04 - Unidade II - Parte 3

Campus São João Del Rei

Introdução à Organização e Arquitetura de Computadores

Professor Msc. Celso Luiz de Souza

São João Del Rei

2014 / 1º semestreIntrodução à Organização e Arquitetura de Computadores

Barramento

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BarramentoPara que os dados sejam trocados entre as partes do computador (CPU, Memória e I/O) são necessários canais de comunicações entre esses dispositivos.Esses canais são chamados de barramentos.Eles são responsáveis por transportar:

– Dados– Sinais de Controle– Endereços

Os barramentos são constituídos de condutores elétricos organizados de forma paralela. Estes condutores são linhas de metal impressas em um cartão ou placa.

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Barramento

CPU (ALU, Registrador e controle)

Memória Entrada / Saída (E/S)

Canal Dados

Canal Endereço

Canal ControleSist

ema

co

mun

ica

ção

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BarramentoÉ utilizado pra transferir dados entre os módulos do sistema.

Normalmente, este barramento contém a quantidade de linhas(largura do barramento) conforme o processador (16 bits, 32 bits,64 bits). Sendo que para cada bit a ser transmitidos temos umalinha do barramento, ou seja, se o processador é 64 bits, obarramento de dados têm 64 linhas.

O desempenho do sistema sofre forte influência da largura dobarramento de dados. Por exemplo, se o barramento de dadostiver 8 bits de largura e cada instrução tiver tamanho igual a 16bits, o processador precisará acessar 2 vezes o módulo dememória em cada ciclo de instrução.

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BarramentoÉ utilizado para designar a origem ou destino dos dados que estão sendo transferidos pelo barramento de dados.

Exemplo: em qual posição de memória um dado será lido/escrito ou para qual dispositivo de I/O o dado deve ser enviado.

A largura do barramento de endereços determina a capacidade máxima da memória.

Exemplo: suponha que o barramento de endereço é de 24 bits, dos quais 16 bits são utilizados para representar um endereço de memória. Os endereços da memória principal são representados com 16 bits e, logo, posso endereçar 216 posições de memória diferentes com este tamanho de endereço.

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BarramentoAs linhas de controle são fundamentais no sistema computacional, pois controlam o acesso e a utilização das linhas de dados e de endereços pelos componentes do sistema.

Os sinais de controle podem ser destinados a emitir comandos e também informações de temporização (clock).

Os sinais de comandos são enviados para especificar o tipo de operação que será executada (escrita e leitura na memória, escrita e leitura em porta de E/S, requisição e concessão do barramento, interrupção, etc).

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BarramentoO barramento opera da seguinte forma:

Quando um módulo deseja enviar dados para outro módulo, ele deve:

1. obter o controle do barramento,2. transferir os dados por meio do mesmo,

Quando um módulo deseja requisitar dados de outro módulo, ele deve:

1. obter o controle do barramento,2. transferir uma requisição para o outro módulo por meio

das linhas de endereço e de controle apropriadas. Feito isso ele deve aguardar que os dados sejam enviados.

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BarramentoO barramento deve permitir os seguintes fluxos de transferências de informações:1. memória para o processador: instruções ou dados.2. processador para a memória: dados.3. E/S para o processador: dados de um dispositivo de E/S são lidos pela CPU através de um módulo de E/S.4. processador para E/S: dados são enviados para um dispositivo de E/S.5. transferência entre um dispositivo de E/S e memória: DMA (Acesso Direto à Memória).

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Memória

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MemóriaPodemos definir como um local para o armazenamento de dados onde as duas únicas ações possíveis são a leitura e a escrita.

O dado pode ser representada pelo bit ou por um conjunto de n bits que possuem um endereço definido.

O sistema computacional, temosdiferentes tipos de memórias, com

diferentes finalidades, que seinterligam de forma estruturada e que

formam o subsistema de memória.

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MemóriaCaracterísticas importantes são: Tempo de acesso (leitura); Ciclo de memória; Capacidade de armazenamento; Volatilidade; Tecnologia de fabricação; Temporariedade; e Custo.

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Memória Tempo de acesso (leitura);Indica quanto tempo é necessário para que a memória realize uma operação de leitura, ou seja, quanto tempo leva para o dado ser transportado da célula de memória para o barramento de dados após uma dada posição ter sido endereçada.

Este tempo é expresso em:ms (milissegundos = 10-3)μs (microssegundos = 10-6)ns (nanossegundos = 10-9)

Forma de medir quanto tempo a ação “varredura da próxima instrução na memória”

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Memória Tempo de acesso (leitura);Nas memórias eletrônicas (RAM, ROM, etc), o tempo de acesso é igual, independentemente da distância física entre o local de um acesso e o local do próximo acesso.

