Hierarquia de Memória
Registradores Memória Cachê - Memória Principal
Memória Secundária – Disco Rígido, CD/DVD/BR, SSD, SCSI, SAS, FibreChannel
RAID - Redundant Array of Independent Disks - Conjunto Redundante de Discos Independentes
Barramentos
Barramento de computador Barramento de dados Barramento de endereços Barramento de controle Barramento DMA
Barramentos ISA, PCI, PCI Express Universal Serial BUS Barramento de processador: FSB, QPI, DMI, HyperTransport
Formas de Comunicação entre CPU e Memória Principal Componentes da CPU
Taxa de Transferência Clock / Multiplicador
Chips de E/S – Chipset (NorthBridge, SouthBridge)
Hierarquia de Memória
Na arquitetura de computadores, a hierarquia de memória refere-se a uma relação entre os diferentes tipos de memória que é comum ser representada em forma de pirâmide, na qual, quem está topo desta pirâmide no topo embora em pequena quantidade tem maior velocidade de acesso.
Na construção de um projeto de memória, leva-se em conta três quesitos:
Capacidade: de certo modo indefinida, pois, qualquer que seja a capacidade disponível serão desenvolvidas novas aplicações que a utilize
Velocidade: esta deve ser compatível com a do processador, pois o processador não deve ficar ocioso esperando que instruções ou operandos sejam buscados na memória durante a execução de instruções
Custo. Para que um sistema seja comercialmente viável, o custo da memória deve ser compatível com o dos demais componentes.
Estes três quesitos de certo modo são conflitantes, pois, a implementação em uma tecnologia de memória poderia elevar os custos tornando inviável sua fabricação pois;
Quanto mais rápido o tempo de acesso, maior será o custo por bit. Quanto maior a capacidade, menor o custo por bit.
Quanto maior a capacidade, maior é o tempo de acesso.
A figura abaixo ilustra essa hierarquia:
Registradores:
Os registradores por estarem no topo da hierarquia operam na mesma velocidade do processador, logo tem o melhor desempenho, porém tem pouquissima capacidade de armazenamento.
Principais registradores:
AX - Registrador acumulador - Ele é usado para coletar resultadores de computações e é alvo de muitas das instruções. Ex. Multiplicação
BX - Registradores de base – Pode ser usado da mesma maneira que AX, porém nele é possível colocar um endereço de memória em BX, e então executar uma instrução cujo operando vem do endereço de memória contido em BX, ou seja, BX pode conter um ponteiro para memória, mas AX não.
Ex: MOV AX,BX - copia para AX o conteúdo de BX
MOV AX,(BX) – copia para AX o conteúdo da palavra de memória cujo endereço está contido em BX
CX - Registrador contador – Além de realizar muitas outras tarefas, é usado em especial para conter contadores para laços. Ele é automaticamente decrementado na instrução LOOP, e os laços costumam ser encerrados quando CX chega a zero.
DX - Registradores de dados – É usado junto com AX em instruções de comprimento de palavras dupla (32 bits) – Nesse caso DX contém os16 bits de ordem alta e AX possui os 16 bits de ordem baixa
Memória Cachê
usam tecnologias para aumentar a capacidade e não a velocidade, portanto parece que os problemas estão ficando cada vez maiores.
Cada vez que CPU emite uma requisição a memória, ela não obterá a palavra de que necessita por muitos ciclos de CPU. Quanto mais lenta a memória mais ciclos a CPU terá de esperar.
Até pode-se construir memórias tão rápidas quanto aos processadores, porém elas teriam que ser colocadas dentro do encapsulamento do CPU, o que inviabiliza a sua produção em termos de custos e de tamanho, pois a CPU teria que ser aumentada de tamanho.
A ideia básica de uma cache é simples: As palavras de memória usada mais frequência são mantidas na cache.
Quando a CPU precisa de uma palavra ela examina em primeiro lugar a cache. Somente se a palavra não estiver ali é que ela recorre à memória principal. Se uma fração substancial das palavras estiver na cache o tempo médio de acesso pode ser muito reduzido.
Os processadores modernos exigem muito de um sistema de memória, tanto em termos de latência (atraso na entrega de um operando) quanto na largura de banda (quantidade de dados fornecida por unidade de tempo). As técnicas usadas para aumentar a largura de banda também aumentam a largura de banda.
