia de construção em
comparação com memórias de semicondutores, esse
tipo é mais barato, permitindo armazenamento de
grande quantidade de informação.
 Método de acesso às informações - seqüencial.
 Exemplos: disquetes, discos rígidos e fitas magnéticas
(de carretel ou de cartucho).

Computadores
Memórias de meio óptico
 Dispositivos que utilizam um feixe de luz para “marcar”
o valor (0 ou 1) de cada dado em sua superfície.
 Exemplos:
CD-ROM (leitura)
CD-RW (leitura e escrita)

Computadores
Temporariedade
 Indica o conceito de tempo de permanência da
informação em um dado tipo de memória.
 Classificação:
 Armazenamento “permanente”. Ex.: Discos,
disquetes.
 Armazenamento transitório (temporário). Ex.:
registradores, memória cache, memória principal.

Computadores
Custo
 Bastante variado em função de diversos fatores:
 tecnologia de fabricação
 ciclo de memória
 quantidade de bits em um certo espaço físico, etc.
 Uma boa unidade de medida de custo é o preço por
byte armazenado, em vez do custo total da memória
em si.

Computadores
Hierarquia de Memória - Elementos
 Registradores
 Memória Cache
 Memória Principal
 Memória Secundária

Computadores
Registradores
 Elementos superiores da pirâmide de memória, por
possuírem a maior velocidade de transferência
dentro do sistema (menor tempo de acesso),
menor capacidade de armazenamento e maior
custo.
Maiores informações sobre registradores foram apresentadas anteriormente (UCP).

Computadores
Registradores - Parâmetros
 Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 1 a 5 ns)
 Capacidade - baixa (Ex.: 8 a 64 bits)
 Volatilidade - dispositivos voláteis.
 Tecnologia - memória de semicondutores
 Temporariedade - armazenamento temporário.
 Custo - mais elevado.
Citar 1 a 5 ns neste instante pode significar um valor já (ou em breve) desatualizado.

Computadores
Problemas (Processador – Memória)
 Acesso à memória, leitura e escrita, é um dos motivos
para menor velocidade de processamento.
 Processador é muito mais rápido do que a transferência
de dados.
Soluções
 Processador deve executar outras instruções enquanto
aguarda acesso à memória. Porém isto nem sempre é
possível e é difícil de implementar.
 Colocar memória principal no Chip do processador. Isto
tornaria o chip maior e mais caro.
 Uso de uma memória menor e mais rápida (em relação à
memória principal) chamada Memória Cache.

Computadores
Memória Cache
 Dispositivo de memória entre a CPU e a MP
 Função: acelerar a velocidade de transferência das
informações entre CPU e MP, aumentando o
desempenho dos sistemas.
 Usada para armazenamento de instruções e dados mais
freqüentemente acessados do programa em execução.
 As palavras de memória mais usadas pelo processador
devem permanecer armazenadas na cache. Somente
no caso de ela não estar armazenada na cache é que a
busca se dará na memória principal.

Computadores
Memória Cache
 Fabricada com tecnologia semelhante à da CPU (possui
tempos de acesso compatíveis, resultando numa
considerável redução da espera da CPU para receber dados
e instruções da cache, ao contrário do que acontece em
sistemas sem cache).
 Atualmente há diversos tipos de memória cache, utilizados
em sistemas de computação modernos: Cache para a
Memória Principal (RAM cache), Cache para Disco.
 Podem existir cache só para instruções e só para dados.
 Podem existir caches primárias (dentro do processador) e
outra secundária (fora do chip do processador) e até uma
terceira cache mais externa.

Computadores
Memória Cache
 Podem ser inseridas em dois (ou três) níveis: Cache L1
(Level 1) - nível 1), Cache L2 e Cache L3.
 Cache L1 (primária) - interna ao processador.
 Cache L2 (externa ou secundária) - instalada, em geral, na
placa-mãe do computador. Atualmente: localizada no
interior da pastilha do processador, separada deste (cache
backside).
 Cache L3 – Existente em alguns processadores, localizada
externamente ao processador.
 Quanto mais próxima do processador, melhor será o
desempenho do mesmo.

Computadores
Memória Cache - Parâmetros
 Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 5 a 7 ns).
 Capacidade - deve-se conciliar o compromisso de uma
apreciável capacidade com a não-elevação demasiada de
seu preço. Ex.: 16K a 2 MB.
 Volatilidade - dispositivos voláteis.
 Tecnologia - circuitos eletrônicos de alta velocidade. Em
geral, são memórias RAM estáticas (SRAM).
 Temporariedade - armazenamento temporário.
 Custo - o custo de fabricação das memórias cache é alto.
Memórias cache internas à CPU ainda são mais caras do
que as externas.

