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Organización del computador. Memorias




Enviado por Pablo Turmero



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    Jerarquía de las memorias

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    Jerarquía de memorias en un Pentium

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    Métricas de las memorias Capacidad de almacenamiento: en
    bytes o múltiplos (kB, MB, TB) Tiempo de acceso: en
    segundos o submúltiplos (ns, ms) Velocidad de tranferencia
    de datos: en bytes/seg o múltiplos Comsumo de
    energía: en Watts Tamaño físico: en cm3
    Costo total y costo por MB: en $ y $/MB

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    Tipos y tecnología de memorias Memorias ROM (Read Only
    Memory) Programable ROM Erasable Programable ROM Electronically
    Erasable Programable ROM Memorias RAM (Random Access Memory) RAM
    estáticas vs dinámicas RAM volátiles vs no
    volátiles Memorias FLASH

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    Ejemplo memoria OTP EPROM

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    Características físicas de la EPROM

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    Ejemplo memoria OTP EPROM

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    Diagrama de tiempos de la EPROM

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    Ejemplo EEPROM

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    Ejemplo EEPROM

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    Ejemplo memoria FLASH

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    Ejemplo memoria SRAM

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    Ejemplo memoria SRAM

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    Ejemplo memoria SRAM

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    Ejemplo memoria SRAM

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    Ejercicio Dada un espacio de memoria de 64 K x 8 bits, y el
    siguiente mapa de memoria, diseñar el circuito
    lógico de selección. Mapa de memoria:0000 a 2000
    hex => EPROM2000 a 8000 hex => RAM8000 a FFFF hex =>
    FLASH

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    Tecnología de Integración Actual Imágenes
    obtenidas con TEM (Transmission Electron Microscope) de una cepa
    del virus de la gripe, y de un transistor construido con la
    tecnología de 65 nm utilizada desde el año 2005 en
    el Procesador Pentium IV y posteriores. 65 nm
    nanotechnology

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    Tecnología de memorias: RAM Dinámica Almacena la
    información como una carga en una capacidad espuria de un
    transistor. Una celda (un bit) se implementa con un solo
    transistor ? máxima capacidad de almacenamiento por chip.
    Ese transistor consume mínima energía ? Muy bajo
    consumo. Al leer el bit, se descarga la capacidad ? necesita
    regenerar la carga ? aumenta entonces el tiempo de acceso de la
    celda. (Gp:) CAS (Gp:) RAS (Gp:) Cd (Gp:) Bit de datos de salida
    al bus (Gp:) Buffer Diagrama de un bit elemental de DRAM (Dynamic
    RAM). (Gp:) Transistor

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    Tecnología de memorias: RAM Estática Almacena la
    información en un biestable. Una celda (un bit) se compone
    de seis transistores ? menor capacidad de almacenamiento por
    chip. 3 transistores consumen energía máxima en
    forma permanente y los otros 3 consumen mínima
    energía ? Mayor consumo La lectura es directa y no
    destructiva ? tiempo de acceso muy bajo Diagrama del biestable de
    un bit básico de SRAM (Static RAM). (Gp:) Línea de
    Bit (Gp:) Línea de Bit (Gp:) Selección 6 1 2 3 4
    5

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    Estructura de Bus clásica Desde fines de los años
    80, los procesadores desarrollaban velocidades muy superiores a
    los tiempos de acceso a memoria. En este escenario, el procesador
    necesita generar wait states para esperar que la memoria
    esté lista (“READY”) para el acceso.
    ¿Tiene sentido lograr altos clocks en los procesadores si
    no puede aprovecharlos por tener que esperar (wait) a la memoria?
    Buffer de Address Buffer de Datos Bus de Control BUS DEL SISTEMA
    Bus Local del Procesador Memoria del Sistema Procesador E/S del
    Sistema DATOS ADDRESS CONTROL

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    (Gp:) 1100 (Gp:) 1000 (Gp:) 900 (Gp:) 800 (Gp:) 700 (Gp:) 600
    (Gp:) 500 (Gp:) 400 (Gp:) 300 (Gp:) 200 (Gp:) 100 (Gp:) 89 (Gp:)
    90 (Gp:) 91 (Gp:) 92 (Gp:) 93 (Gp:) 94 (Gp:) 95 (Gp:) 96 (Gp:) 97
    (Gp:) 98 (Gp:) 99 (Gp:) 00 (Gp:) 486 DX4 100 MHz. (Gp:) 386 DX 33
    MHz (Gp:) Pentium II 400 MHz. (Gp:) Pentium III 1GHz (Gp:)
    Memorias Crecimiento de la velocidad de clock de las CPU versus
    memoria