O mesmo não ocorre nos dispositivos eletromecânicos (HD,DVD, etc).

Para ler uma posição do disco, a cabeçade leitura/gravação deve ser posicionada

mecanicamente sobre outra parte do disco antes da próxima leitura. Este posicionamento é de alto

custo (lento) para um computador

Ou seja, tanto faz acessar a posição 0001 ou 1234 de memória,

o tempo de acesso é o mesmo.

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Memória Ciclo de memóriaParâmetro utilizado somente em memórias eletrônicas (RAM, etc) e que indica o tempo decorrido entre duas operações sucessivasde acesso à memória (escrita ou leitura).

Este valor tende a ser zero em memórias atuais, podendo assim o ciclo de memória ser igual ao tempo de acesso.

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Memória Capacidade de ArmazenamentoÉ a quantidade de informação que pode ser armazenada namemória.A unidade mais comum é o byte (B), embora também possam serusadas outras unidades como células (MP ou cache), setores(discos) e bits (registradores).

Unidades:-> bit-> Byte (8 bits)-> Kilo (1024 ou 210 bits)-> Mega (220 bits)-> Giga (230 bits)-> Tera (240 bits)Exemplo: 4GB de RAM (4 x 230 x Byte)

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Memória Volatilidade

Volátil: para manter os dados na memória é necessária que esta esteja sendo constantemente alimentada (energia). Ao desligar o computador perde-se todos os dados desse tipo de memória (RAM e Cache).

Não Volátil: mesmo sem ser alimentada, sem energia, a memória continua com os dados gravados (HD, DVD, etc).

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Memória Tecnologia de Fabricação

Memórias de semicondutores: São rápidas, caras e de baixacapacidade. Exemplos: registradores, cache e memória principal.

Memórias de meio magnético: É armazenado dados sob a formade campos magnéticos ou ópticos. São memórias baratas, de altacapacidade e mais lentas. Dependem de dispositivos eletro-mecânicos para funcionarem. Exemplo.: HD.

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Memória Temporariedade

Indica o tempo de permanência da informação em um dado tipo de memória:

Permanente: são memórias com capacidade de armazenar dados por longos períodos sem a necessidade de realimentação de energia. Exemplo: DVD, HD, etc.

Transitória: armazenam os dados por curto espaço de tempo e necessitam ser sempre realimentadas para manter esses dados. Exemplo: registradores, RAM.

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Memória Custo

O custo de uma memória é muito variável.

Uma boa medida de custo é verificar quanto custa um byte de memória, para aí sim comparar com o valor de um byte em outros tipos de memória.

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Memória Hierarquia de Memória

Registradores

Memória Cache

Memória principal

Memória Auxiliar

B

Mega

Giga

Tera

Topo da pirâmide, mais próximo do processador

(cache e registradores sãointernos) e a base estão os periféricos (HD, DVD, etc)

Topo baixa capacidade (poucos bits: 8, 16, 31, 64) e

a capacidade vai aumentando em direção à

base (atualmente TeraBytes).

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Memória ComparativoEm função de características como tempo de acesso,capacidade de armazenamento, custo etc., podemosestabelecer uma hierarquia de dispositivos de armazenamento emcomputadores.

Tipo Capacidade Velocidade Cuto Localização VolatilidadeRegistrador Byte Muito rápida Muito cara UCP VolátilMemória Cache Kbyte rápida cara UCP / placa VolátilMemória Principal Mbyte méida mediana Placa VolátilMemória Auxiliar Gbyte lenda baixo custo Externa Não Volátil

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Memória - OrganizaçãoA organização de uma Memória Principal

Palavra: é a unidade de informação do sistema CPU/MP que deverepresentar o valor de um número ou uma instrução de máquina.

Endereço, Conteúdo e PosiçãoA memória RAM é mapeada como um grande vetor.

As posições são endereçadas em Hexadecimal, embinário ficaria impraticável lermos esses endereços.Exemplo257A(H) -> 10010101111010(B)

1F

2C

Endereço 257A

Endereço 287A

Conteúdo

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Memória - OrganizaçãoA organização de uma Memória Principal

O conteúdo armazenado em uma posição de memória tem a suagrandeza dependente do projeto da memória. Na maioria doscasos a memória é baseada em células de 8 bits (1 Byte: valoresentre 00 e FFH) ou 16 bits.

1F

2C

Endereço 257A

Endereço 287A

Conteúdo

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Memória - OrganizaçãoUnidade de Armazenamento

Consiste no número de bits que é identificado e localizado por umendereço.

Célula é a menor unidade da memória que pode ser endereçada(não é possível buscar uma "parte" da célula) e tem um tamanhofixo (para cada arquitetura computacional).

