Organização de Computadores - Aula 6

Memória

 Tipos de Nomenclatura

 A memória principal dos computadores modernos é fabricada com tecnologia de semicondutores, o que lhes permite elevada velocidade de acesso e transferência de bits, já que são circuitos apenas elétricos em funcionamento.  A velocidade de propagação de um sinal elétrico e nominalmente a velocidade

da luz (300.000 km/s).

 Ou seja, para que um programa seja executado, é necessário que suas instruções e os dados por elas manipulados estejam armazenados, na memoria principal (MP). Este programa e dados estão normalmente armazenados de forma permanente na memoria secundaria.

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 Tipos de Nomenclatura

 A MP dos microcomputadores é popularmente denominada memoria RAM ou simplesmente RAM. O termo é uma sigla das palavras inglesas Random Access Memory, cuja tradução é Memoria de Acesso Aleatório (ou randômico).

 As memorias RAM são construídas com tecnologia que lhes garante tempos de acesso na faixa dos nanossegundos ou (0,000000001 de segundo), tendo uma característica única e marcante: o tempo de acesso a qualquer de suas células é igual, independente da localização física da célula.

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 Tipos de Nomenclatura

 A tecnologia RAM tem variações, que foram evoluindo com o tempo, as quais redundaram em vários diferentes tipos de memoria.

 Estes tipos podem ser primeiramente grupados em duas vertentes: a SRAM (Static RAM) ou RAM estática e DRAM (Dynamic RAM) ou RAM dinâmica.

 O primeiro tipo, mais rápido e de custo mais elevado, costuma ser utilizado na construção das memorias cache, e o outro tipo, DRAM, e aquele usado genericamente nas memorias principais tradicionais. Ambos os tipos, no entanto, são voláteis.

Memória

 Tipos de Nomenclatura

 Temos duas características nas memórias RAM que devem ser destacadas:

 Memorias que servem para que seus conteúdos sejam lidos ou escritos (memorias L/E), denominadas em ingles R/W memory, e

 Memorias em que os programas aplicativos podem apenas ler seu conteúdo, não lhes sendo permitido gravar em suas células, as memorias do tipo ROM (Read Only Memory ou memoria somente para leitura). Estas tem uma notável particularidade que é o fato de não serem voláteis, como as memorias L/E.

Memória

 Tipos de Nomenclatura

 Se uma memoria é de acesso aleatório (RAM) para leitura, invariavelmente também o será para realizar ciclos de escrita.

 Assim, as memorias do tipo RAM, que permitem leitura/escrita (R/W), são usadas como memoria principal (MP), e este termo (RAM) passou a ser tão comum que se confundiu com o próprio nome da memoria (comumente se usa no comercio e na indústria o termo RAM quando se refere a MP, assim como falamos, em geral, gilete (de Gillette nome do fabricante) por lamina de barbear).



 O use do termo RAM para definir a memoria principal de trabalho, onde nossos programas e aplicativos são armazenados, é incorreto.

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 Tipos de Nomenclatura

 Uma vez que o processador nada executa sem que haja uma instrução especificando o que será executado, é obvio que ele deve possuir uma certa quantidade de memoria não-volátil para armazenar as instruções iniciais. Isto é, um local onde estejam permanentemente armazenada instruções que automaticamente iniciam a operação e a inicialização do sistema, tão logo a alimentação elétrica seja ligada.

 Em microcomputadores costuma-se chamar de programa bootstrap, ou simplesmente boot enquanto outros fabricantes chamam IPL (Initial Program Load (Carregamento do Prograrna Inicial), entre outros nomes.

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 Tipos de Nomenclatura

 Esse tipo de memoria (ainda de semicondutores e, portanto, RAM), além de ter que ser não-volátil (para não haver a perda do programa de boot), também não deve permitir que haja eliminações acidentais.

 Trata-se de um programa que deve estar permanentemente armazenado e não sofrer alterações por parte de nenhum outro programa.

 Chamam-se estas memorias de ROM Read Only Memory (memorias somente para leitura).

