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• Fernando López Marcos

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JERARQUÍA DE LAS MEMORIAS DE UNA COMPUTADORA

Conforme descendemos la jerarquía, disminuye el costo por bit, aumenta la capacidad y también el tiempo de acceso a ésta. CARACTERÍSTICAS CLAVE DE LAS MEMORIAS DE UNA COMPUADORA Ubicación o Procesador o Interna o Externa Capacidad Organización Unidad de transferencia: El número de palabas que se pueden escribir a la vez Método de acceso o Secuencial: la memoria se organiza en unidades de datos llamadas registros. El acceso debe realizarse con una secuencia lineal específica. Se hace uso de

o

o

o

información almacenada de direccionamiento que permite separar los registros y ayudar en el proceso derecuperación de datos. Directo: Se realiza de manera similar al secuencial, con la diferencia de que los registros poseen una dirección única basada en su ubicación física. Aleatorio: Cada posición direccionable de memoria tiene un único mecanismo de acceso cableado físicamente. El tiempo para acceder a una posición dada es constante e independiente de la secuencia de accesos previos. Por tanto, cualquier posición puede seleccionarse de forma aleatoria y ser direccionada y accedida inmediatamente.

Asociativo: Similar al acceso aleatorio, pero ésta permite hacer una comparación de ciertas posiciones de bits dentro de una palabra buscando que coincidan con unos valores dados, proceso que realiza para todas las palabras simultáneamente. Una palabra es por tanto recuperada basándose en una porción de su contenido en lugar de su dirección. Prestaciones o Tiempo de acceso (latencia) o Tiempo de ciclo: Tiempo de acceso mas el tiempo de espera para realizar la siguiente operación. o Velocidad de transferencia Características físicas o Volátil/No volátil o Borrable/No borrable

MEMORIA INTERNA MEMORIA ROM (READ ONLY MEMORY O MEMORIA DE SOLO LECTURA) Es un bloque combinacional que permite guardar el valor de 2m datos de n bits, el cual solo es posible grabar una vez y no hay posibilidad de modificar. Los elementos que componen una memoria ROM son los siguientes: Los 2m bloques donde se almacenan. La posición que ocupa cada uno de los bloques en la memoria se denominan direcciones. Una entrada de dirección de m bits, que nos indica a que dirección de la memoria debemos acceder. Una salida de datos de n bits. Cabe aclarar que durante un ciclo de reloj, solo es posible acceder a una solo dirección de la memoria. Como su nombre claramente lo indica, estas memorias no pueden modificarse ni borrarse, ni intencional ni accidentalmente, ya que su grabado se hace desde su fabricación. Por ésta razón, el siguiente avance fue la PROM (Programmable ROM), la cual permite ser programada por el usuario, solo una vez. Mas adelante nacería la EPROM, la cual no solamente es programada por el usuario, sino puede ser borrada por éste, con solo exponerla a rayos ultravioleta. Su organización es similar a las de las SRAM’s. Todavía avanzada que la EPROM es la EEPROM, la cual es más fácil de borrar, por medio de un aplicación de pulsaciones. Otra ventaja es que puede ser reprogramada ya instalada en donde se requiere, mientras que la EPROM debe ser insertada en un dispositivo especial para realizar ésta labor. Pero no todo son ventajas, las EEPROM son mucho más pequeñas que las EPROM y son dos veces más lentas que éstas. Una clase de EEPROM es la Memoria Flash, la cual se puede borrar y reescribir a bloques, además de que éstos procesos puede hacerse sin desconectarse del circuito al que pertenecen. En los últimos años, se ha generalizado el uso de pequeñas tarjetas de circuitos impresos con capacidad de decenas, centenas o hasta millares de megabytes. Además, su tiempo de acceso no supera los 100ns.

Desafortunadamente, éstas se desgastan después de unos 10,000 borrados, mientras que los discos duros tardan décadas en echarse a perder, por más veces que se borren y reescriban. MEMORIA CACHÉ Su objetivo es aumentar al máximo la transferencia de los datos desde el CPU hacia la memoria principal (RAM), principalmente algunas direcciones a las que el usuario recurre con frecuencia.

CPU

Caché

RAM

La memoria caché contiene una copia de partes de la memoria principal. Cuando el procesador intenta leer datos desde la memoria RAM, primero comprueba si la palabra está en caché. Si es así, se entrega al procesador. Si no, un bloque de memoria principal, se transfiere a la caché y después la palabra es entregada al procesador. Cuando un bloque de datos es capturado por la caché para satisfacer una referencia a memoria simple, es probable que se hagan referencias futuras a la misma posición de memoria o a otras palabras del mismo bloque.

(No)

¿Esta la palabra en Caché?

(Si) Lee el dato desde Caché.

Accesa a la memoria RAM

Lee el dato desde la RAM

Carga el bloque de memoria principal en Caché

Para escoger la caché adecuada, debemos tomar en cuenta que ésta no debe ser tan grande, ya que esto disminuiría su velocidad. Recordemos que el objetivo de tener memoria caché es el de acelerar el proceso de traer datos desde la RAM. Tabla de tamaños de caché de algunos procesadores. Computadora IBM 360/55 PDP 11/70 VAX 11/780 IBM 3033 IBM 3090 Intel 80486 Pentium PowerPC 601 PowerPC 620 PowerPC 64 IBM S/390 G4 IBM S/390 G6 Pentium 4 IBM SP

Año de lanzamiento 1968 1975 1978 1978 1985 1989 1993 1993 1996 1999 1997 1999 2000 2000

Caché L1 (en KB) De 16 a 32 1 16 64 128 a 256 8 8/8 32 32/32 32/32 64/32 256 8/8 64/32