Uma das técnicas mais efetivas para melhorar Atualmente as CPU’s contam com 03 níveis de cache
L1 – Dados/Instruções L2 – 256KB – Intel
L3 – até 32MB – (Linha Itanium da Intel)
MEMÓRIA PRINCIPAL
Memória RAM – Memória de Acesso Aleatório
Memória é um tipo de memória que permite a leitura e a escrita, utilizada como memória primária em sistemas eletrônicos digitais. A RAM é um componente essencial não apenas nos computadores pessoais, mas em qualquer tipo de computador, pois é onde basicamente ficam armazenados os programas básicos operacionais enquanto o sistema computacional estiver ligado.
Por mais que exista espaço de armazenamento disponível, na forma de um HDD ou memória flash, é sempre necessária uma certa quantidade de RAM e, naturalmente, quanto mais memória, melhor o desempenho, uma vez que os programas tendem a se desenvolver com o passar do tempo e da pesquisa científica.
O termo acesso aleatório identifica a capacidade de acesso a qualquer posição e em qualquer momento, por oposição ao acesso sequencial, como nos dispositivos de armazenamento, como fitas magnéticas.
A memória RAM é uma memória volátil, isto é, todo o seu conteúdo é perdido quando a alimentação da memória é desligada.
Atualmente velocidade das memórias já chegam a 3.000MHz em alguns modelos DDR4 da Kingston, isso daria uma taxa de transferência de dados(largura de banda) de 24.000MB/s. Para fazer o calculo: basta pegar a velocidade do barramento e multiplicar por 8 bits de dados.
Logo:
Largura de banda = Velocidade do Barramento * 8 bits Largura de banda = 3.000 * 8 = 24.000MB/s
PC4-24000 – 3.000MHZ é a forma como o fabricante especifica a memória, essas informações podem ser extraídas sem fazer cálculos: pois basta pegar termo PC4-24000 fornecido pelo fabricante, tirar o a numeração após as letras do padrão da memória PC4, logo o termo 24000 significa a largura de banda da memória.
MEMÓRIA SECUNDÁRIA
Discos Rígidos
Disco Rígido ou Disco Duro, também chamado de HD (derivação de HDD do inglês hard disk drive) ou winchester (termo em desuso, porém muitos ainda usam esse termo), "memória de massa" ou ainda de "memória secundária".
O disco rígido é uma memória não-volátil, ou seja, as informações não são perdidas quando o computador é desligado, sendo considerado o principal meio de armazenamento de dados em massa. Por ser uma memória não-volátil, é um sistema necessário para se ter um meio de executar novamente programas e carregar arquivos contendo os dados inseridos anteriormente quando ligamos o computador.
Os discos rígidos representam um papel muito importante nos sistemas computacionais, pois, são eles os responsáveis pelo armazenamento de dados em praticamente todo tipo de sistema de computacional. Por ser um dispositivo que pode armazenar grandes quantidades de dados, hoje na casa dos Terabytes de dados em apenas um dispositivo, isso o torna essencial o seu uso não só pela capacidade de armazenamento, mas também pelo custo e facilidade de recuperação da informação (permite ler/escrever simultaneamente de dados).
Nos sistemas operativos mais recentes, ele é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de memória virtual.
Existem vários tipos de interfaces para discos rígidos diferentes:
SSD – 500MB/s SCSI – 600MB/s SAS – 6Gigabit/s
FibreChannel – 4Gigabit/s
As interfaces IDE, SATA, SSD são interfaces padrão de PC’s e Notebooks, embora o padrão IDE já deu lugar ao SATA e SSD.
As interfaces SCSI, SAS, Fibre Channel, são interfaces usadas em maquinas como servidores de redes e storage (subsistemas de discos que implementam RAID).
O disco rígido é dividido em trilhas, setores (512bytes), cilindros.
A capacidade do disco é conhecida através das informações CHS (Cylinder-Head-Sector). o cálculo da capacidade do hd é bastante simples, pois basta efetuar o produto da quantidade de cilindros, cabeças, setores existentes no disco rígido, feito isso basta multiplicar o resultado obtido por 512. que é justamente o tamanho de cada setor do disco rígido. para finalizar, deve ser feita a conversão do resultado, que está em bytes para gb, que é a unidade comumente utilizada para expressar a capacidade de hds.
