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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: 12x8, 8x12 y 6x16 Chip memoria incluye mecanismos para Decodificar las direcciones Detección/Escritura.

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Memoria de 16x8 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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