Memória

 Tipos de Nomenclatura

 No entanto, o tempo de acesso em memorias ROM também é constante, independentemente da localização física da célula e, por conseguinte, elas também são memorias RAM, porém o mercado incorreu no engano de chamar de RAM apenas as memorias R/W leitura/escrita, talvez para claramente diferencia-las do outro tipo, ROM (somente para leitura), já que as siglas são bem parecidas.

Memória

 Memórias ROM

 Memorias ROM são também memorias de semicondutores fabricadas para atingir três objetivos:

a) ter desempenho semelhante ao das memorias R/W de

semicondutores; b) não ser volátil;

c) ter segurança, permitir apenas leitura de seu conteúdo por

Memória

 Memórias ROM

 Todo sistema de computação utiliza uma parte do espaço de endereçamento da memoria principal com memórias do tipo ROM. Os microcomputadores do tipo PC, por exemplo, vem da fabrica com um conjunto de rotinas básicas do sistema operacional armazenadas em ROM, denominadas em conjunto de "BIOS” Basic Input Output System", ou Sistema Básico de Entrada e Saída

 Outra aplicação importante das ROM é o armazenamento de micro programas em memoria de controle (ROM). Como também em sistemas de controle de processos, como sistemas de injeção eletrônica de automóveis, fornos de micro-ondas e outros eletrodomésticos controlados por computadores, assim como em jogos eletrônicos (video games).

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 Memórias ROM

 O primeiro e original tipo e a chamada memoria ROM pura (usamos este nome "pura" para diferenciar de outros tipos de ROM, que é também conhecida tecnicamente como "programada por mascara" (mask programmed), devido ao processo de fabricação e escrita dos bits na memoria.

 Nessa ROM pura, o conjunto de bits (programa especificado pelo usuário) é inserido no interior dos elementos da pastilha durante o processo de fabricação.

 Após o término da fabricação, a pastilha ROM esta completa, com o programa armazenado, e nada poderia alterar o valor de qualquer de seus bits.

Memória

 Memórias ROM

 Esse tipo de memória é relativamente barato se fabricado em grandes quantidades, porque, nesse caso, o custo da fabricação da mascara de programa é diluído para cada pastilha. No entanto, ha certas desvantagens:

a) Não há possibilidade para recuperação de qualquer erro eventual no programa.

b) O custo (que não é pequeno) da criação da mascara para inserção dos bits é o mesmo, seja para fabricar uma pastilha ou milhares delas.

Memória

 Memórias ROM

• Para atenuar a problema do custo fixo da mascara (matriz), desenvolveu-se uma variação daquele tipo de memoria ROM pura, denominada PROM

(Programmable Read Only Memory) - ROM programável.

Na realidade, não se trata propriamente de ser programável, porque não é possível a reutilização da PROM.

• Nela, somente é possível gravar as bits desejados uma única vez, porem com

a diferença de que a gravação dos bits é posterior a fase de fabricação da pastilha, embora deva ser realizada por dispositivo especial.

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 Memórias ROM

 Uma PROM é, então, fabricada "virgem" (sem qualquer bit armazenado) e depois, seja pelo usuário, seja pelo fabricante do programa ocorre a etapa de gravação da informação.

 Apos o termino da gravação, também não é possível efetuar qualquer alteração.

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 Memórias ROM

 Uma ponderável diferença entre ROM e PROM reside no seu custo individual.  Como já mencionado, as ROM só se tornam atraentes se fabricadas em grande

quantidade, pois, neste caso, o custo fixo da matriz é dividido por uma grande quantidade de copias.

 Para menores quantidades, a PROM se torna mais conveniente devido ao menor custo individual, o qual independe da quantidade.

Memória

 Memórias ROM

 Posteriormente foram desenvolvidos outros dois tipos de ROM, as quais possuem uma particularidade interessante. Desde que se mantenham somente para leitura (ROM) de programas aplicativos, durante uma execução normal, elas podem ser regravadas, sendo portanto reutilizáveis. São elas:

a) EPROM (Erasable PROM) - PROM apagável, - EEPROM

(Electrically ou Electronically EPROM) ou EPROM eletrônica, também chamada EAROM (Electrically Alterable ROM)

b) Memoria Flash ou Flash-ROM. São memórias eletrônicas uteis para armazenamento rápido e fácil de dados em equipamentos como cameras digitais, videogames, etc....