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    El problema RAM dinámica (DRAM) Consumo mínimo.
    Capacidad de almacenamiento comparativamente alta. Costo por bit
    bajo. Tiempo de acceso alto (lento), debido al circuito de
    regeneración de carga. Si construimos el banco de memoria
    utilizando RAM dinámica, no aprovechamos la velocidad del
    procesador. RAM estática (SRAM) Alto consumo relativo.
    Capacidad de almacenamiento comparativamente baja. Costo por bit
    alto. Tiempo de acceso bajo (es mas rápida). Si
    construimos el banco de memoria utilizando RAM estática,
    el costo y el consumo de la computadora son altos.

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    La solución: Memoria cache Se trata de un banco de SRAM de
    muy alta velocidad, que contiene una copia de los datos e
    instrucciones que están en memoria principal El arte
    consiste en que esta copia esté disponible justo cuando el
    procesador la necesita permitiéndole acceder a esos
    ítems sin recurrir a wait states. Combinada con una gran
    cantidad de memoria DRAM, para almacenar el resto de
    códigos y datos, resuelve el problema mediante una
    solución de compromiso típica. Requiere de hardware
    adicional que asegure que este pequeño banco de memoria
    cache contenga los datos e instrucciones mas frecuentemente
    utilizados por el procesador.

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    Referencias El tamaño del banco de memoria cache debe ser:
    Suficientemente grande para que el procesador resuelva la mayor
    cantidad posible de búsquedas de código y datos en
    esta memoria asegurando una alta performance Suficientemente
    pequeña para no afectar el consumo ni el costo del
    sistema. Se dice que se logra un hit cuando se accede a un
    ítem (dato o código) y éste se encuentra en
    la memoria cache. En caso contrario, se dice que el resultado del
    acceso es un miss. Se espera un hit rate lo mas alto posible
    Cantidad total de accesos a memoria Cantidad de accesos con
    presencia en Memoria Cache hit rate =

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    Operación de Lectura de memoria (Gp:) Inicio (Gp:) Busca
    ítem en cache (Gp:) CPU envía señal de
    lectura (Gp:) Busca ítem en cache y envía a la CPU
    (Gp:) Busca ítem en memoria del sistema (Gp:) Escribe
    ítem en el cache (Gp:) Actualiza directorio cache (Gp:)
    Envía ítem a la CPU (Gp:) Fin (Gp:) Miss (Gp:)
    Hit!!

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    Estructura de Bus del sistema con cache (Gp:) Memoria cache (Gp:)
    Controlador de Memoria caché (Gp:) Buffer de Address (Gp:)
    Buffer de Datos (Gp:) BUS DEL SISTEMA (Gp:) Bus Local del
    procesador (Gp:) Procesador (Gp:) Bus de Control (Gp:) CONTROL
    (Gp:) DATOS (Gp:) ADDRESS (Gp:) CONTROL (Gp:) Bus Local del
    controlador cache Bus de Datos Bus de Dir.

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    Como trabaja el controlador cache El controlador cache trabaja
    mediante dos principios que surgen de analizar el comportamiento
    de los algoritmos de software que se emplean habitualmente.
    Principio de vecindad temporal: Si un ítem es
    referenciado, la probabilidad de ser referenciado en el futuro
    inmediato es alta. Principio de vecindad espacial: Si un
    ítem es referenciado, es altamente probable que se
    referencie a los ítems vecinos a éste. Ejemplo:
    Algoritmo de convolución for (i = 0 ; i < 256 ; i++ ){
    suma = 0.0f; for (j = 0 ; (j <= i && j < 256) ;
    j++) suma += v0[i-j] * v1[j]; fAux[i] = suma; } i, j, suma, se
    utilizan a menudo. Por lo tanto si se mantienen en el cache, el
    tiempo de acceso a estas variables por parte del procesador es
    óptimo.

