Tema 6: Memorias

Escuela Superior de Informática

Universidad de Castilla-La Mancha

Índice

• Introducción. Jerarquía de memoria.

• Fundamentos de las memorias.

• Características de las memorias.

• Dispositivos de almacenamiento masivo.

• Dispositivos de acceso aleatorio.

• Memoria interna del computador.

Introducción

• Almacenamiento de la información: datos y programas.

• Operación de Lectura: sacar información.

• Operación de Escritura: meter información.

• Bus de Direcciones.

• Bus de Datos.

• Señales de control: orden de lectura y orden de escritura.

Esquema de una memoria

• Memoria de 4x8 (4 palabras de 8 bits)

R

E

G.

D

I

R.

REGISTRO DE DATOS

Palabra de 8 bits

Celda de 1 bit

Bus de datos

Bus de

direccionesChip habilitado

Orden de lectura

Orden de escritura

Parámetros de la memoria

• Coste por bit.

• Tiempo de acceso (velocidad).

• Capacidad de almacenamiento, depende de la cantidad de palabras y del número de bits de cada palabra. Ejemplo 8Kx4 sería una memoria de 8.192 palabras de 4 bits.

• A mayor tiempo de acceso, menor coste.

• A mayor capacidad, menor velocidad.

Jerarquía de memoria (I)

• Es deseable gran capacidad, tiempo de acceso pequeño y bajo coste.

• La memoria se estructura en varios niveles.

• Nivel alto, de baja capacidad y rápido.

• Nivel bajo, alta capacidad y lento.

• Información más utilizada en nivel alto.

• La información cambia de nivel según convenga en ambos sentidos.

Jerarquía de memoria (II)

CPU

MemoriaInterna

E/S

Fundamentos de las memorias

• Para que un elemento pueda ser utilizado como dispositivo de memoria requiere:

1) Medio o soporte.

2) Transductor de escritura.

3) Transductor de lectura.

4) Mecanismo de direccionamiento.

Medio o soporte (I)

• Para que un medio pueda almacenar información debe cumplir las siguientes condiciones:

1) Presentar al menos dos estados diferenciados y estables.

2) Cambiar de estado mediante la aplicación de alguna señal exterior.

3) Poder detectar el estado en cualquier momento.

Medio o soporte (II)

• Se debe poder cambiar el estado siempre que sean necesario sin que ello suponga deterioro.

• Medios magnéticos, presentan una de dos posibles direcciones de magnetización.

• Medios discretos, almacenan un bit.

• Medios continuos, almacenan muchos bits, unos detrás de otros (señal de reloj).

Medio o soporte (III)

Medios magnéticos:

1) Ferrita, clásico.

2) Cinta magnética.

3) Disco.

4) Tambor.

Memorias de semiconductores.

Medio o soporte (IV)

• Duradera, la información se mantiene en ausencia de alimentación (no volátil).

• Volátil, se necesita alimentación para mantener la información.

• Con refresco, se necesita cada cierto tiempo restaurar la información (condensadores que se descargan).

• Lectura destructiva, cuando se lee la información, se destruye. Necesita volver a escribirse para conservarla.

• Permanente, la información es fija y no se puede modificar ni borrar. Sólo se puede leer.

Transductor

• De escritura: proporciona la energía necesaria para cambiar de estado.

• De lectura: captan las magnitudes físicas adecuadas para conocer el estado.

• Unidos al medio, conexionado con el punto de memoria (estáticas).

• Independientes del medio, el punto de memoria se coloca frente al transductor (dinámicas).

Direccionamiento

• Seleccionar el punto de memoria deseado para leer o escribir.

• En memorias estáticas se realizan mediante cableado o conexionado de los transductores. El acceso es por palabras y se llama aleatorio. Tarda el mismo tiempo para acceder a cualquier palabra.

• En memorias dinámicas, se almacena una información adicional de direccionamiento, junto con los datos, que es interpretada. El acceso se realiza por bloques.

Direccionamiento cableado (I)

• Direccionamiento 2D.

• Un decodificador de m entradas selecciona una y sólo una línea, conectada a todas las células de memoria de una palabra de n bits.

• Hay n parejas de transductores, una para cada bit, que hacen las funciones de escritura (uno de ellos) y de lectura (el otro).

Direccionamiento cableado (II)

• Direccionamiento 3D.

• Se establecen n planos horizontales de memoria, uno por cada bit de la palabra.

• Dentro de cada plano se selecciona un elemento de memoria de la siguiente forma:

a) El bus de direcciones se divide en dos partes (que pueden ser iguales) y cada parte entra en un decodificador.

b) La intersección de la línea activa de cada decodificador determina una y sólo una posición de memoria dentro del plano.

