PDF de programación - Tema 5: Organización de la memoria: memoria principal

Estructura de Computadores, Facultad de Informática, UCM, Curso 11/12



Tema 5: Organización de la memoria: memoria principal.

Objetivos:
 Conocer las características generales de los diferentes tipos de memoria que aparecen en un

computador digital y analizar la necesidad de su organización jerárquica.

 Estudiar las diferentes formas de configuración interna de la memoria principal de un

computador.

 Conocer las técnicas de diseño de memorias a partir de módulos más elementales así como las

funciones de selección que permiten ubicarlas en el espacio de direcciones.

 Diseñar sistemas de memoria con detección y corrección de fallos.
 Aumentar el ancho de banda de la memoria principal utilizando un diseño modular con acceso

simultáneo a cada módulo y técnicas de entrelazado de direcciones.

Contenido

1. Características generales de las memorias

2. Organización interna de la memoria principal.

3. Diseño de memorias

4. Detección y corrección de errores.

5. Memoria entrelazada.

1. Características generales de las memorias

Las memorias se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios. Revisaremos en los

apartados siguientes los más significativos:

1.1. Método de acceso

 Acceso aleatorio (RAM): acceso directo y tiempo de acceso constante e independiente de la

posición de memoria.

 Acceso secuencial (SAM): tiempo de acceso dependiente de la posición de memoria.
 Acceso directo (DAM): acceso directo a un sector con tiempo de acceso dependiente de la

posición, y acceso secuencial dentro del sector.

 Asociativas CAM): acceso por contenido

1.2. Soporte físico

 Semiconductor
 Magnéticas
 Ópticas
 Magneto-ópticas



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1.3. Alterabilidad

 RAM: lectura y escritura
 ROM (Read 0nly Memory): Son memorias de sólo lectura. Existen diferentes variantes:

 ROM programadas por máscara, cuya información se escribe en el proceso de

fabricación y no se puede modificar.

 PROM, o ROM programable una sola vez. Utilizan una matriz de diodos cuya unión se

puede destruir aplicando sobre ella una sobretensión.

 EPROM (Erasable PROM) o RPROM (Reprogramable ROM), cuyo contenido puede

borrarse mediante rayos ultravioletas para volverlas a escribir.

 EAROM (Electrically Alterable ROM) o EEROM (Electrically Erasable ROM), son
memorias que están entre las RAM y las ROM ya que su contenido se puede volver a
escribir por medios eléctricos. Se diferencian de las RAM en que no son volátiles.

 Memoria FLASH. Utilizan tecnología de borrado eléctrico al igual que las EEPROM,
pero pueden ser borradas y reprogramadas en bloques, y no palabra por palabra como
ocurre con las tradicionales EEPROM. Ofrecen un bajo consumo y una alta velocidad
de acceso, alcanzando un tiempo de vida de unos 100.000 ciclos de escritura.

1.4. Volatilidad con la fuente de energía

 Volátiles: necesitan la fuente de energía para mantener la información.
 No volátiles: mantienen la información sin aporte de energía.

1.5. Duración de la información

 Estáticas: el contenido permanece inalterable mientras están polarizadas.
 Dinámicas: el contenido sólo dura un corto período de tiempo, por lo que es necesario

refrescarlo (reescribirlo) periódicamente.

1.6. Proceso de lectura

 Lectura destructiva: necesitan reescritura después de una lectura.
 Lectura no destructiva

1.7. Ubicación en el computador

Interna (CPU): registros, cache(L1), cache(L2), cache(L3), memoria principal


 Externa (E/S): discos, cintas, etc.

1.8. Parámetros de velocidad

 Tiempo de acceso
 Tiempo de ciclo
 Ancho de banda(frecuencia de acceso)

1.9. Unidades de transferencia

 Palabras
 Bloques

1.10. Jerarquía de las unidades de memoria de un computador



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Las distintas memorias presentes en un computador se organizan de forma jerárquica:

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aumenta capacidad

nivel superior

aumenta velocidad

Registros de la CPU

Memoria cache(L1,L2,L3)



Memoria principal

Discos magnéticos

Cintas, CD-ROM, etc.

En el nivel i+1 se ubica una copia de aquellos bloques del nivel i que tienen mayor probabilidad

de ser referenciados en el futuro inmediato



nivel i+1

nivel i



Este mecanismo de migración entre niveles es efectivo gracias al principio de localidad

referencial que manifiestan los programas:




espacial

temporal

Se consigue que el mayor número de referencias generado por los programas correspondan a

informaciones ubicadas en los niveles más altos de la jerarquía.
2. Organización interna de la memoria principal.

