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DISEÑO DE LA JERARQUÍA DE MEMORIASArquitectura de Computadoras.ITCR-SSC – I Semestre 2012

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Concepto de Memoria

El concepto de Memoria en el contexto informático se refiere a los componentes de un sistema de cómputo que son capaces de retener información durante algún intervalo de tiempo.

Las memorias de las computadoras presentan una amplia diversidad de tipos, tecnologías, estructuras, rendimientos y costos.

Los siguientes son algunos dispositivos de memoria: Memoria RAM Dispositivos ópticos Dispositivos magnéticos Memoria Flash

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Características de los sistemas de memoria El complejo tema

de las memorias es más abordable si clasificamos los sistemas de memoria según sus características:

OrganizaciónMétodo de acceso:

Acceso secuencial

Acceso directo

Acceso aleatorio

Acceso asociativo

Características físicas:

Volátil / No volátil

Borrable / No borrable

Unidad de transferencia:

Palabra

Bloque

Dispositivo físico:

Semiconductor

Soporte magnético

Soporte óptico

Magneto – Óptico

Capacidad:

Tamaño de palabra

Número de palabras

Prestaciones:

Tiempo de acceso

Tiempo de ciclo

Velocidad de transferencia

Ubicación:

CPU

Interna (principal)

Externa (secundaria)

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Características de los sistemas de memoria Ubicación: lugar físico donde se encuentra ubicada

la unidad de memoria CPU:

Memoria que está ubicada físicamente dentro del CPU. Por ejemplo los registros del procesador.

Memorias Internas: Acopladas al CPU a través del bus del sistema. El direccionamiento es directo desde el CPU.

Memorias Externas: Acopladas al CPU a través de interfaces de E/S. El direccionamiento no es directo desde el CPU.

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Características de los sistemas de memoria Capacidad: cantidad total de información que puede almacenar

una información.

Suele medirse en KB, MB, GB, TB…

La memoria principal puede ir de “unos pocos kbytes” a “varios” gbytes (¿tendencia actual?)

La memoria secundaria va de unos “cuantos mbytes” a “varios gbytes” (¿tendencia actual?)

La unidad natural de organización de cada memoria es conocida como palabra.

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Características de los sistemas de memoria Unidad de transferencia: es el número de bits que

se leen o escriben en memoria a la vez.

La unidad de transferencia no tiene que coincidir con una palabra o una unidad direccionable.

Para la memoria externa los datos se transfieren normalmente en unidades más grandes que la palabra, denominadas bloques.

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Características de los sistemas de memoria Método de acceso:

Secuencial: el acceso debe realizarse con una secuencia lineal específica; y es preciso acceder por orden de almacenamiento. El tiempo para acceder a un registro dado es muy variable.

Aleatorio: es posible acceder a cualquier celda de la memoria en cualquier instante, y el tiempo para acceder a una posición dada es constante e independiente de la secuencia de accesos previos.

Asociativo: es una variación del método de acceso aleatorio. Cada dato se almacena en un lugar de la memoria dependiendo de su valor, por lo que la dirección de memoria del dato va a depender de su valor.

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Características de los sistemas de memoria Prestaciones:

Tiempo de acceso: es el tiempo que tarda en realizarse una lectura o escritura.

Tiempo de ciclo de memoria: consiste en el tiempo de acceso y algún tiempo más que se requiere, antes de que pueda iniciarse un segundo acceso a memoria.

Velocidad de transferencia: la velocidad a la que es posible transferir los datos, ya sea desde o hasta la unidad de memoria.

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Características de los sistemas de memoria Dispositivo Físico: material del cuál está

construido el dispositivo de memoria.

Semiconductor: memoria interna y memoria principal.

Soporte magnético: Discos duros

Soporte óptico: CD, DVD, Blu-Ray

Magneto – óptico: sistema combinado que graba la información de forma magnética bajo la incidencia de un rayo láser, y la reproduce por medios ópticos (¿Ejemplo?)

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Características de los sistemas de memoria Características Físicas:

Volatilidad: en una memoria volátil se pierde su contenido al interrumpir el suministro de energía.

Borrable: una memoria es borrable si permite que su información sea borrada luego de que se ha escrito.

Destructibilidad: una memoria es destructiva si el acceso a los datos destruye la información (¿ejemplo?)