Caché L2 (en KB) De 256 a 512 256 a 1024 256 8192 256 8192

Caché L3 (en KB) 2048 2048 -

(a/b) indica que las caché de instrucciones y la de datos están separadas. MEMORIA RAM (RANDOM ACCESS MEMORY O MEMORIA DE ACCESO ALEATORIO) Para que se pueda empezar la ejecución de las aplicaciones en el microprocesador, éstas deberán grabarse previamente dentro de la memoria RAM Una memoria RAM pequeña merma el rendimiento, ya que necesita usar parte del disco duro (memoria virtual) para ejecutar los programas, pero una RAM de gran tamaño probablemente no mejorará significativamente el desempeño, ya que el rendimiento no depende únicamente de ésta. Lo ideal es expandir la memoria RAM de una máquina cuando frecuentemente requiere el uso de la memoria virtual cuando se ejecutan diversas aplicaciones. En los últimos años las aplicaciones han mejorado considerablemente, tanto en las funciones que realizan, como en sus gráficos, lo cual requiere que posean un mayor tamaño. SRAM Se constituye internamente con circuitos similares a un flip flop D básico. Éstas memorias tienen la propiedad de que su contenido se conserva en tanto se sigue alimentando el circuito, además de que son mucho más rápidas, ya que el tiempo de acceso típico no pasa de unos cuantos

nanosegundos. Por ésta razón, las SRAM suelen ser empleadas como segundo bloque de una memoria caché.

DRAM Es una matriz de celdas, cada una de las cuales consiste de un transistor y un condensador. Los condensadores pueden cargarse y descargarse, lo que permite el almacenamiento en código binario. Debido a que la carga eléctrica tiende a fugarse con el tiempo, una DRAM deb ser refrescada cada cierto tiempo (cuyo orden se encuentra en los milisegundos) para así evitar la pérdida de los datos. El proceso de refrescamiento de la RAM es hecho por la lógica externa, éstas requieren interfaces más complejas que las estáticas, lo cual disminuye el rendimiento de éstas. Debido a que las RAM dinámicas solo necesitan un transistor y un condensador por bit, éstas suelen ser más densas. Existen varios tipos de RAM’s dinámicas: DRAM FPM (Modo de Página Rápida): Matriz de bits. El hardware accede a una dirección de renglón y luego recorre las columnas DRAM EDO (Estado de Salida Extendida): Similar a DRAM FMP, pero ésta puede acceder a una segunda referencia antes de haber completado lo anterior. Tanto en FPM como en EDO las líneas de dirección y datos no están controlados por una misma señal de reloj. SDRAM Es un híbrido entre la capacidad de la DRAM y la rapidez de la SRAM, la cual controla todas las funciones que posee con un mismo reloj síncrono. Suele formar parte de las cachés de gran tamaño, y es una de las tecnologías más preferidas.

MEMORIA EXTERNA MEMORIA VIRTUAL Es una parte del disco duro que el sistema operativo dedica para realizar las mismas operaciones de la memoria RAM. Ésta entra en operación cuando la memoria RAM está al límite de su capacidad. Cuando una máquina recurre frecuentemente a la memoria virtual, generalmente se hace más lenta, por lo que esto es un indicador de que su RAM no es suficiente para las aplicaciones que está ejecutando y que no estaría de más expandirla.

DISCOS MAGNÉTICOS Un disco magnético es un plato circular construido con metal o plástico, cubierto por un material magnetizable. Los datos se graban en él y después se recuperan del disco a través de una bobina, llamada cabeza. Durante una operación de lectura o escritura, la cabeza permanece quieta mientras el plato rota bajo ella.

Originalmente, éstos platos llegaron a medir hasta 50 cm., pero en la actualidad éstos comúnmente llegan a medir de 3 a 12 cm. El mecanismo de escritura se basa en el campo magnético producido por el flujo eléctrico que atraviesa la bobina. Se envían pulsos a la cabeza, y se graban patrones magnéticos en la superficie bajo ella, con patrones diferentes para corrientes positivas y negativas. El mecanismo de lectura se basa en la corriente eléctrica que atraviesa la bobina, producida por un campo magnético que se mueve respecto a la bobina. Cuando la superficie del disco pasa bajo la cabeza, se genera en ésta una corriente de la misma polaridad que la que produjo la grabación magnética. La cabeza es un dispositivo relativamente pequeño, capaz de leer o escribir en una zona del plato que rota bajo ella. Esto da lugar a que los datos se organicen en un conjunto de anillos concéntricos en el plato, llamados pistas. Cada pista es del mismo ancho que la cabeza y se divide en sectores de longitud fija, que típicamente contienen 600 bytes, de los cuales 512 de datos, con un preámbulo que permite a la cabeza sincronizarse antes de leer o escribir en ellos. La densidad lineal de bits alrededor de la circunferencia de la pista es diferente de la radial, y en gran medida está determinada por la pureza de la superficie y la calidad del aire. A fin de elevar éstos parámetros, en la actualidad casi todos los discos se sellan desde fábrica para impedir la entrada de polvo. A estos dispositivos se le conoce como discos Winchester.

BIBLIOGRAFÍA Duran Rodríguez, Luis. El gran libro del PC interno. Alfaomega, 2007. Sánchez Carrancedo, Fermín. Los circuitos lógicos combinacionales. UOC, 2009. (Libro virtual). Tanenbaum, Andrew S. Organización de computadoras: Un enfoque estructurado. Pearson, 2000. Stallings, William. Organización y arquitectura de computadoras. Pearson, 2005.