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Organização de computadores

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Information about Organização de computadores

Published on June 1, 2016

Author: mourandersonmoura

Source: slideshare.net

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1. 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

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

3. Organização Básica de Computadores 3Org. e Arq. de Computadores ARMAZENAR (ESCRITA, WRITE) RECUPERAR (LEITURA, READ) A memória de um computador quando energizada, conterá sinais elétricos, mesmo que não seja uma informação útil. Organização Básica de Computadores Memória

4. Organização Básica de Computadores 4Org. e Arq. de 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

5. Organização Básica de Computadores 5Org. e Arq. de 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.

6. Organização Básica de Computadores 6Org. e Arq. de Computadores  Necessidade de construção de vários tipos de memória:  Velocidade das UCP ( > tempo de acesso da memória)  Capacidade de armazenamento. Hierarquia de Memória

7. Organização Básica de Computadores 7Org. e Arq. de 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

8. Organização Básica de Computadores 8Org. e Arq. de Computadores Hierarquia de Memória – Conceitos Importantes  Tempo de acesso  Capacidade  Volatilidade  Tecnologia de fabricação  Temporariedade  Custo

9. Organização Básica de Computadores 9Org. e Arq. de 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).

10. Organização Básica de Computadores 10Org. e Arq. de 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.

11. Organização Básica de Computadores 11Org. e Arq. de 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).

12. Organização Básica de Computadores 12Org. e Arq. de 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.

13. Organização Básica de Computadores 13Org. e Arq. de Computadores Tecnologias de fabricação  Memórias de semicondutores  Memórias de meio magnético  Memórias de meio óptico

14. Organização Básica de Computadores 14Org. e Arq. de 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.

15. Organização Básica de Computadores 15Org. e Arq. de 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

16. Organização Básica de Computadores 16Org. e Arq. de 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.

17. Organização Básica de Computadores 17Org. e Arq. de 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.

18. Organização Básica de Computadores 18Org. e Arq. de 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.

19. Organização Básica de Computadores 19Org. e Arq. de 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.

20. Organização Básica de Computadores 20Org. e Arq. de 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.

21. Organização Básica de Computadores 21Org. e Arq. de 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.

22. Organização Básica de Computadores 22Org. e Arq. de 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).

23. Organização Básica de Computadores 23Org. e Arq. de 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).

24. Organização Básica de Computadores 25Org. e Arq. de 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).

25. Organização Básica de Computadores 26Org. e Arq. de 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)

26. Organização Básica de Computadores 27Org. e Arq. de 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.

27. Organização Básica de Computadores 28Org. e Arq. de 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.

28. Organização Básica de Computadores 29Org. e Arq. de Computadores Hierarquia de Memória - Elementos  Registradores  Memória Cache  Memória Principal  Memória Secundária

29. Organização Básica de Computadores 30Org. e Arq. de 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).

30. Organização Básica de Computadores 31Org. e Arq. de 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.

31. Organização Básica de Computadores 32Org. e Arq. de 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.

32. Organização Básica de Computadores 33Org. e Arq. de 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.

33. Organização Básica de Computadores 34Org. e Arq. de 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.

34. Organização Básica de Computadores 35Org. e Arq. de 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.

35. Organização Básica de Computadores 36Org. e Arq. de 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.

36. Organização Básica de Computadores 37Org. e Arq. de 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.

37. Organização Básica de Computadores 38Org. e Arq. de 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).

38. Organização Básica de Computadores 39Org. e Arq. de 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.

39. Organização Básica de Computadores 40Org. e Arq. de 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

40. Organização Básica de Computadores 41Org. e Arq. de 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.

41. Organização Básica de Computadores 42Org. e Arq. de Computadores Memória Principal - Ordenação dos Bytes 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

42. Organização Básica de Computadores 43Org. e Arq. de Computadores Memória Principal - Ordenação dos Bytes 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

43. Organização Básica de Computadores 44Org. e Arq. de Computadores Memória Principal - Ordenação dos Bytes  Exemplo:

44. Organização Básica de Computadores 45Org. e Arq. de 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.

45. Organização Básica de Computadores 46Org. e Arq. de 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).

46. Organização Básica de Computadores 47Org. e Arq. de 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.

47. Organização Básica de Computadores 48Org. e Arq. de 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.

48. Organização Básica de Computadores 49Org. e Arq. de 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.

49. Organização Básica de Computadores 50Org. e Arq. de Computadores Tipos de Memória e Encapsulamento  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

50. Organização Básica de Computadores 51Org. e Arq. de Computadores Tipos de Memória e Encapsulamento  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.

51. Organização Básica de Computadores 52Org. e Arq. de Computadores Tipos de Memória e Encapsulamento  Exemplo: RIMM-Rambus In Line Memory Module. Esses módulos são padronizados pela Rambus para a utilização de memórias RDRAM.

52. Organização Básica de Computadores 53Org. e Arq. de 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.).

53. Organização Básica de Computadores 54Org. e Arq. de 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).

54. Organização Básica de Computadores 55Org. e Arq. de 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.

55. Organização Básica de Computadores 56Org. e Arq. de Computadores Tipos de Memória em uso nos computadores Processador (Cache L1 e Registradores) Cache L2 (separado) Memória principal Memória secundária

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