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Arquitetura de computadores
Prof. Ms. Márcio Andrey Teixeira
Hierarquia de Memória

Revisão: Como o processador acessa a memória
CPU
RAM

Revisão: Como o processador acessa a memória
CPU
RAM
Cache

.
.
.
Controlador
. . . . . . .
.
.
.
Endereçamento
Célula de
memória

Introdução ao sistema de memória
A memória de um computador é organizada de maneira hierárquica, da seguinte
forma:
➢ O nível superior (mais próximo do processador) é constituído de registradores do
processador.
➢ Em seguida, vem um ou mais níveis de memória cache, designados de L1 e L2.
➢ Depois vem a memória principal, que normalmente usa módulos de memória
dinâmica de acesso aleatório.
Essas memória são consideradas internas ao sistema de computação. A hierarquia
continua com a memória externa, na qual o nível seguinte é tipicamente composto
por um disco rígido fixo, e com os meios removíveis, tais como disco óptico, fitas
magnéticas, pen-drive etc.

➢ A medida que descemos pela hierarquia de memória, o custo por bit torna-se
menor, a capacidade torna-se maior e o tempo de acesso torna-se mais lento
➢ O ideal seria apenas utilizar memórias mais rápidas, entretanto, como essas
memórias são as mais caras, o tempo de acesso é sacrificado em favor de um
custo baixo, utilizando memórias mais lentas.
➢ Em geral, o conceito de memória aparentemente é simples, porém, é um
componente que apresenta maior variedade de tipos, tecnologias, organizações ,
desempenho e custo.
➢ Nenhuma das tecnologias de memórias existentes satisfaz de maneira ótima
todos os requisitos de armazenamento de dados em computadores. Assim, um
sistema computacional típico é equipado com uma hierarquia de subsistemas de
memória, sendo algumas internas e outras externas.
Introdução ao sistema de memória

Características de sistema de memória
Os sistemas de memória de computadores podem ser mais facilmente
compreendidos por meio de sua classificação, de acordo com suas características
fundamentais. Essas características são:
➢ Localização (processador, interna, externa): O termo localização é empregado
para indicar se a memória é interna ou externa ao computador.
➢ Capacidade: Uma característica óbvia de uma memória é a sua capacidade. Na
memória interna, a capacidade é usualmente expressa em função de bytes. Esta
característica também envolvem as palavras, que geralmente são de 8, 16, 32 e
agora 64 bits.
Um conceito relacionado é a unidade de transferência de dados. Na memória
interna, a unidade de transferência é igual ao número de linhas de dados do
módulo de memória.

Para entender melhor, considere os três conceitos relacionados a memória interna:
➢ Palavra: unidade “natural” de organização de memória. O tamanho de uma
palavra é tipicamente igual ao número de bits utilizada para representar um
número inteiro ou o tamanho de uma instrução. Porém, isso não é regra !!!!!
➢ Unidade endereçável: em muitos sistemas, a unidade endereçável de dados é
a palavra. Entretanto, alguns sistemas permitem o endereçamento de bytes. Em
qualquer um dos casos, a relação entre o tamanho de bits A de um endereço e o
número de unidades endereçáveis N é 2A
= N.
➢ Unidade de transferência: a unidade de transferência de dados da memória
principal é o número de bits que podem ser lido ou escrito de cada vez. Ela ão
precisa ser igual a uma palavra ou a uma unidade endereçável de dados. Na
memória externa, os dados são freqüentemente transferidos em unidades muito
maiores do que uma palavra, chamada de bloco.

Outra forma de diferenciar os tipos de memória é o método de acesso aos
dados, que podem ser:
➢ Acesso sequencial: os dado são organizados na memória em unidades
chamadas registros O acesso é feito segundo uma seqüência linear específica.
Além dos dados, são armazenados informações de endereçamento, utilizada para
separar um registro do registro seguinte, e facilitar o processo de busca por um
determinado registro. É utilizado um mecanismo compartilhado de leitura e escrita.
Para cada acesso, este mecanismo é movido para a posição desejada.
➢ Acesso direto: Assim como o acesso seqüencial, o acesso direto emprega um
mecanismo compartilhado para leitura e escrita. Entretanto, cada bloco individual
ou registro possui um endereço único, baseado em sua localização física. O
acesso é feito por uma vizinhança genérica do registro e, em seguida, por uma
pesquisa seqüencial. Exemplos, unidades de discos.
➢ Acesso aleatório: Cada posição de memória endereçável possui um
mecanismo de endereçamento único e fisicamente conectado a ela. O tempo de
acesso a uma determinada posição é constante e independente da sequência de
acessos anteriores. Exemplo: Memória principal.