Una memoria principal se compone de un conjunto de celdas básicas dotadas de una
determinada organización. Cada celda soporta un bit de información. Los bits se agrupan en unidades
direccionables denominadas palabras. La longitud de palabra la determina el número de bits que la
componen y constituye la resolución de la memoria (mínima cantidad de información direccionable).
La longitud de palabra suele oscilar desde 8 bits (byte) hasta 64 bits.

Cada celda básica es un dispositivo físico con dos estados estables (o semi-estables) con
capacidad para cambiar el estado (escritura) y determinar su valor (lectura). Aunque en los primeros
computadores se utilizaron los materiales magnéticos como soporte de las celdas de memoria principal
(memorias de ferritas, de película delgada, etc.) en la actualidad sólo se utilizan los materiales
semiconductores.



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Dentro de las memorias electrónicas de semiconductor podemos distinguir dos grandes grupos:
las estáticas (SRAM: Static Random Access Memory) y las dinámicas (DRAM: Dynamic Random
Access Memory). Las estáticas utilizan el principio de biestabilidad que se consigue con dos puertas
inversoras (NAND ó NOR) realimentadas, mientras que las dinámicas aprovechan la carga o ausencia
de carga de un pequeño condensador creado en un material semiconductor. Debido a la descarga
natural que sufren las celdas cargadas, las memorias dinámicas necesitan un sistema de refresco que
periódicamente - y antes que la carga eléctrica del condensador se haga indetectable - recargue las
celdas que se encuentran en estado de carga.

Desde un punto de vista conceptual y con independencia de la tecnología, consideraremos la
celda básica de memoria como un bloque con tres líneas de entrada (entrada dato, selección y
lectura/escritura) y una de salida (salida dato). La celda sólo opera (lectura ó escritura) cuando la
selección está activa.

Selección

Entrada dato

Salida dato

Lectura/Escritura


2.1. Organización interna de la memoria.
Las celdas de memoria se disponen en el interior de un chip atendiendo a dos organizaciones
principales: la organización por palabras, también denominada 2D, y la organización por bits, también
denominada 2 ½ D o 3D.



2.2. Organización 2D
Es la organización más sencilla que responde al esquema mostrado en la siguiente figura:



Selección

2n

dirección

n



Matriz de celdas


2n * m celdas

SC
R/W

Control

m

datos
entrada

m

datos
salida



Las celdas forman una matriz de 2n filas y m columnas, siendo 2n el número de palabras del
chip y m el número de bits de cada palabra. Cada fila es seleccionada por la decodificación de una
configuración diferente de los n bits de dirección.

Esta organización tiene el inconveniente que el selector (decodificador) de palabras crece
exponencialmente con el tamaño de la memoria. Igual le ocurre al número de entradas (fan-in) de las
puertas OR que generan la salida de datos.



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Ejemplo
En la siguiente figura se muestra la organización 2D de un chip de memoria con 4 palabras de 4

bits:

De0 De1 De2 De3

R/W

A0

A1

DEC

3
2
1
0

Ds0 Ds1 Ds2 Ds3



2.3. Organización 3D
En lugar de una única selección (decodificador) de 2n salidas en esta organización se utilizan
dos decodificadores de 2n/2 operando en coincidencia. Las líneas de dirección se reparten entre los
dos decodificadores. Para una configuración dada de las líneas de dirección se selecciona un único bit
de la matriz. Por ello se la denomina también organización por bits.



n/2

n

dirección

n/2

Selección



X

2n/2



Matriz de celdas

2n * m celdas

2n/2



Y

Selección

SC
R/W

Control

m

datos
entrada

m

datos
salida



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Ejemplo:



DEC

3
2
1
0

A0


A1

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A2 A3

DEC

0 1 2 3

R/W



En esta organización se necesitan varias matrices de celdas básicas, tantas como bits deba

tener la palabra de memoria, actuando sobre ellas en paralelo los circuitos de decodificación:

DEC X

DEC
Y

3. Diseño de memorias

una palabra



Cuando se ha de diseñar una memoria principal cuyas dimensiones (número de bits y número
de palabras) exceden a las de un chip, se tienen que disponer varios chips en una placa de circuito
impreso para alcanzar
trataremos
independientemente cada una de las dimensiones.

requeridas. Para mayor

las dimensiones

claridad



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