Estructura y Tecnología de Ordenadores Noviembre 2004

Introducción a la memoria Conceptos básicos Características  Capacidad de almacenamiento  Velocidad y Tiempo de acceso  Coste por bit  Modos de acceso Jerarquía de Memoria

Introducción El computador consta de 3 bloques:  la UCP o procesador  la memoria  los módulos de entrada y salida

Influencia de la memoria en el rendimiento del computador Velocidad y capacidad de almacenamiento son los dos parámetros que determinan el comportamiento de la memoria  Accesos para ejecutar las instrucciones

Influencia de la memoria en el rendimiento del computador Ejemplo: En un computador el tiempo que se tarda en leer o escribir la memoria es de 2 ns. Para realizar cada instrucción se efectúan cuatro accesos a la memoria:  lectura del código de la instrucción  lectura del primer operando  lectura del segundo operando  escritura del resultado Por otra parte, el procesador tarda 3 ns en interpretar y ejecutar cada instrucción. a)¿cuánto tiempo se tarda en ejecutar cada instrucción? b) si se cambia la memoria por otra que tenga de tiempo de aceso 1 ns, ¿en qué porcentaje se aumentará la potencia de procesamiento o rendimiento del computador?

Influencia de la memoria en el rendimiento del computador Solución: tiempo de ejecución= tiempo memoria + tiempo procesador a) tiempo de ejecución= (4.2) +3 = 11 ns b) tiempo de ejecución= (4.1) +3 = 7 ns La mejora de rendimiento del procesador es de 63,33% con el cambio de memoria.

Almacenamiento La memoria es un conjunto de posiciones, cada una de las cuales contiene un número determinado de bits. Los 0 y 1 que componen las instrucciones y datos se agrupan formando palabras de 4, 8, 16, 32 o 64 bits, ue suele coincidir con el número de bits que contiene cada posición de la memoria. Los dispositivos de memoria solo admiten dos tipos de operaciones básicas: lectura y escritura. El nro de posiciones de las memorias es una potencia de 2 elevado al nro de bits de dirección.

Almacenamiento Ejemplo: si un elemento de memoria con 16 posiciones necesita 4 bits para indicar la dirección de una de ellas, puesto que 16= 24.

Almacenamiento Cada casillero recibe el nombre de posición de memoria y al número de orden se le llama dirección de memoria. Cada posición de memoria está formada por pequeños dispositivos de forma que cada uno de ellos puede adoptar uno de los dos estados binarios ON-1 OFF-0.

Almacenamiento La memoria principal es un medio electrónico en le que se almacenan: 1. Las instrucciones que compone un programa. 2. Las instrucciones que se ejecutan en un momento dado. 3. Los datos de un programa. 4. Los datos con los que se trabaja en un momento dado. 5. Los resultados de un proceso

Almacenamiento Características principales Capacidad de almacenamiento Velocidad o tiempo de acceso Coste por bit

Almacenamiento La capacidad de almacenamiento depende del nro de posiciones que posea y la longitud de cada una. Las medidas mas usuales son:

Almacenamiento Ejemplo: Estructura simplificada de una memoria que dispone de 128 palabras de 16 bits cada una. Se pide: capacidad total en bits Nro de bits que se necesitan para indicar la dirección de una posición concreta. Es decir, líneas del bus de direcciones.

Almacenamiento Solución: 128 x 16 = 2048 bits N = 7, porque 27 = 128

Velocidad y tiempo de acceso Para evaluar la velocidad de funcionamiento de un dispositivo de memoria se utilizan tres parámetros:  Tiempo de acceso (TA)  Tiempo de ciclo de memoria (TC)  Frecuencia de acceso (FA)

Tiempo de acceso (TA) Es el tiempo que se tarda en leer o escribir una palabra del elemento de memoria. Tiempo que transcurre entre el instante que se proporciona la dirección a la memoria y el momento en que el dato está disponible en el exterior (lectura) o queda grabado (escritura).

Tiempo de acceso (TA) Ejemplo: Calcular el tiempo total que se tarda en leer 2000 palabras de un dispositivo de memoria del tipo de disco magnético, que tiene un tiempo de acceso de 2 ms (2 x 10 -3s).

Tiempo de acceso (TA) Solución: 200 x 2 x =4 s.

Tiempo de acceso (TA) Las memorias con los tiempos de acceso más reducidos se comercializan como circuitos integrados y su tiempo de acceso se mide en ns s. Así, las memorias DRAM (RAM dinámicas) disponen de tiempos de acceso inferiores a 100 ns, y las memorias SRAM (RAM estáticas) son de 5 a 6 veces más rápidas.

