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Organización y arquitectura de sistemas de memoria




Enviado por Pablo Turmero



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    Organización y arquitectura de sistemas de memoria
    SubObjetivos: 1 Jerarquía de sistemas de memoria:
    registros, caché, principal, secundaria, capacidades y
    velocidades 2 Clasificación de memoria: RAM y ROM 3
    Concepto de Celda Binaria

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    Características de los sistemas de memoria
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización
    Registros En CPU Memoria interna o principal Puede incluir uno o
    más niveles de caché “RAM” Memoria
    externa Memoria de respaldo

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    Características de los sistemas de memoria …
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización
    Tamaño de la palabra Número de bits utilizados para
    representar números o longitud de instrucciónes.
    Excepciones: CRAY-1, VAX. Número de palabras

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    Características de los sistemas de memoria …
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización Para la
    memoria principal, número de bits que se leen o se
    escriben en memoria a la vez. Para la memoria externa, unidades
    más grandes denominadas bloques.

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    Características de los sistemas de memoria …
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización Acceso
    secuencial Acceso directo Acceso aleatorio Acceso
    asociativo

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    Características de los sistemas de memoria …
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización Tiempo
    de acceso Memoria de acceso aleatorio: Tiempo en realizar una
    lectura o escritura Memoria de otro tipo: Tiempo en situar el
    mecanismo de escritura/lectura en la posicicón deseada.
    Tiempo de ciclo Se aplica principalmente a las memorias de acceso
    aleatorio, se define como el tiempo de acceso más el
    tiempo que se requiere para poder iniciarse un segundo acceso a
    la memoria.

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    Características de los sistemas de memoria …
    Velocidad de transferencia Velocidad a la que se puede transferir
    datos a, o desde, una unidad de memoria. Acceso aleatorio:
    inverso del tiempo de ciclo. Otro tipo de acceso:
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización Tiempo
    medio de escritura o de lectura de N bits Tiempo de acceso
    aleatorio Número de bits Velocidad de transferencia en
    bits por segundo (bps)

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    Características de los sistemas de memoria …
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización
    Semiconductor Dispositivos de estado sólido como los
    chips. Ej: RAM Soporte magnético Floppies, cintas, etc.
    Soporte óptico DVD, CD, mini disk, etc. Magneto
    óptico Mitad magnetico, mitad óptico.

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    Características de los sistemas de memoria …
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización
    Volátil / no volátil Memoria de superficié
    magnética: no volátil Memoria semiconductora:
    volátil o no volátil Borrable / no borrable RAM /
    ROM

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    Características de los sistemas de memoria …
    Ubicación Capacidad Unidad de transferencia Método
    de acceso Prestaciones Dispositivo Físico
    Características físicas Organización
    Disposición o estructura física en bits para formar
    palabras.

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    Jerarquía de sistemas de memoria En el diseño de la
    memoria de una computadora existe un compromiso entre las
    características de capacidad, coste y velocidad. A menor
    tiempo de acceso, mayor coste por bit. A mayor capacidad, menor
    coste por bit. A mayor capacidad, mayor tiempo de acceso.

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    Memoria ideal Infinitamente grande y con tiempo de acceso muy
    corto. Sin embargo Muy cara Tecnológicamente no factible
    Solución: Jerarquía de memoria Unidades grandes y
    lentas, y Unidades pequeñas y rápidas Meta de la
    jerarquía de memoria: Ilusión de una memoria
    grande, rápida y barata.

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    µProc 60%/año. (2X/1.5 año) DRAM
    9%/año. (2X/10 años) 1 10 100 1000 1980 1981 1983
    1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996
    1997 1998 1999 2000 DRAM CPU 1982 Separación de
    rendimiento Procesador-memoria (crece 50% / año)
    Rendimiento Tiempo “Moore’s Law” ¿Por
    qué es importante el uso de la jerarquía de
    memoria? “Less’ Law?”