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Diseño de la Jerarquía de Memorias Las restricciones de diseño de la memoria de un

computador se puede resumir en tres cuestiones:

¿Cuánta capacidad?, ¿Qué tan rápida?, ¿A qué costo?

En todo el espectro de las posibles tecnologías se cumplen las siguientes relaciones: A menor tiempo de acceso, mayor costo por bit. A mayor capacidad, menor costo por bit. A mayor capacidad, mayor tiempo de acceso.

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Diseño de la Jerarquía de Memorias El diseñador se de un sistema de cómputo se

enfrenta al siguiente dilema:

¿Cómo utilizar tecnologías que proporcionen gran capacidad?

¿Cómo reducir el costo del sistema de cómputo? ¿Cómo satisfacer las prestaciones requeridas?

La respuesta a este dilema es no contar con un solo componente de memoria, sino emplear una jerarquía de memoria.

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Diseño de la Jerarquía de Memorias Definición:

La jerarquía consiste en organizar las memorias del sistema de cómputo de forma que las memorias más pequeñas, más costosas y más rápidas se complementen con otras más grandes, más económicas y más lentas.

La clave del éxito de esta organización está en la disminución de la frecuencia de acceso a las memorias más lentas.

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Diseño de la Jerarquía de Memorias

Registros Los registros están en la cima de la jerarquía

de memoria, y constituyen la manera más rápida que tiene el sistema de almacenar datos

Es una memoria de alta velocidad y poca capacidad, esta integrada en el microprocesador y permite guardar y acceder a valores muy usados, por lo general en operaciones matemáticas.

Los registros se miden por lo general por el número de bits que almacenan.

Tipos de registros (¿recuerdan?) De datos: usados para guardar números enteros. De memoria: usados para guardar exclusivamente

direcciones de memoria. De propósito general: pueden guardar tanto datos

como direcciones. De coma flotante: usados para guardar datos en

formato de coma flotante De propósito específico: guardan información

específica del estado del sistema. Constante: tiene valores creados por el hardware de

solo lectura.

Memoria caché Memoria «rápida» y «pequeña», situada

entre la memoria principal y el microprocesador, especialmente diseñada para contener información que se utiliza con frecuencia en un proceso con el fin de evitar accesos a otras memorias, reduciendo considerablemente el tiempo de acceso al ser más rápida que el resto de la memoria principal.

Memoria caché La memoria caché es una memoria en la que se almacena

un serie de datos para su rápido acceso. La memoria caché de un microprocesador es de tipo volátil (del tipo RAM), pero de una gran velocidad

Su objetivo es almacenar una serie de instrucciones y datos a los que el microprocesador accede continuamente, con el fin de que estos accesos sean instantáneos.

Estas instrucciones y datos son aquellas a las que el procesador necesita estar accediendo de forma continua, por lo que para el rendimiento del procesador es imprescindible que este acceso sea lo más rápido y fluido posible.

Memoria caché – Operación básica

Cuando la CPU necesita acceder a memoria, se revisa la caché.

Si se encuentra la palabra en caché, se lee de la memoria rápida.

Si la palabra direccionada de la CPU no se encuentra en caché, se accede la memoria principal para leer la palabra.

Después, se transfiere un bloque de palabras que contiene la que se acaba de acceder, de la memoria principal a la memoria caché.

El tamaño de bloque puede variar de una palabra a cerca de 16 palabras adyacentes a la que se acceso.

En esta manera, se trasfieren algunos datos caché para quelas futuras referencias a memoria encuentren la palabra requerida en la memoria rápida caché.

Tipos de memoria Caché

Caché de 1er nivel (L1): Integrada en el núcleo del microprocesador,

trabajando a la misma velocidad que este. La cantidad de memoria caché L1 varía de un

microprocesador a otro, estando normalmente entra los 64KBy los 256KB.

Esta memoria suele a su vez estar dividida en dos partes dedicadas, una para instrucciones y otra para datos.

Tipos de memoria Caché

Caché de 2º nivel (L2): Integrada en el microprocesador, no directamente

en el núcleo, es algo más lenta que la caché L1. La caché L2 suele ser mayor que la caché L1,

pudiendo llegara superar los 2MB. Su utilización está más encaminada a programas

que al sistema.