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    Estructura de memoria cache Tag Línea Línea 0 1 2 3
    4 5 6 7 8 9 Dirección Ancho de palabra Línea:
    Elemento mínimo de palabra de datos dentro del cache.
    Corresponde a un múltiplo del tamaño de la palabra
    de datos de memoria. Razón: Cuando se direcciona un
    ítem en memoria generalmente se requerirá de los
    ítem que lo rodean (Principio de vecindad espacial)

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    Memoria Cache (Gp:) Directorio de Cache (Gp:) Interfaz con el Bus
    Local (Gp:) Control del Cache (Gp:) Interfaz con el Procesador
    (Gp:) Bus de Address del procesador (Gp:) Control del bus local
    del controlador cache (Gp:) Bus de Snoop (Gp:) Arbitración
    del Bus (Gp:) Control del bus Local del Procesador (Gp:) Bus de
    Control de la Memoria Cache (Gp:) Decodificaciones del bus local
    del procesador Hardware adicional. Mantiene el cache con los
    datos mas frecuentemente utilizados por el procesador Procesador
    Subsistema caché Memoria SRAM ultrarrápida (cache)
    Controlador de Memoria caché Memoria DRAM Bus del
    Procesador (Bus local) Bus del Sistema Baja capacidad, pero
    accesible a la velocidad del procesador

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    Organización del caché: Mapeo Directo (Gp:)
    Directorio de Caché Interno (Gp:) 4 Gbytes de Memoria
    Principal (Gp:) Tag (Gp:) 17 bits (Gp:) Bit de validez del Tag
    (Gp:) Bits de validez de las líneas (Gp:) 32 Kbytes (igual
    tamaño que el de la cache) (Gp:) Set 0 (Gp:) Set 1 (Gp:)
    Set 1023 (Gp:) Memoria Caché (Gp:) Pag.0 (Gp:) Pag.217 -1
    (Gp:) Línea (Gp:) Línea (Gp:) 1 Línea = 4
    bytes

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    Selector de Línea (1 de 8 líneas) Bit de validez
    del Tag Bits de validez de la línea 0 1 1023 Directorio de
    Caché Interno Nro de Set (Gp:) A (Gp:) 15 (Gp:) A (Gp:) 14
    (Gp:) A5 (Gp:) (Gp:) A (Gp:) 4 (Gp:) A (Gp:) 31 (Gp:) A (Gp:) 2
    (Gp:) Tag de 17 bits (1 de las 217 páginas) (Gp:) Set
    Address (1 de 1024 sets) (Gp:) Caché Address (1 de 8
    KLíneas) Organización del caché de mapeo
    directo

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    Organizacion del cache: Asociativo de dos vías (Gp:)
    Directorio de Caché Interno (Gp:) 4 Gbytes de Memoria
    Principal (Gp:) Tag (Gp:) 18 bits (Gp:) Bit de validez del Tag
    (Gp:) Bits de validez de las líneas (Gp:) 16 Kbytes (igual
    tamaño Que el de cada banco del cache) (Gp:) Set 0 (Gp:)
    Set 1 (Gp:) Set 512 (Gp:) Memoria Caché (Gp:) Pag.0 (Gp:)
    Pag.218 -1 (Gp:) Línea (Gp:) Línea (Gp:) 1
    Línea = 4 bytes (Gp:) Línea (Gp:) Bits LRU (Gp:)
    Bits LRU (Gp:) Bits LRU (Gp:) 18 bits (Gp:) 18 bits (Gp:) 18 bits
    (Gp:) 18 bits (Gp:) 18 bits

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    A13 A14 A5 A4 A31 A2 Tag de 18 bits (1 de las 218 páginas)
    Set Address (1 de 512 sets) Selector de Línea (1 de 8
    líneas) Caché Address (1 de 4 KLíneas) Bit
    de validez del Tag Bits de validez de la línea 0 1 512
    Directorio de Caché Interno Nro de Set Organización
    del caché asociativo de dos vías

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    Manejo del contenido Algoritmos de reemplazo del contenido de la
    memoria cache LRU: Least Recently Used. Se corresponde con el
    principio de vecindad temporal. LFU: Least Frecuently Used Random
    FIFO