➢ Acesso associativo: Consiste de um tipo de memória de acesso aleatório, que
possibilita comparar simultaneamente certos números de bits de uma palavra com
todas as palavras da memória, determinando quais palavras contêm o mesmo
padrão de bits. Uma palavra é buscada na memória com base em parte de seu
conteúdo, e não de acordo com o seu endereço.
Assim, como na memória de acesso aleatório, cada posição da memória possui um
mecanismo de endereçamento próprio e o tempo de busca é constante,
independente da posição ou do padrão dos acessos anteriores. Exemplo: memória
cache.
Do ponto de vista do usuário, as duas características mais importantes da
memória são sua capacidade e seu desempenho. Os parâmetros
empregados para medir o desempenho de uma memória são
➢ Tempo de acesso: Em uma memória de acesso aleatório,este é o tempo
gasto para efetuar uma operação de leitura ou de escrita. Ë o tempo decorrido
desde o instante em que um endereço é apresentado á memória até o
momento em que os dados são armazenados ou se tornam disponíveis para
utilização. Em memórias não aleatória, esse tempo é o tempo gasto para
posicionar o mecanismo de leitura e escrita na posição desejada

➢ Tempo de ciclo de memória: Esse conceito é apresentado principalmente
para memórias de acesso aleatório e compreende o tempo de acesso e o
tempo adicional requerido antes que um segundo acesso possa ser iniciado.
Esse tempo adicional pode ser necessário para o desaparecimento de
transientes nas linhas sinais ou para a regeneração dos dados, caso a leitura
seja destrutiva.
➢ Taxa de transferência: é a taxa na qual os dados podem ser transferidos de
ou para a unidade de memória. Na memória de acesso aleatório, é equivalente
a 1 / (tempo de ciclo).
Para uma memória de acesso não aleatório, é válida a seguinte relação:
TN
= TA
+
N
R
Onde:
Tn
: Tempo médio para ler ou escrever N bits;
TA
: Tempo médio de acesso;
N: Número de bits;
R: Taxa de transferência em bits por segundo;;

➢ Tempo de ciclo de memória: Esse conceito é apresentado principalmente
para memórias de acesso aleatório e compreende o tempo de acesso e o
tempo adicional requerido antes que um segundo acesso possa ser iniciado.
Esse tempo adicional pode ser necessário para o desaparecimento de
transientes nas linhas sinais ou para a regeneração dos dados, caso a leitura
seja destrutiva.

A hierarquia de memória
Registradores
Memória Cache
Memória Principal
Memória Interna
Disco magnético
CD-ROM
CD-RW
DVD+RW
DVD-RAM
Armazenamento
externo
Armazenamento
de segurança
Fita Magnética

A hierarquia de memória
A medida que descemos na hierarquia de memória, as relações a seguir são
válidas:
a) O custo por bit diminui;
b) A capacidade aumenta;
c) O tempo de acesso aumenta;
d) A freqüência de acesso a memória pelo processador diminui;
Devido as características acima, os computadores utilizam uma variedade de
memória, combinando suas características para obter performance;

Memória principal de Semicondutor
A tabela abaixo mostra os tipos de memória de semicondutor
Tipo de memória Categoria Mecanismo de
Apagamento
Mecanismo de
escrita Volatilidade
Memória de acesso
aleatório (RAM)
Memória apenas de
leitura (ROM)
ROM programável
(PROM)
PROMapagável
(EPROM)
Memória
flash
PROM eletricamente
apagável (EEPROM)
Memória de leitura e
de escrita
Memória apenas de
leitura
Memória
principalmente
de
leitura
Eletricamente em
nível de bytes
Não é possível
Luz UV, em nível de
pastilha
Eletricamente em
nível de blocos
Eletricamente em
nível de bytes
Eletricamente
Máscaras
Eletricamente
Volátil
Não Volátil

Todos os tipos de memória da tabela anterior é de acesso aleatório, isto é,
palavras individuais de memória são acessados diretamente, utilizando uma
lógica de endereçamento implementado em hardware
➢ Uma característica particular das memórias RAM é possibilitar que novos
dados sejam lidos e escritos rapidamente e de modo fácil. Tanto a leitura
quanto a escrita são feitas por meio de sinais elétricos.
Características da memórias RAM
➢ Outra característica da memória RAM é que elas são voláteis . Uma memória
RAM requer um fornecimento de energia constante. Se o fornecimento de
energia for interrompido, os dados são perdidos.
A tecnologia de memória RAM pode ser dividida em estáticas e dinâmica. Uma
memória RAM dinâmica é feita de células que armazenam dados com a carga
de um capacitor. A ausência ou a presença de carga no capacitor representa
os dígitos binários 0 ou 1.
Como um capacitor tem a tendência natural de descarregar, a RAM dinâmica
requer uma regeneração (refresh).

