Organização de computadores

Prof.: Antonio J. Netto

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Organização e Arquitetura de Computadores I

Organização básica de

computadores (Parte II)

Carga Horária: 60 horas

UNIRG - FAFICH

Ciências da Computação

Organização Básica de

Computadores

2Org. e Arq. de Computadores

Computador eletrônico digital

Sistema composto por

processador,

memória,

dispositivos de entrada e saída

interligados.


Computadores


Computadores


ARMAZENAR(ESCRITA,

WRITE) RECUPERAR(LEITURA,

READ)

A memória de um computador quando energizada, conterá sinais

elétricos, mesmo que não seja uma informação útil.


Computadores

Memória


Computadores


Elemento a ser manipulado : bit (armazena a informação naforma de bits)

Unidade de informação a ser armazenada, recuperada outransferida (célula) - Grupo de n bits (n = 8) 1 Byte

• ENDEREÇO: é o código de identificação da localização dascélulas (informações).

Operações:

• ESCRITA: transferência de informações de outrocomponente do sistema de computação para a memória(CPU memória)

• LEITURA: transferência de bits da memória para a CPU,disco.

Memória


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Em um sistema de computação não é possívelconstruir e utilizar apenas um tipo de memória.

Para certas atividades, por exemplo, é fundamentalque a transferência de informações seja a maisrápida possível.

Memória de um computador subsistema -construída de vários componentes (vários tiposdiferentes de memória) interligados e integrados,com o objetivo de armazenar e recuperarinformações.


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Necessidade de construção de vários tipos de

memória:

Velocidade das UCP ( > tempo de acesso da

memória)

Capacidade de armazenamento.

Hierarquia de Memória


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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


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Hierarquia de Memória –

Conceitos Importantes

Tempo de acesso

Capacidade

Volatilidade

Tecnologia de fabricação

Temporariedade

Custo


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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).


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Tempo de acesso

Dependente do modo como o sistema de memória éconstruído e da velocidade dos seus circuitos.

Memórias eletrônicas - igual, independentemente dadistância física entre o local de um acesso e o localdo próximo acesso - acesso aleatório (direto).

Dispositivos eletromecânicos (discos, fitas, ..) -tempo de acesso varia conforme a distância físicaentre dois acessos consecutivos - acessoseqüencial.


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Capacidade

Quantidade de informação que pode ser armazenadaem uma memória;

Unidade de medida mais comum - byte, podem serusadas outras unidades como células (no caso dememória principal ou cache), setores (no caso dediscos) e bits (no caso de registradores).

Dependendo do tamanho da memória, isto é, de suacapacidade, indica-se o valor numérico total deelementos de forma simplificada, através da inclusãode K (kilo), M (mega), G (giga) ou T (tera).


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Volatilidade

Memórias podem ser do tipo volátil ou não volátil.

Memória não volátil - retém a informaçãoarmazenada quando a energia elétrica é desligada.Ex.: Discos, Fitas.

Memória volátil - perde a informação armazenada naausência de energia elétrica. Ex.: Registradores,Memória Principal.

É possível manter a energia em uma memóriaoriginalmente não volátil - uso de baterias.


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Tecnologias de fabricação

Memórias de semicondutores

Memórias de meio magnético

Memórias de meio óptico


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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.


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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


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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, muitorápidas (~ns), usadas tipicamente como memórias cache.

DRAM - uso de capacitores (1 transistor e 1 capacitor porbit, não usa flip-flops), necessita de refresh, altacapacidade 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.


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Memória R/W - Read and Write

DDR ou SDRAM-II (Double Data Rate SDRAM)

É uma memória SDRAM muito mais avançada e queconsegue trabalhar com o dobro do desempenho. Pode-seencontrá-la, por exemplo, em placas-mãe equipadas com oprocessador AMD K7.

RDRAM (Rambus DRAM)

Baseada em protocolo, isto é, usa padrão de barramentoproprietário. A arquitetura interna dos circuitos, é muitodiferente das demais pois, permite a leitura e escrita de até 16dados simultaneamente por circuito. Utilizadas,principalmente, em algumas máquinas de jogos e emaplicações gráficas muito intensivas.