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    Cache miss: Impacto en el Pipeline de instrucciones Pipeline:
    permite superponer en el tiempo la ejecución de varias
    instrucciones a la vez. No requiere hardware adicional. Solo se
    necesita lograr que todas las partes del procesador trabajen a la
    vez. Trabaja con el concepto de una línea de montaje: Cada
    operación se descompone en partes Se ejecutan en un mismo
    momento diferentes partes de diferentes operaciones Cada parte se
    denomina etapa (stage) Resultado Una vez en régimen
    ejecuta a razón de una instrucción por ciclo de
    clock

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    Cache miss: Impacto en el Pipeline de instrucciones Si la
    búsqueda de una instrucción o de un operando en el
    cache falla, entonces el procesador debe recurrir a la memoria
    principal. La demora en el acceso hace que el pipeline se atasque
    (stall) Una vez recuperado el dato de memoria principal se
    requieren (en este ejemplo), 5 ciclos de reloj adicionales para
    recuperar el ritmo de operación del pipeline!!

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    Coherencia de un cache Una variable que está en el
    caché también está alojada en alguna
    dirección de la DRAM. Ambos valores deben ser iguales
    Cuando el procesador la modifica hay varios modos de actuar Write
    through: el procesador escribe en la DRAM y el controlador cache
    refresca el cache con el dato actualizado Write through buffered:
    el procesador actualiza la SRAM cache, y el controlador cache
    luego actualiza la copia en memoria DRAM mientras el procesador
    continúa ejecutando instrucciones y usando datos de la
    memoria cache Copy back: Se marcan las líneas de la
    memoria cache cuando el procesador escribe en ellas. Luego en el
    momento de eliminar esa línea del caché el
    controlador cache deberá actualizar la copia de DRAM. Si
    el procesador realiza un miss mientras el controlador cache
    está accediendo a la DRAM para actualizar el valor,
    deberá esperar hasta que controlador cache termine la
    actualización para recibir desde este la
    habilitación de las líneas de control para acceder
    a la DRAM.

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    Estructura de Bus del sistema Multiprocesador con cache (Gp:)
    Controlador de Memoria caché (Gp:) Memoria cache (Gp:)
    Controlador de Memoria caché (Gp:) BUS DEL SISTEMA (Gp:)
    Procesador (Gp:) Bus de Control (Gp:) CONTROL (Gp:) DATOS (Gp:)
    ADDRESS (Gp:) CONTROL (Gp:) Memoria cache (Gp:) Buffer de Address
    (Gp:) Buffer de Datos (Gp:) Procesador (Gp:) CONTROL (Gp:) Buffer
    de Address (Gp:) Buffer de Datos (Gp:) SNOOP BUS (Gp:) CONTROL
    (Gp:) DATOS (Gp:) ADDRESS (Gp:) SNOOP BUS (Gp:) Bus del cache
    (Gp:) Bus local del controlador cache (Gp:) Bus local del
    procesador

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    Multilevel cache CPU Cache Level1 Cache Level 2 Cache controller
    System Memory (DRAM) On chip Tamaño Cache L2 >
    Tamaño Cache L1 Velocidad Cache L1 > Velocidad Cache
    L2

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    Implementaciones prácticas de memoria cache (1) Intel
    80486 8 Kbytes de cache L1 on chip Tamaño de línea:
    16 bytes Organización asociativa de 4-vías Pentium
    dos caches on-chip, uno para datos y otro para instrucciones.
    Tamaño de cada cahe: 8 Kbytes Tamaño de
    línea: 32 bytes Organización asociativa de
    4-vías PowerPC 601 cache on-chip de 32 Kbytes
    Tamaño de línea: 32 bytes Organización
    asociativa de 8-vías

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    PowerPC 603 Dos caches on-chip, una para datos y otra para
    instrucciones Tamaño de cada cache: 8 Kbytes Tamaño
    de línea: 32 bytes Organización asociativa de
    2-vías (organización del cache más simple
    que en el 601 pero un procesador mas fuerte) PowerPC 604 Dos
    caches on-chip, una para datos y otra para instrucciones
    Tamaño de cada cache: 16 Kbytes Tamaño de
    línea: 32 bytes Organización asociativa de
    4-vías PowerPC 620 Dos caches on-chip, una para datos y
    otra para instrucciones Tamaño de cada cache: 32 Kbytes
    Tamaño de línea: 64 bytes Organización
    asociativa de 8-vías Implementaciones prácticas de
    memoria cache (2)

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