➢ Em uma memória RAM estática, os valores binários são armazenados
usando configurações de portas lógicas (flip-flops).
Toda memória RAM, estática ou dinâmica, são voláteis.
Em contraste com as memóris RAM, existe memórias apenas de leituras: ROM
(read-only-memory).
➢ Como o nome sugere, as memórias ROM contém um padrão permanente de
dados que não pode ser alterado.
Características da memórias ROM
➢ As memórias ROM são utilizadas para:
➢ Sub-rotinas freqüentemente utilizadas;
➢ Programa de sistemas;
➢ Tabelas de funções;

➢ Uma memória ROM é fabricada como qualquer outra pastilha de circuito
integrado, cujo os dados são gravados na pastilha durante o processo de
fabricação. Isso apresenta dois problemas:
- A etapa de gravação de dados tem um custo fixo relativamente alto, que não
depende do número de cópias produzida;
- Não pode ocorrer erros: se algum bit estiver errado, todo o lote de memória
ROM será inutilizado;
Características da memórias PROM
➢ A memória ROM é uma memória que pode ser programada apenas uma vez.
Programmable ROM. Assim como a ROM, a memória EPROM é não volátil,
ou seja, os dados ficam armazenados permanentemente.
➢ O processo de gravação de uma memória PROM é efetuado eletricamente,
e pode ser feito pelo fabricante ou pelo cliente após da fabricação da pastilha
original.

➢ O processo de gravação de uma memória PROM é efetuado eletricamente,
e pode ser feito pelo fabricante ou pelo cliente após da fabricação da pastilha
original.
➢ Um equipamento especial é necessário para esse processo de gravação ou
“programação”. Essa memória PROM é mais vantajosa em relação em
produção em larga escala.
Uma outra variação de memória apenas de leitura é a memória principal de
leitura. Há três formas comuns de memória principalmente de leitura: EPROM,
EEPROM e memória flash.
A memória EPROM é uma memória programável de apenas leitura que pode
ser apagada por um processo óptico; os dados podem ser lidos e gravados
eletricamente, assim como a PROM.
Entretanto, antes de qualquer operação de escrita, todas as células de
memória devem ser apagadas, voltando a ter o mesmo valor do estado inicial,
pela exposição da pastilha de memória à radiação ultra violeta.

Dessa maneira, a memória EPROM pode ser alterada várias vezes e, como a
ROM e a PROM, mantém seus dados quase indefinidamente. Esta memória é
mais cara que a PROM.
A memória EEPROM é uma forma mais atraente de memória principal de
leitura devido as suas características.
Quaisquer dados podem ser gravados nessa memória sem a necessidade de
apagar todo o seu conteúdo anterior. Somente o byte ou os bytes endereçados
são atualizados
A operação de escrita de dados nessa memória leva um tempo
consideravelmente maior do que a operação de leitura, da ordem de centenas
de microssegundos por byte.
A EEPROM combina a vantagem da não volatilidade com a flexibilidade de
poder ser atualizada diretamente, por meio de linhas de dados de endereço
usuais e do barramento de controle.

A outra forma de memória de semicondutor é a memória flash (assim chamada
por sua velocidade com que pode ser apagada).
Este tipo de memória apresenta características da memória PROM e da
memória EEPROM, tanto em custo quanto em funcionalidade.

Organização da Memória
O elemento básico de uma memória é sua célula de memória. Embora
possam ser fabricadas usando diferentes tecnologias eletrônicas, todas as
células de memória compartilham as mesmas características:
- Exibem dois estados estáveis, que podem ser utilizados para representar
os dígitos binário 0 e 1.
- Um valor pode ser escrito pelo menos uma vez em uma célula de
memória e o dado gravado define o estado da célula de memória
- O estado da célula de memória pode ser lido.
Dados de entrada
Controle
Seleção
(a) escrita
Estado
Controle
Seleção
(b) Leitura

Memória Cahe
- Pequena quantidade de memória muito rápida
- Contém partes da memória principal
- Quando a CPU quer ler uma palavra da memória, é realizado um teste para
verificar se esta palavra se encontra na cache. Se estiver, ela é fornecida para o
processador, caso contrário, um bloco da memória principal, constituído de um
número fixo de palavra, é lido e entregue a memória cache, e em seguida a
palavra requerida é entregue ao processador.

Memória Cahe
.
.
.
Bloco
Rótulo
Número de
Linha
0
1
2
C -1
Tamanho do bloco
(K palavras)
Memória cache
0
1
2
3
.
.
.
.
.
.
Endereço de
Memória
Bloco
(K palavras)
Bloco
(K palavras)
Tamanho
da palavra
2 - 1
n

Memória Cahe
- A memória principal é constituída por 2n palavras endereçáveis, cada qual
com um endereço distinto de n bits.
- Considerando os blocos com tamanho fixo, cada qual com k palavras, então,
temos então M = 2n / K blocos.
- A memória cache possui C linhas de K palavras, sendo o número de linhas
consideravelmente menor que o número de blocos da memória principal, ou
seja C << M.
- Não é possível armazenar todos os blocos da memória RAM na cache. Com
isso não se pode manter o bloco permanentemente na memória.
- Assim, cada linha na cache possui um rótulo para armazenar parte do
endereçamento da memória RAM.

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