• Cada bit de la palabra se encuentra en un plano y todos los bits de la misma palabra en vertical.

• Ventaja frente al 2D: Los decodificadores son más pequeños y sencillos.

Direccionamiento en memorias dinámicas (I)

• Llevan cabecera e información.

• En la cabecera se incluye una información que la unidad de control del dispositivo de memoria interpreta. La cabecera también “consume” memoria.

• La lectura y escritura se hace a nivel de bloques y no de palabras.

• Los bloques pueden tener miles de bytes.

Direccionamiento en memorias dinámicas (II)

• Se necesita sincronización con reloj, que puede ser externo o grabado en el medio.

• Se pueden direccionar por acceso secuencial, con un transductor fijo. Ejemplo, la cinta magnética.

• Se pueden direccionar por acceso directo, bien con un transductor móvil o con varios fijos.

Características de las memorias

• Por la duración: duradera (no volátil), volátil, con refresco, destructiva y permanente.

• Por el modo de acceso: aleatorio y por bloques.

• Por la capacidad.

• Por la velocidad.

• Por el número de puertas.

Tamaño o capacidad

• En las cableadas, existe un relación entre el número de bits de bus de direcciones y la cantidad de palabras que se pueden seleccionar.

• En las memorias dinámicas, la capacidad depende de la longitud del medio y de la densidad de grabación (bits/unidad longitud o superficie).

Velocidad memorias estáticas

• En memorias estáticas, la velocidad es la misma para cualquier posición de memoria.

• TA es el tiempo que se tarda en leer una palabra conocida la dirección y dada la orden de lectura.

• El tiempo para realizar n lecturas consecutivas no es n·TA, ya que se necesita un tiempo de regeneración (o refresco) TRES

para decodificadores, transductores o puntos de memoria.

• El tiempo parar hacer n lecturas consecutivas sería:

n·TA + (n-1)·TRES

• TC = TA + TRES es el llamado ciclo de lectura.

• Lo mismo se puede decir para la escritura.

Memorias en el computador

• Las memorias estáticas se emplean para construir la memoria principal.

• Se usa acceso aleatorio (RAM) y un registro de direcciones de m bits y otro de datos de n bits (longitud de palabra del computador). Ambos registros se unen con los buses del computador.

• Las memorias dinámicas se emplean para construir la memoria secundaria, de gran capacidad.

Dispositivos de almacenamiento masivo

• Cinta y banda magnética.

• Disco y tambor magnético.

• Memorias ópticas (Ej: Compact Disc).

Cinta magnética

• Capas de óxidos de hierro, cromo y otros metales.

• Cintas de 1/2” y 800 metros. Memoria dinámica. La cinta debe moverse.

• 9 pistas. Se leen 9 bits en paralelo, 8 de datos y uno de paridad impar en vertical.

• Contacto físico entre las cabezas y la cinta.

• Acceso secuencial.

• No volátil.

• Lectura no destructiva.

• Bit de paridad par en horizontal.

• Soporte muy económico.

• En desuso. Sólo usado para copias de seguridad.

Discos magnéticos

• Acceso directo y no volátiles.

• Permiten lectura (no destructiva) y escritura.

• Disco recubierto de una fina película magnética que gira a 3.000 r.p.m. o mayores, girando constantemente.

• Entrada y salida de bits en serie, con velocidades de transferencia de varios Mbytes/s.

• Capacidades de hasta cientos de Gbytes.

• Acceso lento, del orden de los ms.

• Las cabezas no tocan el disco, si bien están extremadamente cerca-

• En los disquetes (bajo coste) sí que se produce contacto, con lo que su vida es menor. Por ello no giran a no ser que se acceda a ellos.

Discos ópticos

• La grabación se produce por láser.

• La lectura se produce por láser de menor potencia.

• Alta densidad de grabación.

• Resistencia a polvo y manipulación.

• Bajo coste.

• Tiempos de acceso algo peores que los magnéticos.

Discos ópticos: CD-ROM

• Diámetro de 12 cm y 1,2 mm de espesor.

• Policarbonato con una lámina de aluminio que hace de espejo.

• Un láser infrarrojo de 780 nm de longitud de onda ilumina la pista y un fotodiodo detecta las hendiduras del soporte.

• Una única pista de 5,3 Km en forma de espiral, de dentro hacia fuera.

• Usados como soporte de almacenamiento de audio, se leen a una velocidad constante de 1,2 m/s, obteniéndose una secuencia de palabras de 16 bits muestreados a 44,1 KHz. Cuando se lee el interior la velocidad es de 500 r.p.m. y de 200 r.p.m. cuando se lee el exterior.

• Capacidad de unos 600 MB, lo que equivale aproximadamente a 1 hora de registro de audio.

• A partir de 1996 empiezan a usarse lectores con velocidad angular constante, para datos.