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    Jerarquía de sistemas de memoria (Gp:) Almacenamiento
    fuera de línea (Gp:) Cinta magnética Medio
    Óptico (Gp:) Disco magnético CD-ROM CD-RW DVD+RW
    DVD-RAM (Gp:) Almacenamiento fuera de la tarjeta (Gp:) Memoria en
    tarjeta impresa (Gp:) Regis- tros caché memoria principal
    Cuando se desciende la jerarquía ocurre: Menor costo por
    bit Mayor capacidad Menor velocidad Disminución de la
    frecuencia de acceso a la memoria por parte del procesador
    Principio de localidad

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    ¿Por qué funciona la jerarquía de memoria?
    Principio de localidad Los programas accede una porción
    relativamente pequeña del espacio de direcciones en
    algún instante de tiempo. Espacio de direcciones 0
    Probabilidad De referencia

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    Jerarquía de memoria: ¿Cómo trabaja?
    Localidad temporal Si un dato es referenciado, se tiende a ser
    referenciado de nuevo en un tiempo próximo (bucles o
    subrutinas) Localidad espacial Si un dato es referenciado, los
    datos con direcciones cercanas tienden a ser referenciados pronto
    (tablas o matrices)

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    Jerarquía de memoria: Terminología Hit: el dato
    está en algún bloque en el nivel superior (ejemplo:
    Bloque X) Hit Rate: Fracción de acceso a memoria en el
    nivel superior Hit Time: Tiempo para accesar el nivel superior
    que consiste en: tiempo de acceso de RAM + Tiempo para determinar
    hit/miss Miss: el dato necesita ser traído de un bloque en
    el nivel bajo (Bloque Y) Miss Rate = 1 – (Hit Rate) Miss Penalty:
    Tiempo para reemplazar un bloque en el nivel superior + Tiempo
    para llevar el bloque al procesador Hit Time << Miss
    Penalty (Gp:) Nivel de memoria inferior (Gp:) Nivel memoria
    superior (Gp:) Al procesador (Gp:) Del procesador (Gp:) Bloque X
    (Gp:) Bloque Y

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    Ejemplo Acceder a dos niveles de memoria Nivel 1: 1,000 palabras,
    tiempo acceso: 0.1 ?s Nivel 2: 100,000 palabras, tiempo acceso: 1
    ?s

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    Jerarquía de memoria de una computadora moderna Haciendo
    uso del principio de localidad: Presenta al usuario tanta memoria
    como esté disponible con la tecnología más
    económica. Provee acceso con la velocidad disponible con
    la tecnología más rápida. Control Datapath
    Secondary Storage (Disk) Processor Registers Main Memory (DRAM)
    Second Level Cache (SRAM) On-Chip Cache 1’s
    10,000,000’s (10’s ms) Velocidad (ns): 10’s
    100’s 100B GB Tamaño (bytes): KB MB (Gp:) Tertiary
    Storage (Tape) 10,000,000,000’s (10s sec) TB

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    ¿Cómo es manejada la jerarquía de memoria?
    Registros Por el compilador (¿programador?) Cache Por el
    hardware Memoria principal Por el hardware Por el sistema
    operativo (caché de disco & memoria virtual) Por el
    programador (archivos)

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    Clasificación de memoria Memoria RAM (Random-Access
    Memory) Todas las memoria mostradas son de acceso aleatorio Leer
    y escribir datos rápidamente en ellas Volátil.
    Almacenamiento temporal Tipos de memoria RAM Dinámica.
    Está hecha con celdas que almacenan los datos como cargas
    en los condensadores. Estática. Almacenan los datos
    utilizando configuraciones de puertas que forman biestables
    (flip-flops)

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    Memoria RAM dinámica y estática Acceso aleatorio:
    el tiempo de acceso es el mismo para todas las locaciones DRAM:
    Memoria de acceso aleatorio dinámica Alta densidad low
    power Económica Lenta Dinámica: Necesita ser
    “refrescada” regularmente (1-2% de ciclos) SRAM:
    Memoria de acceso aleatoria estática Baja densidad high
    power Cara Rápida Estática: El contenido
    durará mientras esté alimentada

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    Memoria ROM Memoria ROM (Read-Only Memory) Contiene un
    padrón permanente de datos que no puede alterarse.
    Aplicaciones: microprogramación, subrutinas de biblioteca
    para funciones de uso frecuente, programas del sistema, tablas de
    funciones.

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    Tipos de memoria ROM PROM. Es volátil y sólo se
    puede escribir en ella una sola vez. El proceso de escritura se
    lleva a cabo eléctricamente y puede realizarlo el
    suministrados o el cliente con posterioridad. Memorias de
    sobre-todo-lectura: EPROM: Memoria de sólo lectura
    programable borrable Antes de escribir una operación,
    todas las celdas de almacenamiento deben ser borradas al estado
    inicial exponiendo el chip a radiación ultravioleta. Puede
    ser alterada múltiples veces. Más cara que la PROM,
    pero tiene la ventaja de que puede ser actualizada
    múltiples veces.