Exemplo:
Um hd de 80 gb apresenta 39419 cylinder (cilindros), 16 heads (cabeças) e 255 sectors (setores). dispondo destes dados, basta apenas realizar o produto entre a quantidade desses componentes, em seguida multiplicar o resultado por 512. que é justamente o tamanho de dados existente em cada setor, feito isso o resultado será: 39419 x 16 x 255 x 512 = 8,233 x 10¹º bytes = 80.400.480 kb = 78.516.093mb = 76,67 gb. conclui-se com isso, que a capacidade “real” do hd é 76,67 gb e não 80 gb como anunciado pelo fabricante.
(A) Trilha
(B) Setor geométrico (C) Setor de trilha (D) Unidade de alocação
É o eletroimã que organiza as informações quando estão sendo gravados dados no disco, a cabeça utiliza seu campo magnético para organizar as moléculas de óxido de ferro da superfície de gravação, fazendo com que os pólos positivos das moléculas fiquem alinhados com o pólo negativo da cabeça e, conseqüentemente, com que os pólos negativos das moléculas fiquem alinhados com o pólo positivo da cabeça.
SUBSISTEMA DE DISCO
Redundant Array of Independent Disks, ou ainda em português: Conjunto Redundante de Discos Independentes, é um meio de se criar um subsistema de armazenamento composto por vários discos individuais, com a finalidade de ganhar segurança e desempenho nos sistemas computacionais.
Um sistema em RAID seria dois ou mais discos (discos rígidos ou até mesmo SSD) trabalhando simultaneamente para um mesmo fim, oferecendo segurança e confiabilidade na adição de redundância e evitar falhas dos discos, o RAID não protege contra falhas de energia ou erros de operação. Falhas de energia, código errado de núcleo ou erros operacionais podem danificar os dados de forma irrecuperável.
Ganho de desempenho no acesso de disco, pois os discos vão ser acessados simultaneamente, sendo as informações distribuídas entre os discos que compõem o sistema RAID.
Redundância em caso de falha em um dos discos do sistema RAID, isso dependo do tipo de RAID implementado:
o Ex. RAID 1 – espelhamento. o Ex. RAID 5 – paridade de dados Uso múltiplo de várias unidades de discos
Facilidade em recuperação de conteúdo perdido por motivos de falhas em hardware, porém depende do tipo de falha.
o RAID 0 – na falha de um disco, perde-se as informações. Aumento de Segurança, o que evita a perda da informação.
o RAID 1 – espelhamento, os dados são duplicados nos discos espelhados.
Transparência nas aplicações mediante falhas, pois as aplicações podem continuar funcionando sem interrupção caso algum disco do sistema RAID venha falhar, porém isso depende do tipo de implementação.
o RAID 5 e RAID 6 – os discos podem ser trocados com as aplicações rodando.
Facilidade na troca de unidades de discos que ocorreu falha, nessa situação a troca pode ser feita com o equipamento funcionando e seus dados recuperados na unidade nova sem ter que parar as aplicações.
o RAID 5 e RAID 6 – os discos podem ser trocados com as aplicações rodando.
Em resumo o subsistema de disco RAID, é uma forma de ganhar espaço em armazenamento, segurança e desempenho, pois os discos individuais não possuem taxas de transferências de dados elevadas comparadas as memórias e processador, essa baixa taxa tornam os discos rígido um ponto crítico no desempenho das aplicações, utilizando a tecnologia RAID (normalmente usado para servidores de aplicações comerciais, mas pode ser usado por usuário doméstico) pode-se criar volumes de dados capazes de taxas de transferências “próximos” aos níveis de processador e memórias.
Ex:
Os discos SAS atuais possuem uma taxa de 600MB/s (6 Gbps). (já tem projetos para 1,2GB/s que fica pouco atrás das taxas de memórias PC3-12800)
Módulo de memória PC3-12800 tem uma taxa de transferência de 12.800 MB/s (1,28GB/s) Um processador i7-4960X – Extreme pode acessar uma memória a 59.7GB/s
Em um sistema onde usando:
08 módulos de memórias em dual channel – teria uma taxa de 9,6 GB/s Intel i7-4960X
Veja que o processador pode acessar um dado na memória 6x mais rápido que uma memória consegue atender essa demanda, e 5 x mais rápido que no disco rígido, mesmo assim fica bem ocioso. Nesse senário, os custos se elevam pois altera-se memória e disco e permanece processador, sendo que os preços de memória e discos tornam-se superiores aos do processador.