Computadores
Memória Principal
 A memória básica de um sistema de computação
desde seus primórdios.
 É o dispositivo no qual o programa (e seus dados)
que vai ser executado é armazenado para que a CPU
"busque" instrução por instrução.
Uma das principais características definidas no projeto de arquitetura do sistema
de Von Neumann, o qual se constitui na primeira geração dos computadores,
consistia no fato de ser uma máquina "de programa armazenado". O fato de as
instruções, uma após a outra, poderem ser imediatamente acessadas pela CPU
é que garante o automatismo do sistema e aumenta a velocidade de execução
dos programas.

Computadores
Memória Principal - Parâmetros
 Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 7 a l5 ns).
 Capacidade - na ordem de até 4 Gbytes
 Volatilidade - volátil. Há normalmente uma pequena
quantidade de memória não volátil fazendo parte da
memória principal (contém o BIOS).
 Tecnologia - em sistemas atuais esta tecnologia
produz memória com elementos dinâmicos (DRAM).

Computadores
Memória Principal - Parâmetros
 Temporariedade - variável, depende de várias circunstâncias
(p. ex.: tamanho do programa e sua duração, a quantidade
de programas que estão sendo processados juntos, etc.). A
transitoriedade com que as informações permanecem
armazenadas na MP é, em geral, mais duradoura que na
memória cache ou nos registradores.
 Custo - DRAM têm um custo mais baixo que o das memórias
cache - são vendidos computadores com quantidade
apreciável de MP (32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB)
sem que o preço seja inaceitável.

Computadores
Memória Principal
 Quanto maior a capacidade de armazenamento
(em Bytes), maior a capacidade de
processamento
 Uso de memória virtual  Uso do HD como
extensão da Memória Principal

Computadores
Memória Principal - Ordenação dos Bytes
 Existem, basicamente, 2 formas de organização dos
bytes em uma palavra de memória
 Ordenação Big endian
 Ordenação Little endian
Os termos big endian (maior valor-big-em primeiro lugar-menor endereço) e
little endian (menor valor-little-em primeiro lugar) foram inseridos no jargão da
computação por um artigo publicado em 1981, citando o problema e
relacionando-o a um episódio mencionado no livro As Viagens de Gulliver –
povo que foi à guerra para decidir qual a melhor maneira de quebrar ovos, se
pelo maior (big) lado ou se pelo menor (little) lado.

Computadores
Ordenação Big endian
 Bytes são numerados da esquerda para a direita
(0, 1, 2,..., n-1)
 Usada por sistemas Unix (arquiteturas SPARC, IBM
Mainframe)
 Exemplo numérico com 2 bytes:
0305H = 00000011 00000101

Computadores
Ordenação Little endian
 Bytes são numerados da direita para esquerda
(n-1, ..., 2, 1, 0)
 Usada por IBM PCs (arquiteturas INTEL)
 Exemplo numérico com 2 bytes:
0305H = 00000101 00000011

Computadores
 Exemplo:

Computadores
 Problemas causados pela falta de padronização do
armazenamento em memória:
 interpretação de instruções e dados em redes
 softwares que rodam em várias plataformas devem
tratar essas diferenças
 uso de plataformas de palavras de diferentes
tamanhos
 Importante: A solução para o problema não é trivial,
em geral se baseia em inversão dos bytes. Isto
funciona para valores numéricos mas não para
cadeias de caracteres.

Computadores
Memória Principal - Códigos com correção de erros
Problema:
 Dados da memória podem, ocasionalmente, conter
erros causados por oscilação de tensão, por exemplo
Solução:
 Dados são armazenados na memória com um código
que permita a detecção ou correção de erros
 São acrescentados bits extras nas palavras de
memória usados para verificar a exatidão da
informação
 Uma palavra de código de n (=m+r) bits conterá: m bits
de dados + r bits de redundância (ou verificação).

Computadores
Memória Principal - Códigos com correção de erros
 Distância de Hamming - igual ao número de bits
correspondentes que diferem em duas palavras de
código quaisquer.
 As propriedades de detecção de erros e de correção
de erros dependem fundamentalmente da sua
distância de Hamming.
 Exemplo: As palavras de código 10001001 e
10110001 distam 3 unidades de Hamming.
 Observação: É necessário que ocorram 3 erros
(inversões) nos bits em destaque da palavra 2 para
que ela se transforme na palavra 1.