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 Memórias ROM

 O outro tipo, EEPROM ou EAROM, desenvolvido posteriormente, introduziu uma característica mais versátil e pratica no processo de reutilização das ROM:

a) a programação (escrita dos bits), o apagamento e a reprogramação são

efetuados através de controle da UCP, isto e, por software. Uma grande vantagem desse tipo de memoria é o fato de as operações poderem ser realizadas especificamente sobre um byte ou bytes determinados.

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 Memórias CACHE

 Parte do problema de limitação de velocidade do processador, refere-se a diferença de velocidade entre o ciclo de tempo da UCP e o ciclo de tempo da memoria principal.

 Ou seja, a MP transfere bits para a UCP em velocidades sempre inferiores as que a UCP pode receber e operar os dados, o que acarreta, muitas vezes, na necessidade de acrescentar-se um tempo de espera para a UCP (wait state estado de espera).

 Se o processador (UCP) precisa esperar pelos bits enviados da MP, isso se faz em períodos fixos de tempo, um estado de relógio.

 Apesar da tecnologia para aumentar a velocidade das MP ser bem conhecida, fazer isso neste momento penalizaria consideravelmente o sistema em custo, pois memorias rápidas são muito caras, como é o caso das memorias SRAM.

Memória

 Memórias CACHE

 Basicamente e de modo simplista, podemos definir o conceito de localidade como o fenômeno relacionado com o modo pelo qual os programas em media são escritos e executados pela UCP. Pesquisas e amostragens realizadas por diversos cientistas concluíram que a execução dos programas se realiza, na media, em pequenos grupos de instruções.

 Assim, os programas não são executados de modo que a MP seja acessada randomicamente, como seu nome sugere (RAM).

Memória

 Memórias CACHE

 Se um programa acessa uma palavra da memoria, ha uma boa probabilidade de que ele em breve acesse a mesma palavra novamente. Este é o principio da localidade temporal.

 E se ele acessa uma palavra de memória, há uma boa probabilidade de que o programa acesse proximamente uma palavra subsequente ou de endereço adjacente aquela palavra que ele acabou de acessar. É o principio da localidade espacial.

 Ou seja, o programa não salta indiscriminadamente da primeira instrução para uma no meio do programa, depois para outra no final, retornando para o início etc.

 Assim, seria uma boa ideia tirar vantagem daqueles princípios de localidade, colocando a parte repetitiva de um pedaço do programa em uma memoria

Memória

 Memórias CACHE

 Como aproveitar, então, os princípios da localidade?

 Este elemento de memoria, denominado memoria cache, deve possuir elevada velocidade de transferência e um tamanho capaz de armazenar partes de um programa, suficientemente grandes para obter o máximo rendimento dos princípios da localidade é suficientemente pequenas para no elevar do excesso custo do sistema de computação.

Memória

 Memórias CACHE

 Com a inclusão da memoria cache podemos enumerar, de modo simplista, o funcionamento do sistema:

 Sempre que a UCP vai buscar uma nova instrução (ou dado), apos a busca inicial, ela acessa a memoria cache.

 Se a instrução (ou dado) estiver na cache, chama-se de acerto (ou hit), ela é transferida em alta velocidade (compatível com a da UCP).

 Se a instrução (ou dado) não estiver na cache, chama-se de falta (ou miss), então o sistema está programado para interromper a execução do programa e transferir a instrução desejada da MP para a cache. Só que essa transferência não é somente da instrução desejada, mas dela e de um grupo subsequente, na pressuposição de que as instruções do grupo serão requeridas pela UCP em seguida (principio

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 Memórias CACHE

 Varia a unidade de transferência nos dois casos: palavra por palavra, no caso da UCP / cache, e bloco a bloco de palavras, quando for transferência cache / MP.

 Para haver realmente algum aumento de desempenho de um sistema de computação, com a inclusão da memória cache, é necessário que haja muito mais acertos do que faltas.

 Isto é, a memória cache somente é produtiva se a UCP puder encontrar uma grande quantidade de palavras na cache.

 A taxa de acertos (hits) mais comum varia entre 80% e 99%, isto é, na pior das hipóteses em cerca de 80% das vezes em que a UCP procura uma instrução ou dado , ela encontra na memória cache.