Tipos de RAID
ZERO: Melhor desempenho, mas sem segurança
Tipo 1 - Espelhamento
Tipo 5 –
BARRAMENTO
Barramento é um conjunto de linhas de comunicação (fios elétricos condutores em paralelo) que permitem a interligação entre dispositivos de um sistema de computação, como: CPU; Memória Principal; HD e outros periféricos. O desempenho do barramento é medido pela sua largura de banda (quantidade de bits que podem ser transmitidos ao mesmo tempo), geralmente potências de dois:
8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc.
Também pela velocidade da transmissão medida em bps (bits por segundo) por exemplo:
10 bps, 160 Kbps, 100 Mbps, 1 Gbps etc.
Existem 3 funções do Barramento:
Comunicação de Endereços (Address Bus) : função de indicar endereço de memória dos dados que o processador deve retirar ou enviar. Tipo unidirecional;
Comunicação de Controle (Control Bus): função que controla as ações dos barramentos anteriores. Controla solicitações e confirmações. Tipo bidirecional.
Tipos de Barramentos:
Barramento DMA - Acesso direto a memória
O DMA permite que certos dispositivos de hardware num computador acessem a memória do sistema para leitura e escrita independentemente da CPU. Muitos sistemas utilizam DMA, incluindo controladores de disco, placas gráficas, de rede ou de som. Usado também para transferência de dados em processadores onde seu controlador de memória é local, ou seja, na CPU.
Barramentos ISA
ISA (acrónimo para Industry Standard Architecture), é um barramento para computadores, padronizado em 1981, inicialmente utilizando 8 bits para a comunicação, e posteriormente adaptado para 16 bits.
Atualmente não se implementa mais nos computadores por ser um barramento lento e de dificil configuração por parte dos dispositivos.
PCI - Peripheral Component Interconnect
O Peripheral Component Interconnect — Interconector de Componentes Periféricos é um barramento criado pela Intel em 1992 para conectar periféricos em computadores baseados na arquitetura IBM PC, em substituição do barramento ISA.
A primeira versão chegava a taxa:
Barramento de 32 bits / 33Mhz - taxa de 132MB/s Barramento de 64 bits / 33Mhz – taxas 264MB/s Barramento de 64 bits / 66Mhz – taxas 528MB/s
PCI Express
PCI Express é um barramento ponto a ponto, onde cada periférico possui um canal exclusivo e bidirecional de comunicação com o chipset. Isto contrasta fortemente com o padrão PCI, que é um barramento em que todos os dispositivos compartilham a mesma comunicação, de 32 bits (ou 64 bits), num caminho paralelo.
Atualmente as taxas de transferências do PCI Express 16x são de 4 GB/s (250 MB/s multiplicado por 16x) em cada sentido.
Universal Serial BUS – Barramento Serial Universal
É um tipo de barramento que permite ligar qualquer periférico ao computador sem a necessidade de desligar o computador.
Ligar periféricos mais antigos nos computadores dependiam de desligar o computador e trocar jumper de interrupções IRQ’s, o que dificultava a vida dos profissionais de TI.
facilitam a vida dos profissionais TI e usuários de computadores, pois já são auto configuráveis (independem de configurar jumper e IRQ’s) pois o sistemas operacionais modernos já fazem isso automaticamente, dependendo em alguns casos do driver de dispositivos do fabricante, para que esse opere corretamente com o sistema operacional.
Atualmente as taxas de transferências de dados dos dispositivos USB variam conforme a sua versão:
1.1- 12 MB/s 2.0 – 480MB/s 3.0 625 MB/s
Barramento FSB (Veja o FSB abaixo na imagem do chipset.)
O barramento frontal (Front Side Bus ou FSB em inglês) é o barramento de transferência de dados que transporta informação entre a UCP e o northbridge da placa-mãe. O barramento frontal funciona como uma conexão entre a CPU e o restante do hardware através do chipset.