Discos ópticos: DVD-ROM

• Procede del video digital.

• Se puede grabar por una o dos caras.

• En cada cara se pueden usar una o dos superficies activas.

• Las capacidades varían desde 4,7 GB para una cara y una capa hasta 17 GB para dos caras dos capas.

• Láser rojo de 635 nm de longitud de onda y muescas más pequeñas, de longitud mínima de 0,4 micras y separación entre pistas de 0,74 micras.

Discos ópticos de lectura y escritura

• La grabación y borrado se realizan mediante la acción conjunta de un láser y un campo magnético.

• Tiene lugar en una película magnética.

• El láser calienta el punto hasta 150 ºC y en esas condiciones el campo magnético cambia la polarización.

• El material cambia sus propiedades ópticas según la magnetización.

• La lectura se hace con el láser a menor potencia.

• A principio de los años 2000 se comercializan grabadores DVD, que no siempre son compatibles con el lector convencional DVD.

Memorias de semiconductores tipo Flash

• A partir del año 2002 se comercializan lápices USB de memoria, de tamaño muy reducido y gran capacidad (en la actualidad hasta 32 GB).

• Utilizan puertos USB (Universal Serial Bus) para conectarse con los distintos periféricos.

Otros soportes

• Floptical: similar al disquete de 3 1/2”, de tamaños 720 KB y 1,44 MB, que puede grabar hasta 21 MB.

• Unidades Bernoulli, disquete sin contacto físico gracias al aire que arrastra el disco (efecto Bernoulli).

Dispositivos de acceso aleatorio

• Memorias de ferrita.

• Memorias de semiconductores.

Memorias de ferrita

• En desuso, si bien han servido para crear los emblemas de las Escuelas y Facultades de Informática.

• Se comenzaron a usar en los años 50 del siglo pasado en el M.I.T. y siguieron usándose hasta 1970.

• Cada bit se almacena en un anillo de ferrita atravesado por cables que producen dos direcciones de magnetización.

• Diámetro exterior entre 0,5 y 3 mm.

• Memoria estática con direccionamiento cableado (RAM).

• No volátil.

• Lectura destructiva. Hay que volver a grabar después de leer, borrando antes de escribir.

• Relativamente rápidas, tiempos del orden de microsegundos.

• Capacidades pequeñas, pocos KB a pocos MB, generalmente con módulos de 4 KB.

Memorias de semiconductores

• Aparecen a finales de los años 60.

• Son estáticas de direccionamiento cableado.

• Son de Acceso Aleatorio (RAM).

• Pueden ser también dinámicas DRAM, necesitan refresco.

Clasificación de las memorias de semiconductores

• De lectura y escritura, también conocidas como RAM (ya vistas).

• De sólo lectura:

– ROM (Read Only Memory).

– PROM (Programmable ROM).

– EPROM (Erasable PROM) (borrado por Ultraviolados).

– EEPROM (Electricaly EPROM) (borrado eléctico lento).

– Flash.

Memorias ROM

• Se fabrican en pastillas integradas• El bus de direcciones puede ser completo o multiplexado

en el tiempo• El bus de datos tiene salida triestado, con lo que se

pueden conectar varios circuitos al mismo bus siempre que no se active más de uno a la vez

• Señales de control activas a nivel bajo:• CS (Chip Select) o CE (Chip Enable), debe activarse para

que funcione • RAS, si el bus de direcciones está multiplexado, indica

qué parte de la dirección se está leyendo

RAM estáticas (SRAM)

• No son volátiles.

• 256 Kb. Configuración 32Kx8, 28 pines, bus dirección 15 líneas, bus de datos 8 bits bidireccionales, 3 pines de control, acceso 12 ns.

• 1 Mb. Configuración 256Kx4, 28 pines, bus dirección 18 líneas, bus de datos 4 bits bidireccionales, 3 pines de control, acceso 10 ns.

• 4 Mb. Configuración 1Mx4, 28 pines, bus dirección 18 líneas, bus de datos 4 bits bidireccionales, 3 pines de control, acceso 10 ns.

RAM dinámicas (DRAM)

• Deben refrescarse y por ello son más lentas.

• 1 Mb. Configuración 1Mx1, 18 pines, bus dirección 10 líneas, bus de datos 2 bits (entrada y salida diferenciados), 3 pines de control, acceso 80 ns. Refresco 8 ms.

• 4 Mb. Configuración 4Mx1, 20 pines, bus dirección 11 líneas, bus de datos, 2 bits (entrada y salida diferenciados), 3 pines de control, acceso 60 ns. Refresco 16 ms.

• 16Mb. Configuración 4Mx4, 28 pines, bus dirección 12 líneas, bus de datos 4 bits bidireccionales, 4 pines de control, acceso 60 ns. Refresco 16 ms.