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    Tipos de memoria ROM EEPROM: Memoria de sólo lectura
    programable borrable eléctricamente Puede ser escrita sin
    borrar contenido anterior. Sólo el o los bytes
    direccionados son actualizados. La operación de escritura
    toma mucho más tiempo que la de lectura. Combina la
    ventaja de no-volativilidad con la flexibilidad de ser
    actualizable usando controles de bus ordinarios, direcciones y
    línea de datos. Es más cara que la EPROM y puede
    almacenar menos bits por chip. Flash Nombrada así por la
    velocidad a la cual puede ser reprogramada. Es intermedia entre
    la EPROM y la EEPROM en costo y funcionalidad. Mucho más
    rápida que la EPROM. Puede borrar bloques
    específicos de memoria. No provee borrado a nivel de
    bytes. Tiene la densidad alta de las EPROM.

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    Memorias no aleatorias Tecnología de acceso a
    “memoria-no tan-aleatoria”: El tiempo de acceso
    varía de locación a locación y de tiempo a
    tiempo Ejemplos: Disco, CDROM Tecnología de Acceso
    Secuencial: tiempo de acceso linear en locación
    (e.g.,Cinta)

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    Celda Binaria Es el elemento básico de una memoria
    semiconductora . Presentan dos estados estables (o semiestables)
    que pueden utilizarse para representar el 1 y 0 binarios Puede
    escribirse en ellas (al menos una vez) para fijar su contenido
    Pueden leerse para detectar su estado

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    Funcionamiento y estructura de una celda binaria Tres terminales
    capaces de llevar una señal eléctrica. El selector
    selecciona una celda. El control indica el tipo de
    operación: lectura o escritura. Escribir, la otra terminal
    provee una señal que pone a la celda en 1 o 0. Para leer,
    es usada como salida de la celda

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    Construcción de palabras de memoria a partir de celdas
    binarias Palabras Longitud de palabra Dirección (0 a n-1 ?
    n localidades) m líneas de dirección ? 2m
    localidades

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    Ejemplo

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    Construcción memorias de semiconductores a partir de
    palabras La memoria se forma a partir de palabras La capacidad se
    expresa en términos de # palabras x longitud de palabra
    Las memorias del ejemplo anterior son: 12×8, 8×12 y 6×16 Chip
    memoria incluye mecanismos para Decodificar las direcciones
    Detección/Escritura.

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    Memoria de 16×8 Palabra de memoria (renglon – línea de
    palabra) Líneas de bit al circuito de lectura/escritura
    Lineas de entrada/salida (bidireccional)

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    Diseño de sistemas de memoria de mayor capacidad, a partir
    de memorias de menor capacidad. Tecnología de CI adecuada
    para memorias Aumenta #bits que se pueden almacenar 1Kbit a 16M
    bits Organización de las celdas de memoria 2D 21/2D

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    Organización 2D Disposición física =
    lógica. El arreglo de memoria está organizado en W
    palabras de B bits Todos los bits de una palabra en el mismo
    chip

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    Organización 2D … En esta organización : #
    líneas de dirección # celdas de la memoria
    (capacidad) # palabras (# unidades direccionables) # bits por
    palabra (longitud de palabra)

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    Organización 2D … Ejemplos: Ej: Diseñe una
    memoria de 2D de 1Kb con palabras de 16 bits. Ej: Si se sabe que
    una memoria 2D tiene 5 líneas de dirección y 2048
    celdas de capacidad, entonces: ¿Cuántas palabras
    tiene? ¿Cuántos bits por palabra? Ej:
    ¿Cuál es el efecto en la capacidad de una memoria
    2D si se agrega una línea de dirección?

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    Ejemplos: Organización 2D 1. Dado un MAR de 8 bits y un
    MDR de 64 bits: ¿Cuántas palabras puedo
    direccionar? ¿Cuál es la longitud de la palabra?
    ¿Cuál es la capacidad de la memoria en bits?
    ¿Cuál es la capacidad de la memoria en bytes? 2.
    Realice un diagrama de bloque para una memoria de 1MByte en 2D,
    con longitud de palabra de 16 bits, coloca todos los
    componentes.

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    Organización 21/2 D Un bit por chip Los bits de una
    palabra repartidos en varios chips El chip contiene un arreglo de
    bits cuadrado

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