Aula 4 de Arquitetura de Computadores
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Aula 4 de Arquitetura de Computadores

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Prof. Jorge, ICMC-USP

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Aula 4 de Arquitetura de Computadores Presentation Transcript

  • 1. Arquitetura de Computadores
    Universidade de São Paulo
    Dr. Jorge Luiz e Silva
  • 2. Tecnologias de Hardware
    Hierarquia de Memória
  • 3. Tecnologia de Memória Hierárquica
    • Dispositivos de Memória: registradores, caches, memória principal, disco, e fitas magnéticas, são hierarquicamente organizados conforme figura a seguir.
  • 4. Parâmetros em Memórias
    • Tempo de acesso (ti): tempo de acesso da CPU até alcançar o nível i de memória.
    • 5. Tamanho de memória (si): número de bytes ou palavras do nível i.
    • 6. Custo por byte (ci): Custo do i-ésimo nível de memória é estimado por cisi.
    • 7. Bandwith (bi): Refere à taxa de transferência de dados entre dois nível de memória.
    • 8. Unidade de transferência (xi): Refere-se ao nível de granulidade de transferência de dados entre dois nível de memória.
  • Características entre os nível Hierárquicos
    • Dispositivos nos níveis mais baixos são mais velozes, menor em tamanho, mais caros por byte, com alto bandwith e usando menor unidade de transferência (granulidade fina) comparado com os níveis mais altos.
  • Registradores e Caches
    • Registradores: Partes de um processador complexo, construído no próprio processador ou em placa junto com o processador.
    • 9. Operações de transferência entre registradores são controladas pelo próprio processador, após decodificação de instrução, em um ciclo de clock.
    • 10. Caches são controlados por uma MMU (Memory Management Unit) e é transparente ao programador.
    • 11. Pode ser implementado em um ou múltiplos níveis.
  • Memória Principal
    • Usualmente muito maior que Cache e geralmente implementada com chips RAM mais baratos.
    • 12. Gerenciada também por uma MMU em cooperação com o Sistema Operacional.
    • 13. Pode ser subdividida em níveis usando diferentes tecnologias.
  • Discos e Fitas magnéticas
    • Discos e Fitas magnéticas são manuseados pelo SO com pouco intervenção.
    • 14. Disco é considerado o mais alto nível de memória on-line. Armazena programas tais como SO, compiladores, diversos programas de usuários, e seus conjuntos de dados.
    • 15. Fita magnética, são unidades de memória consideradas off-line, a ser usados como back-up. Armazenam copias de programas e resultados.
    • 16. Tabela a seguir mostra valores representativos para os vários níveis de memória.
  • 17. Conceitos de inclusão, coerência e localidade
    • Memória hierárquica satisfaz três importantes propriedades: Inclusão, Coerência, Localidade.
    • 18. Cache é considerado o nível mais interno (M1) que se comunica diretamente com os registradores da CPU.
    • 19. Os níveis mais externos Mn basicamente contém todas as informações a nível de palavras. Todo o espaço de endereço em Mn formam o espaço de endereço virtual de um computador.
  • 20. Propriedade da Inclusão
    • M1 M2 M3  ...  Mn
    • 21. Significa que todos os itens de informação estão originalmente armazenados no nível mais externo Mn.
    • 22. Durante o processamento, subconjuntos de Mn são copiados para Mn-1, e assim sucessivamente.
    • 23. Isso significa que se uma palavra é encontrada em Mi, cópias da mesma palavra devem ser encontradas nos níveis superiores Mi+1, Mi+2, ...Mn.
    • 24. Entretanto a palavra armazenada em Mi+1, pode não ser encontrada em Mi, o que significa que ela está ausente em todos os níveis inferiores Mi-1, Mi-2, ...M1. Os níveis mais altos podem ser considerados backup de memória.
  • Estrutura da informação em um Sistema de Memória Hierárquico
    • Taxa de transferência entre CPU e CACHE: palavras (4 ou 8 bytes cada dependendo da palavra de máquina).
    • 25. Mi - dividido em cacheblocks. Cada bloco possui em geral 32 bytes (8 palavras) “a e b” na figura, que são unidades de transferência de dados entre Cache e Memória Principal.
    • 26. M2 - dividido em páginas, 4Kbytes cada. Cada página com 128 blocos. Páginas são a unidade de transferência de informação entre Memória Principal e o Disco.
    • 27. Conjunto de páginas são organizadas em Segmentos no Disco, que são usado com fitas magnéticas.
  • Propriedade da Coerência
    • A propriedade da coerência requer que copias da mesma informação sejam consistentes entre os vários níveis de memória.
    • 28. Se uma palavra é modificada no Cache, copias daquela palavra devem ser atualizadas imediatamente ou de tempos em tempos nos níveis mais altos.
    • 29. Informações frequentemente utilizadas são encontradas nos níveis mais baixos minimizando o tempo de acesso.
    • 30. Existem duas estratégias para se manter a coerência em memória hierárquica: write-throught (WT), atualização imediata dos níveis superiores; write-back (WB), atrasa a atualização em Mi+1 até que a informação sendo modificada em Mi, seja substituída ou removida de Mi.
  • Propriedade da Localidade
    • Hierarquia de memória foi desenvolvido baseado no princípio de localidade.
    • 31. CPU faz acesso a memória para instrução ou dados.
    • 32. Esses acessos tendem a ocorrer por regiões na memória, em geral pequenas, próximas, e durante um certo tempo.
    • 33. Hennessy e Patterson (1990) levantaram alguns dados como 90% das instruções ocorrem em loops aninhados.
  • Tecnologia de Memória Virtual
    • Estudar dois modelos de memória virtual, mecanismo de conversão de endereços e políticas de reposição de páginas.
    • 34. Memória física onde residem os programas e dados, possuem tamanho limitado. Memória Virtual portanto vem resolver essa limitação.
    • 35. Espaço de endereço: cada palavra na memória física possui um único endereço físico. Todas as palavras na memória física formam o espaço de endereço físico.
    • 36. Endereços Virtuais: são gerados pelo processador em tempo de compilação, que devem ser convertidos em endereços físicos quando da execução do programa, através do uso de tabelas e funções de mapeamento.
  • Mapeamento de Endereços
    • Um sistema de memória virtual necessita de um mecanismo automático de mapeamento de endereço virtual para endereço físico, que leva em consideração inclusive se o endereço virtual a ser acessado está ou não presente na memória física.
    • 37. É feita uma conversão quando confirmado se o endereço virtual está presente na memória física. Quando o endereço está ausente, significa que aquela palavra ainda não foi requisitada dos níveis superiores, e portanto precisa ser acessado, o que implica em mecanismos de reposição de páginas na memória principal.
  • Mecanismo de conversão de endereços
    • Converter endereço virtual em endereço físico
    • 38. Mapas de conversão são armazenados em CACHE, memórias associativas, ou na própria memória principal.
    • 39. Esse mapeamento gera um ponteiro que indica se, e onde está a página procurada no espaço físico de endereço.
    • 40. Política de Reposicionamento: LastRecentlyUsed, First In First Out.