ROM, PROM, EPROM, EEPROM Y FLASH

• ROM, grabada en fábrica.

• PROM grabada una sola vez por el usuario.

• EPROM y EEPROM, sólo lectura que se pueden borrar con luz ultravioleta o una tensión eléctrica, respectivamente. La Flash también se puede borrar eléctricamente.

• La EPROM se borra en su totalidad y la EEPROM lo hace selectivamente a nivel de palabra, y la Flash a nivel de bloque.

Memoria interna del Computador

• Está compuesta por:– Registros, de poca capacidad pero rápidos. Se incluyen

los registros de la ALU. 256 bytes, 1 ns.

– Memoria principal, donde residen los programas y datos. 1 GB, 20 ns.

– Memoria caché (no siempre existe), es una memoria auxiliar que se emplea para acelerar los accesos a memoria principal. Es transparente al usuario. 1 M, 7 ns.

Mapa de memoria

• En la memoria principal residen los programas y datos.

• Si el contador de programa tiene m bits, se pueden asignar 2m direcciones, de 0 a 2m-1, que no tiene porqué usarse íntegramente.

• La anchura de palabra n no tiene por qué coincidir con m.

• El mapa de memoria es todo el espacio direccionable por un computador.

Ampliación del mapa (I)

• La ampliación supone aumentar el número de bits del bus de direcciones.

• Se puede hacer rediseñando el computador o añadiendo unos bits adicionales que se concatenan con los bits existentes, que consiguen, a través de un decodificador, seleccionar uno de entre varios mapas de memoria distintos.

Ampliación del mapa (II)

• La solución citada es sencilla y económica, pero es incómoda, ya que hay que estar constantemente cambiando de mapa y puede haber mapas vacíos sin instrucciones ni datos.

• Una solución alternativa es mantener fija una cuarta parte del mapa (y los bits que la direccionan) y cambiar de tabla con el resto de los bits.

• Otra alternativa es mediante la llamada conmutación de bancos de memoria (no explicada aquí).

Diseño de memorias

• Si se desea una memoria de palabras de n bits y se parte de circuitos con ancho de palabra de t bits, se necesitarán r/t circuitos en paralelo para alcanzar el ancho de palabra deseado. El valor típico de t es 1, 4, 8 o 16.

• Si la capacidad pretendida es rK palabras y se emplean circuitos de zK palabras, se necesitarán r/zfilas de circuitos en serie para lograr dicha capacidad.

Ejemplos de diseño

• Memoria deseada 128 Kpalabras.

• Palabra de 16 bits.

• Circuitos de memoria de 64Kx1.

• Solución:

– Se necesitan 16/1 = 16 circuitos por fila para formar el ancho de palabra deseado.

– Se necesitan 128/64=2 filas de circuitos.

Otro ejemplo

• Memoria deseada 32 Kpalabras.

• Palabra de 8 bits.

• Circuitos de memoria de 8Kx8.

• Solución:

– Se necesitan 8/8 = 1 circuito por fila para formar el ancho de palabra deseado.

– Se necesitan 32/8=4 filas de circuitos.

Conexionado (I)

• Bus de datos, bus de dirección, CS, OE y W/R.

• Triestado, se puede conectar sin problema entre sí distintas salidas a un mismo punto eléctrico siempre que no se activen dos o más a la vez. Los pines del bus de datos de los circuitos se conectan directamente al bus de datos.

• De esta forma se aumenta la capacidad sin cambiar el tamaño de palabra.

Conexionado (II)

• Para aumentar la longitud de palabra, se usan tantos circuitos como sean necesarios y la asociación en paralelo de todas las líneas supone una palabra de tamaño mayor.

• Para direccionar en el conjunto, se selecciona la fila de circuitos que contiene la palabra de interés.

• Si los buses no son bidireccionales, se separa la parte de entrada de la parte de salida, pero se siguen aplicando las ideas anteriores.

Memoria RAM de 32Mx32 a partir de módulos de RAM de 4Mx8

• Para pasar de palabras de 8 a 32 bits se necesitan 4 módulos en paralelo, con lo que se tendrán 4Mx32.

• Dicha fila de 4 módulos deberá repetirse otras 7 veces más para completar los 32M.

• Para direccionar cada una de las 8 filas de 4 módulos se utiliza un DEC 3x8, cuyas salidas se conectan con las entradas CS de los módulos de cada fila y en cuya entrada (la del decodificador) se introducen los 3 bits más significativos de los 25 necesarios. Los restantes 22 bits se colocan en paralelo en TODOS los módulos de RAM de 4Mx8.

Fuente: Fundamentos de Computadores 9ª Edición. Pedro de Miguel Anasagasti.