HierarquiaMemoria - Professor Carlos Mauricio

Apresentao do PowerPoint

Hierarquia de Memria

Funo

Armazenar dados e programas que sero utilizados pelo processador

Memria de Trabalho (dados e instrues)

Memria permanente (Arquivos de dados e programas)

Motivao

O subsistema de memria constitudo de vrios componentes (tipos de memria) interligados e integrados para atender o processador

So necessrios vrios tipos de memria devido :

Velocidade crescente do processador

Exemplo: O processador manipula um dado em 5ns e a memria pode transferir um dado para o processador em 60ns, o que pode resultar em ineficincia.

Necessidade de aumentar a capacidade de armazenamento de informaes

Motivao

O avano tecnolgico na construo de processadores e memrias no tem sido uniforme.

A quantidade de instrues executadas por segundo tem dobrado a cada 18 meses para o mesmo preo Lei de Moore

A velocidade de acesso das memrias tem aumentado 10% ao ano, embora sua capacidade de armazenamento venha quadruplicando a cada 36 meses, para o mesmo preo

Motivao

Problema: Um nico tipo de memria com elevada velocidade e grande capacidade possui um custo altssimo

Soluo: Conjunto de memrias com diferentes caractersticas

Subsistema de Memria

Registradores

Memria cache

Memria principal

Memria secundria

Custo altoVelocidade altaBaixa capacidade

Custo baixoVelocidade baixaCapacidade elevada


Memrias menores e mais rpidas prximas ao processador.

Memrias maiores e de maior tempo de acesso em outros nveis da hierarquia.


Nveis de memria com tamanhos e velocidades diferentes:

Memrias mais rpidas -> Mais caras e menores

Memrias mais lentas -> Mais baratas

Tecnologias principais:

Cache, RAM (Principal) e HDs (Secundria)


Objetivo: alta capacidade e velocidade

Nveis prximos ao processador:

Memrias mais rpidas

Subconjunto dos nveis mais afastados

Nveis mais baixos:

Memrias mais lentas

Maiores capacidades

Parmetros Utilizados para Comparar os Tipos de Memria

Tempo de acesso: tempo que a memria gasta para colocar uma informao no barramento de dados aps uma determinada posio ter sido endereada

O tempo de acesso das memrias eletrnicas o mesmo para dois acessos consecutivos

Nas memrias eletromecnicas, o tempo de acesso varia conforme a distncia fsica entre dois acessos consecutivos


Localizao:

Registradores: Na CPU.

Memria interna ou principal:

Acessvel diretamente pela CPU.

Pode incluir um ou mais nveis de cache.

RAM

Memria externa:

Acessvel atravs de controladores de E/S.

Armazenamento de apoio (secundria).


Localizao:

Registradores: Na CPU.

Memria interna ou principal:

Acessvel diretamente pela CPU.

Pode incluir um ou mais nveis de cache.

RAM

Memria externa:

Acessvel atravs de controladores de E/S.

Armazenamento de apoio (secundria).


Capacidade: quantidade de informao que pode ser armazenada

Registrador de 32 bits

Cache de 1 Mbytes

Memria principal de 4 Gbytes

Disco de 500 Gbytes


Volatilidade:

No-voltil: retm a informao armazenada quando a energia eltrica desligada

Voltil: perde a informao armazenada quando o computador desligado

Tecnologia de fabricao:

Memrias de semicondutores: rpidas e caras (Registradores, RAM e Cache)

Memrias de meio magntico: baratas e lentas (discos e disquetes)

Memrias de meio tico: CD-ROM, CD-RW


Temporariedade: tempo de permanncia da informao em um dado tipo de memria, podendo ser permanente ou transitria

Discos magnticos X Registradores

Custo


Mtodo de acesso:

Sequencial:

Comea no incio e l em ordem.

Tempo de acesso depende da localizao dos dados e registro anterior.

Por exemplo, fita.

Direto:

Blocos individuais possuem endereo exclusivo.

Acesso direto vizinhana do registro e depois faz busca sequencial.

Tempo de acesso depende da localizao e posio anterior.

Por exemplo, disco.


Mtodo de acesso:

Aleatrio:

Endereos individuais identificam posies com exatido.

Tempo de acesso independente da localizao ou acesso anterior.

Ex: RAM.

Associativo:

Dados so localizados por uma comparao com contedo de uma parte do armazenamento.

Tempo de acesso independente do local ou acesso anterior.

Ex: cache.

Registradores

Armazenam instrues e dados por um perodo de tempo muito curto, para que o processador possa acessar na mesma velocidade em que trabalha

Tempo de acesso: 1 a 5 ns

Capacidade: armazena um nico dado (instruo ou endereo) e seu tamanho varia de 8 a 64 bits

Volatilidade: voltil

Tecnologia: igual tecnologia da CPU

Temporariedade: transitria (pouco tempo)

Custo: o mais alto de todas as memrias

Memria Cache

Pequena quantidade de memria rpida.

Comunicao entre CPU e memria principal um ponto frgil para o desempenho do sistema.

A cache mantm um subconjunto de dados da memria RAM.

A funo da cache melhorar o desempenho da mquina

Acelera a velocidade de transferncia de informaes entre CPU e memria principal;

Reduz a espera da CPU para receber dados.

Memria Cache

Funcionamento:

Quando CPU deseja acessar um endereo de memria procura na cache.

Se o contedo estiver na cache (cache hit) ele acessa em alta velocidade.

Se o contedo no estiver na cache (cache miss) ele busca na memria RAM e atualiza o cache.

Memria Cache

Princpio da Localidade:

Localidade espacial:

Os prximos endereos a serem acessados tendem a estar armazenados prximos dos endereos acessados anteriormente.

trazido para a cache mais de uma palavra por vez.

Localidade temporal:

As posies da memria, uma vez acessadas, tendem a ser acessadas novamente em um futuro prximo.

Palavras acessadas mais recentemente so mantidas na cache.

Memria Cache

Memria Cache

Algoritmos de Substituio

Quando a cache est cheia, um novo bloco precisa substituir algum presente na cache.

Least Recently Used (LRU): substitui o bloco mais tempo na cache sem ser utilizado. Mais eficaz.

First In First Out (FIFO): primeiro bloco a entrar, primeiro a sair. Implementao de uma fila em hardware.

Least Frequently Used (LFU): substitui bloco que teve menos referncias (utilizado menos vezes).

Aleatrio: No leva em conta o princpio da localidade temporal.

Memria Cache

Poltica de Escrita

Write-through

Todas as escritas vo para a memria principal e tambm para a cache.

Cada escrita na cache imediatamente atualizada na memria principal.

Muito trfego.

Atrasa as escritas.

Write-back

As escritas so feitas apenas na cache, mas ela ser escrita (se houver modificao) na memria principal quando a linha for substituda.

Bit de atualizao para slot de cache definido quando ocorre a atualizao.

Se o bloco deve ser substitudo, escreve na memria principal apenas se o bit atualizado estiver marcado.

Memria Cache

Caches Multinvel

Alta densidade lgica permite caches no chip.

Mais rpido que acesso ao barramento.

Libera barramento para outras transferncias.

Comum usar cache dentro e fora do chip.

L1 no chip, L2 fora do chip na RAM esttica.

Acesso L2 muito mais rpido que DRAM ou ROM.

L2 normalmente usa caminho de dados separado.

L2 pode agora estar no chip.

Resultando em cache L3.

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