As memórias são compostas de um determinado número decélulas ou posições. Cada célula é composta de um determinadonúmero de bits.

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Cada célula é identificada por um endereço único, pela qual éreferenciada pelo sistema e pelos programas.

As células são numeradas sequencialmente, uma a uma, de 0 a(N-1), chamado o endereço da célula.

Endereço é o localizador da célula, que permite identificarunivocamente uma célula.

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Uma célula não significa o mesmo que uma palavra; uma célulanão necessariamente contém uma palavra.

Uma palavra deve representar um dado ou uma instrução, quepoderia ser processada, armazenada ou transferida em umaúnica operação.

No entanto, em geral não é assim que acontece e oscomputadores comerciais não seguem um padrão único para aorganização da CPU e MP.Computadores comerciais podem ter o tamanho da palavradefinido como de 32 bits ou 64 bits, porém sua estrutura dememória pode ter células de 16 bits.

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Memória - OrganizaçãoUnidade de Transferência

Unidade de transferência é a quantidade de bits que é transferidada memória em uma única operação de leitura ou transferidapara a memória em uma única operação de escrita.

O tamanho da célula poderia ser igual ao da palavra, e tambémà unidade de transferência, porém por razões técnicas e de custo,são frequentemente diferentes.

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Memória - OrganizaçãoUnidade de Transferência

PROBLEMA: Imagine um sistema com célula de memória de 16 bitse palavra de 32 bits.

Solução 1 (simples mas lenta): para ler/escrever uma palavra namemória podemos utilizar dos acessos (de 16 bits).

Solução 2 (eficiente): o próprio sistema de memória acessasimultaneamente duas posições de memória para ler/escreveruma palavra.

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Memória - Capacidade

Uma memória RAM é um conjuntode N células, cada umaarmazenando um valor com M bits.

Então, a quantidade de endereçoscontida no espaço endereçável dareferida RAM é também igual a N,visto que cada conteúdo de célulaestá associado um número, que é oseu endereço

M bitsEndereço 0

Bit 0

M bitsEndereço 1

M bitsEndereço N-1M bitsEndereço N-2

Bit m-1

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Cálculos com a Capacidade de MemóriaComo 1 bit representa apenas um entre dois valores (basebinária), então podemos concluir que:

Pode-se armazenar em cada célula um valor entre 0 e (2𝑀𝑀 − 1),porém um de cada vez. São 2𝑀𝑀 combinações possíveis.

Por exemplo, se M = 8 bits, temos 28 = 256.

Seriam armazenados valores entre:00000000 (010 ou 016) e 11111111 (25510 ou 𝐹𝐹𝐹𝐹16).

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Cálculos com a Capacidade de Memória

A memória tem N endereços:

𝑁𝑁 = 2𝐸𝐸, sendo E = quantidade de bits dos números que representam cada um dos N endereços.

Exemplose N=512 (512 células), então, 512 = 2𝐸𝐸, ou E=9, pois 29 = 512.

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Cálculos com a Capacidade de Memória

O total de bits que podem ser armazenados na referida memória é T, sendo:

T = N x M ou T = 2𝐸𝐸 x M

Do exemplo anterior temos:N = 512 células, M = 8 bits, E = 9 bits, T = 4096 bitsN = 2𝐸𝐸, 512 = 29

T = N x M = 2𝐸𝐸 x M = 4096 bits = 4K bits

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Exemplo 1

Uma memória RAM tem um espaço máximo de endereçamento de 2K. Cada célula pode armazenar 16 bits. Qual o valor total de bits que podem ser armazenados nesta memória e qual o tamanho de cada endereço?

Se o espaço máximo endereçável é 2K, então N = 2K1 célula = 16 bits, logo: M = 16 bits𝑁𝑁 = 2𝐸𝐸, N = 2K = 2 x 1024 = 21 × 210 = 211

Se 𝑁𝑁 = 2𝐸𝐸 e 211, logo E = 11E = quantidade de bits de cada número que expressa um endereçamento, ou seja: os endereços de cada célula são números que têm 11 bits.T = N x M = 211 x 16 = 215 = 32Kbits

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Exercício

Uma memória RAM é fabricada com a possibilidade de armazenar um máximo de 256kbits. Cada célula pode armazenar 8 bits. Qual é o tamanho de cada endereço e qual é o total de células que podem ser utilizadas na RAM?

Apresentador

Notas de apresentação

Total de bits = T = 256K = 28.210 = 218 1 célula = 8 bits = M = 23 Sendo T = N x M, então: N = T/M = 218/23 = 215 Se N = 2E, então: 215 = 2E, E = 15 N = 215 = 25.210 = 32k

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