Computadores
Exemplo de Código com correção de erros
 Bit de Paridade: Definido pelo número de 1s que
ocorrem em uma palavra. Paridade par está
associada a um número par de 1s e paridade ímpar
está associada a um número ímpar de 1s
 Exemplo Simples:
 Inclusão de 1 bit de paridade (0 - par e 1 - impar) aos
bits de dados da palavra de código.
 A ocorrência de 1 único erro produz palavra de
código errada.
 Erro só é detectado, e não corrigido. Programa
cancela o processamento para não gerar resultados
errados.

Computadores
Tipos de Memória e Encapsulamento
 Unidade de memória – grupo de chips, em geral 8 e
16, montado em uma placa de circuito impresso.
Denominações:
 SIMM (Single in Line Memory Module) – uma linha de
conectores em apenas um lado da placa.
 DIMM (Dual in Line Memory Module) – uma linha de
conectores em ambos os lados da placa.
 SO-DIMM (Small Outline DIMM) – DIMM fisicamente
menor, utilizada, por exemplo, em notebook.
Tanto as memórias SIMM quanto as DIMM vêm com um bit de paridade ou com bits
para correção de erros. Porém, como as estatísticas mostram que a taxa de erro de um
desses módulos é de um erro a cada 10 anos, a grande maioria dos computadores não
implementa nem a detecção e muito menos a correção de erros.

Computadores
 Exemplo:
SIMM/72 – Possui 72 conectores. Utilizada em processadores 486,
Pentium e superiores é um módulo SIMM de 32 bits, encontradas,
por exemplo, nas versões de 4 MB, 8 MB, 16 MB e 32 MB.
No caso de uma máquina de 64 bits, como o Pentium, essas placas
são usadas aos pares, cada uma delas acessando metade dos bits
necessários a uma operação com a memória
Chips de memória de
4 MB
Conector

Computadores
 Exemplo:
DIMM/168 – Possui 84 conectores banhados a ouro de cada lado,
perfazendo um total de 168 conectores. É um módulo de 64 bits. A
capacidade está acima de 64 MB.
Os primeiros eram alimentados com 5V e usavam memórias como
FPM e EDO. Os atuais são alimentados com 3,3V e usam memórias
SDRAM.

Computadores
 Exemplo:
RIMM-Rambus In Line Memory Module. Esses módulos são
padronizados pela Rambus para a utilização de memórias RDRAM.

Computadores
Memória Secundária
 Denominada memória secundária, memória auxiliar ou
memória de massa.
 Objetivo: garantir um armazenamento mais permanente
à toda a estrutura de dados e programas do usuário -
deve possuir maior capacidade que a memória principal.
 Pode ser constituída por diferentes tipos de dispositivos,
alguns diretamente ligados ao sistema para acesso
imediato (Ex.: discos rígidos), e outros que podem ser
conectados quando desejado (Ex.: disquetes, fitas, CD-
ROM etc.).

Computadores
Memória Secundária - Parâmetros
 Tempo de acesso/ciclo de memória - são, em geral,
dispositivos eletromecânicos e não circuitos puramente
eletrônicos - possuem tempo de acesso maiores.
Tempos de acesso típicos: ordem de 8 a 15 ms. Discos
do tipo CD-ROM: 120 a 300 ms, fitas magnéticas - ordem
de segundos.
 Capacidade - varia bastante dependendo do tipo de
dispositivo utilizado. Discos rígidos - entre 2 e 50
Gbytes, CD-ROM - ordem de 600 MB, fitas magnéticas (a
capacidade depende do comprimento da fita e da
densidade de gravação).

Computadores
Memória Secundária - Parâmetros
 Volatilidade - não voláteis.
 Tecnologia - este parâmetro possui uma variedade
imensa de tipos, visto que, para cada dispositivo
entre os já mencionados (discos rígidos, disquetes,
fitas, CD-ROM, CD R/W, DVD, etc.), há diferentes
tecnologias de fabricação.
 Temporariedade - armazenamento com caráter
permanente ou, pelo menos, de longo período de
armazenamento.
 Custo - bastante variado.

Computadores
Tipos de Memória em uso nos computadores
Processador
(Cache L1 e
Registradores)
Cache L2
(separado)
Memória
principal
Memória
secundária

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