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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.


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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.


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PROM - Programmable Read Only Memory

Memória apenas de leitura, programável.

ROM programável com máquinas adequadas(chamadas queimadores de PROM).

Geralmente é comprada "virgem" (sem nadagravado), sendo muito utilizada no processo detestar programas no lugar da ROM, ou sempre que sequeira produzir ROM em quantidades pequenas.

Uma vez programada (em fábrica ou não), não podemais ser alterada.


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EPROM - Erasable Programmable

Read Only Memory

Memória apenas de leitura, programável (comqueimadores de PROM) e apagável (com máquinasadequadas, à base de raios ultra-violeta).

Tem utilização semelhante à da PROM, para testarprogramas no lugar da ROM, ou sempre que sequeira produzir ROM em quantidades pequenas, coma vantagem de poder ser apagada e reutilizada.


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EEPROM (ou E2PROM) - Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory

Memória apenas de leitura, programável e eletronicamentealterável. Também chamada EAROM (Electrically AlterableROM).

EPROM apagável - processo eletrônico, sob controle daUCP (equipamento e programas adequados), menor e maisrápida que a EPROM.

Mais cara, geralmente utilizada em dispositivos aos quaisse deseja permitir a alteração, via modem (carga de novasversões de programas à distância ou possibilitar areprogramação dinâmica de funções específicas de umprograma, geralmente relativas ao hardware, p.ex.,reconfiguração de teclado, programação de terminal, etc).


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ROM Flash

Funcionamento similar ao da EEPROM – conteúdototal ou parcial da memória pode ser apagadonormalmente por um processo de escrita.

Apagadas e regravadas por blocos (o apagamento nãopode ser efetuado ao nível de byte como na EEPROM),alta capacidade de armazenamento

O termo flash foi imaginado devido à elevadavelocidade de apagamento dessas memórias emcomparação com as antigas EPROM e EEPROM.

Ideal para várias aplicações portáteis (câmerasdigitais, palmtop, assistentes digitais portáteis,aparelhos de música digital ou telefones celulares).


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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).


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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)


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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.


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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.


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Hierarquia de Memória - Elementos

Registradores

Memória Cache

Memória Principal



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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).


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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.


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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.


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Memória Cache

Dispositivo de memória entre a CPU e a MP

Função: acelerar a velocidade de transferência dasinformações entre CPU e MP, aumentando odesempenho dos sistemas.

Usada para armazenamento de instruções e dados maisfreqüentemente acessados do programa em execução.

As palavras de memória mais usadas pelo processadordevem permanecer armazenadas na cache. Somenteno caso de ela não estar armazenada na cache é que abusca se dará na memória principal.


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Memória Cache

Fabricada com tecnologia semelhante à da CPU (possuitempos de acesso compatíveis, resultando numaconsiderável redução da espera da CPU para receber dadose instruções da cache, ao contrário do que acontece emsistemas sem cache).

Atualmente há diversos tipos de memória cache, utilizadosem sistemas de computação modernos: Cache para aMemória Principal (RAM cache), Cache para Disco.

Podem existir cache só para instruções e só para dados.

Podem existir caches primárias (dentro do processador) eoutra secundária (fora do chip do processador) e até umaterceira cache mais externa.


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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, naplaca-mãe do computador. Atualmente: localizada nointerior da pastilha do processador, separada deste (cachebackside).

Cache L3 – Existente em alguns processadores, localizadaexternamente ao processador.

Quanto mais próxima do processador, melhor será odesempenho do mesmo.


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Memória Cache - Parâmetros

Tempo de acesso/ciclo de memória (Ex.: 5 a 7 ns).

Capacidade - deve-se conciliar o compromisso de umaapreciável capacidade com a não-elevação demasiada deseu preço. Ex.: 16K a 2 MB.

Volatilidade - dispositivos voláteis.

Tecnologia - circuitos eletrônicos de alta velocidade. Emgeral, 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.


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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.


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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).