A largura de banda ou throughput teórico máximo do barramento frontal é determinado pelo produto da largura da via de dados, frequência de clock (ciclos por segundo) e a quantidade de transferências de dados realizadas por ciclo do clock.
Por exemplo, um FSB com largura de 32 bits (4 bytes) operando a uma frequência de 100 MHz e que realize 4 transferências por ciclo, possui uma largura de banda de 1600 megabytes por segundo (MB/s).
Barramento QPI
O QPI não necessariamente é um barramento, mas sim uma conexão de alta velocidade construída como um link ponto a ponto no qual os dados são enviados paralelamente por múltiplos caminhos em pacotes quebrados em transferências paralelas. Para interconectar dois dispositivos é necessário usar um par de links QuickPath, permitindo assim que os dispositivos transmitam e recebam dados simultaneamente.
Esquema do QPI
DMI - Direct Media Interface
Direct Media Interface – Lançada 2004 a Interface de Midia Direta é o elo entre a ponte norte e ponte sul em uma placa-mãe do computador. A implementação original dispõe de 10 Gbit/s cada direção (usando um link × 4).
DMI 2.0, lançado em 2011, dobra a taxa de transferência de até 20 Gbit / s com um link × 4. Ele é usado para ligar uma CPU Intel com o Intel Platform Controller Hub (PCH), que substitui o histórico northbridge/southbridge.
DMI 3.0, prometendo velocidades de até 8 GT/s por linha, será usado por variantes de dois chips de microprocessadores Intel próximos Skylake, que serão utilizados em conjunto com a Intel 100 chipsets da série; algumas variantes de Skylake terá a PCH integrado para o dado de forma eficaz após um (SoC).
Esquema do DMI HyperTransport
Esquema do HyperTransport
Chips de E/S – Chipset (NorthBridge, SouthBridge)
Um chipset é um grupo de circuitos integrados ou chips, que são projetados para trabalhar em conjunto e que são geralmente comercializados como um produto único.
O chipset é um dos principais componentes lógicos de uma placa-mãe, dividindo-se entre "ponte norte" (northbridge, controlador de memória, alta velocidade) e "ponte sul" (southbridge, controlador de periféricos, baixa velocidade).
A ponte norte faz a comunicação do processador com as memórias, e em outros casos com os barramentos de alta velocidade AGP e PCI Express. Já a ponte sul, abriga os controladores de HDs (ATA/IDE e SATA), portas USB, paralela, PS/2, serial, os barramentos PCI e ISA, que já não são usados mais em placas-mãe modernas.
Comunicação entre CPU e Memória Principal
O controlador de memória é parte do chipset que se encarrega de governar o fluxo de informação entre a memória e o processador.
Quando o CPU precisa de informação da memória, ele envia um pedido que é tratado pelo controlador de memória. O controlador de memória, por sua vez envia o pedido para a memória e "avisa" o CPU quando a informação está pronta para ser lida. Todo este ciclo, desde o CPU até ao controlador de memória e deste até à memória e de volta ao CPU passando novamente pelo controlador de memória, pode variar conforme a velocidade da memória e a velocidade do BUS.
Atualmente nos processadores mais novos já contam com um o controlador de memória encontra-se na CPU.
Esquema do DMA – (veja a definição em barramentos)
O acesso aos periféricos da máquina é feito através dos chipsets mais especificamente as NorthBridge, SouthBridge.
As taxas de transferências dependem dos barramentos de comunicação entre os periféricos de alta velocidade e baixa velocidade os quais são gerenciados pela ponte norte e ponte sul respectivamente.
Clock / Multiplicador
Existe uma velocidade em que a placa mãe opera em conjunto com o processador chamada de barramento: esta velocidade varia de processador para processador, podendo ser de 66 Mhz, 100Mhz, 200Mhz. Além dessa velocidade há o multiplicador de clock (que surgiu na época do 486), que é uma tecnologia na qual a placa mãe e os demais dispositivos trabalham com uma velocidade inferior à velocidade dos processadores, sendo que somente o processador trabalhará com uma velocidade nominal.
Exemplo: O processador I7-870 possui um barramento de 133 Mhz e seu multiplicador de clock é de 22x, ele passa a operar a 2,93Ghz. Desta maneira ele opera a 2.93Ghz – mas ele se comunica com os demais componentes a 133Mhz.