Tipos de memoria Caché

Caché de 3er nivel (L3): Es un tipo de memoria caché más lenta que la L2. En un principio esta caché estaba incorporada a

la placa base, no al microprocesador, y su velocidad de acceso era bastante más lenta que una caché de nivel 2 o 1, ya que si bien sigue siendo una memoria de una gran rapidez (muy superior a la RAM, y mucho más en la época en la que se utilizaba), depende de la comunicación entre el microprocesador y la placa base.

Memoria principal (algunos aspectos) Son circuitos integrados capaces de

almacenar información, a los que tiene acceso el microprocesador.

Poseen una menor capacidad de almacenamiento que la memoria secundaria, pero una velocidad superior.

Memoria principal (algunos aspectos) La memoria principal esta divida en:

Memoria ROM Memoria de sólo lectura (Read Only Memory) son

utilizadas como medio de almacenamiento de datos en las computadoras.

En ella no se puede escribir y conserva intacta la información almacenada, incluso en el caso de que se interrumpa la corriente(memora no volátil)

La ROM suele almacenar la configuración del sistema o el programa de arranque de la computadora

Memoria principal (algunos aspectos) La memoria principal esta divida en:

Memoria ROM Memoria de sólo lectura (Read Only Memory) son

utilizadas como medio de almacenamiento de datos en las computadoras.

En ella no se puede escribir y conserva intacta la información almacenada, incluso en el caso de que se interrumpa la corriente(memora no volátil)

La ROM suele almacenar la configuración del sistema o el programa de arranque de la computadora

Memoria principal (algunos aspectos) La memoria principal esta divida en: Memoria ROM

Uso principal Reside en la distribución de programas

que estén estrechamente ligados al soporte físico de la computadora, y que seguramente no necesitan actualización.

La memoria RAM normalmente es más rápida para lectura que la mayoría de las memorias ROM, por lo tanto el contenido ROM se suele traspasar normalmente a la memoria RAM cuando se utiliza

El software de la ROM se divide en dos partes Rutina de arranque:

Realiza el chequeo de los componentes de la computadora por ejemplo circuitos controladores de video, de acceso a memoria, el teclado, unidades de disco.

Se encarga de determinar cuál es el hardware que está presente y de la puesta a punto de la computadora.

Mediante un programa de configuración, el SETUP, lee una memoria llamada CMOS RAM (RAM de Semiconductor de óxido metálico).

Ésta puede mantener su contenido durante varios años, aunque la computadora está apagada, con muy poca energía eléctrica suministrada por una batería, guarda la fecha, hora, la memoria…

El software de la ROM se divide en dos partes Rutina de arranque:

Se encarga en el siguiente paso de realizar el «booteo» (arranque): lee un registro de arranque 'BR' (Boot Record) del disco duro o de otra unidad (como CD/DVD, USB, etc), donde hay un programa que carga el sistema operativo a la RAM.

A continuación cede el control a dicho sistema operativo y «el ordenador queda listo para trabajar»

El software de la ROM se divide en dos partes Rutina BIOS.

Sistema básico de entrada salida (Basic inputoutput system): permanece activa mientras se está usando la PC. Permite la activación de los periféricos de entrada/salida: teclado, monitor, etc

Memoria RAM

La memoria de acceso aleatorio, o memoria de acceso directo (Random Access Memory).

Se compone de uno o más chips y se utiliza como memoria de trabajo para programas y datos.

Es un tipo de memoria temporal (pierde sus datos cuando se queda sin energía)

Se trata de una memoria de semiconductor en la que se puede tanto leer como escribir información.

Se utiliza normalmente como memoria temporal para almacenar resultados intermedios y datos similares no permanentes.

Memoria RAM

Se dicen "de acceso aleatorio" o "de acceso directo" porque los diferentes accesos son independientes entre sí.

Las RAM’s se dividen en: Estáticas: mantiene su contenido inalterado mientras

esté alimentada. Dinámica: la lectura es destructiva, es decir que la

información se pierde al leerla, para evitarlo hay que restaurar la información contenida en sus celdas, operación denominada «refresco»

Próxima lección…

Memoria RAM Conceptos Funcionamiento / Acceso Clasificación …

Memoria Caché Conceptos Clasificación Funcionamiento