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Memória Principal - Parâmetros

Temporariedade - variável, depende de várias circunstâncias(p. ex.: tamanho do programa e sua duração, a quantidadede programas que estão sendo processados juntos, etc.). Atransitoriedade com que as informações permanecemarmazenadas na MP é, em geral, mais duradoura que namemória cache ou nos registradores.

Custo - DRAM têm um custo mais baixo que o das memóriascache - são vendidos computadores com quantidadeapreciável de MP (32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB)sem que o preço seja inaceitável.


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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


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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.


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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


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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


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Exemplo:


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Problemas causados pela falta de padronização doarmazenamento em memória:

interpretação de instruções e dados em redes

softwares que rodam em várias plataformas devemtratar essas diferenças

uso de plataformas de palavras de diferentestamanhos

Importante: A solução para o problema não é trivial,em geral se baseia em inversão dos bytes. Istofunciona para valores numéricos mas não paracadeias de caracteres.


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Memória Principal - Códigos com correção de erros

Problema:

Dados da memória podem, ocasionalmente, contererros causados por oscilação de tensão, por exemplo

Solução:

Dados são armazenados na memória com um códigoque permita a detecção ou correção de erros

São acrescentados bits extras nas palavras dememória usados para verificar a exatidão dainformação

Uma palavra de código de n (=m+r) bits conterá: m bitsde dados + r bits de redundância (ou verificação).


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Memória Principal - Códigos com correção de erros

Distância de Hamming - igual ao número de bitscorrespondentes que diferem em duas palavras decódigo quaisquer.

As propriedades de detecção de erros e de correçãode erros dependem fundamentalmente da suadistância de Hamming.

Exemplo: As palavras de código 10001001 e10110001 distam 3 unidades de Hamming.

Observação: É necessário que ocorram 3 erros(inversões) nos bits em destaque da palavra 2 paraque ela se transforme na palavra 1.


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Exemplo de Código com correção de erros

Bit de Paridade: Definido pelo número de 1s queocorrem em uma palavra. Paridade par estáassociada a um número par de 1s e paridade ímparestá associada a um número ímpar de 1s

Exemplo Simples:

Inclusão de 1 bit de paridade (0 - par e 1 - impar) aosbits de dados da palavra de código.

A ocorrência de 1 único erro produz palavra decódigo errada.

Erro só é detectado, e não corrigido. Programacancela o processamento para não gerar resultadoserrados.


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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.


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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


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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.


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Exemplo:

RIMM-Rambus In Line Memory Module. Esses módulos são

padronizados pela Rambus para a utilização de memórias RDRAM.


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Denominada memória secundária, memória auxiliar oumemória de massa.

Objetivo: garantir um armazenamento mais permanenteà 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 acessoimediato (Ex.: discos rígidos), e outros que podem serconectados quando desejado (Ex.: disquetes, fitas, CD-ROM etc.).


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Memória Secundária - Parâmetros

Tempo de acesso/ciclo de memória - são, em geral,dispositivos eletromecânicos e não circuitos puramenteeletrônicos - possuem tempo de acesso maiores.Tempos de acesso típicos: ordem de 8 a 15 ms. Discosdo tipo CD-ROM: 120 a 300 ms, fitas magnéticas - ordemde segundos.

Capacidade - varia bastante dependendo do tipo dedispositivo utilizado. Discos rígidos - entre 2 e 50Gbytes, CD-ROM - ordem de 600 MB, fitas magnéticas (acapacidade depende do comprimento da fita e dadensidade de gravação).


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Memória Secundária - Parâmetros

Volatilidade - não voláteis.

Tecnologia - este parâmetro possui uma variedadeimensa de tipos, visto que, para cada dispositivoentre os já mencionados (discos rígidos, disquetes,fitas, CD-ROM, CD R/W, DVD, etc.), há diferentestecnologias de fabricação.

Temporariedade - armazenamento com caráterpermanente ou, pelo menos, de longo período dearmazenamento.

Custo - bastante variado.


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Tipos de Memória em uso nos computadores

Processador

(Cache L1 e

Registradores)

Cache L2

(separado)

Memória

principal

Memória

secundária

Software

Organização de computadores