Tiempo de ciclo de memoria (TC) Es el tiempo mínimo que debe transcurrir entre dos accesos consecutivos a la memoria. Dicho tiempo es superior al tiempo de acceso, ya que se debe dejar pasar cierto tiempo desde un acceso y otro. Por ejemplo, con las memorias DRAM, después de realizar una lectura hay que esperar cierto tiempo a que se restaure, por que la información se degrada. En este caso el tiempo entre dos accesos consecutivos (TC) es igual al de acceso (TA) más el de restauración de la información (TRES).

Tiempo de ciclo de memoria (TC) Ejemplo: Calcular el nro de lecturas que se pueden realizar a un dispositivo de memoria DRAM en 1 segundo, sabiendo que: TA = 80 ns y TRES = 20 ns.

Tiempo de ciclo de memoria (TC) Solución: TC =TA + TRES = = 100 ns Nro de lecturas/ segundo = 1/ =107 = 10 millones La DRAM puede efectuar 10 millones de lecturas en 1 segundo.

Frecuencia de acceso (FA) Es el nro de acceso a posiciones de memoria que puede efectuarse en un segundo (velocidad de transferencia). Determina el nro de palabras que se pueden leer o escribir por unidad de tiempo. Suponiendo que el tiempo de ciclo de la memoria es el mismo para todas las posiciones de memoria e indiferente de si es lectura o escritura se tiene que: FA = 1 / TC

Frecuencia de acceso (FA) Ejemplo: Un disco magnético tiene un tiempo de ciclo de memoria de 4 ms. Si cada posición consta de 16 bits, calcular el número de bytes que pueden ser leídos o escritos en 3 segundos.

Frecuencia de acceso (FA) Solución FA = 1/ TC = 1 /4.10-3= 250 palabras / s Como una palabra tiene 2 bytes, FA = 500 bytes/s.

Coste por bit Es el precio que se paga por cada unidad mínima de información, o sea, por bit, en un determinado dispositivo de memoria.

Coste por bit Ejemplo: Se adquiere un módulo de memoria DRAM de 1MB de capacidad por 5 € y un disquete de 1,5 MB por 1€. Calcular la relación que existe entre los dos dispositivos con referencia al parámetro coste/bit.

Coste por bit Solución: DRAM: Coste/ bit = 5/ = 0, € Disquete: Coste/ bit = 1/ 1, = 0, € El disquete es aproximadamente 8 veces más barato que la DRAM, con referencia al coste/bit.

Otras características Unidad de transferencia Modo de acceso Modos de almacenamiento físico

Otras características Unidad de transferencia Es el nro de bits que se obtienen cuando se realiza una lectura, o bien el nro de bits que se escriben en una operación de escritura. Suele coincidir con el tamaño de la posición direccionada, aunque a veces no es así, por que pueden transferirse “bloques” de palabras.

Otras características Modo de acceso Es el método que sigue la memoria para acceder a una determinada posición. Se pueden diferenciar cuatro modos de acceso principales:  Acceso aleatorio  Acceso secuencial  Acceso directo  Acceso asociativo

Modo de acceso Acceso aleatorio: se accede a cualquier posición de la memoria en cualquier orden sin que esto influya en el tiempo de lectura o escritura. El tiempo de acceso es independiente de la posición a acceder. Se denominan RAM (Memorias de acceso aleatorio).

Modo de acceso Acceso secuencial: se accede a la información de forma secuencial, el tiempo necesario para acceder a una información depende de la posición que ocupa. Se denominan SAM (Memorias de acceso secuencial).

Modo de acceso Acceso directo: para poder acceder a una determinada información se determina el bloque al que pertenece y luego se busca secuencialmente dentro del bloque. El tiempo de acceso también depende de la posición que ocupa.

Modo de acceso Acceso asociativo: son memorias de acceso aleatorio, pero en lugar de proporcionar la dirección de la información para el acceso se proporciona el valor de un campo de posición. Las posiciones de este tipo de memorias constan de dos campos: campo de etiqueta y campo de dato. Para buscar una información se proporciona un valor que se compara con los campos de las etiquetas. Si una posición tiene una etiqueta cuyo valor sea el mismo que el valor dado, se obtiene el campo dato asociado a esa posición como información de salida. Todas las comparaciones con las etiquetas de la memoria se realizan en paralelo, consiguiendo un tiempo de acceso muy reducido. A este tipo de memorias se las denomina CAM (Memorias de acceso por contenido).

Modo de acceso Ejemplo: Para leer una información se coloca en el bus de direcciones la dirección binaria de la posición que la contiene: ¿ a que modo de acceso responde esta memoria? Si se coloca en el bus de direcciones el valor 111 y se activa la señal de lectura (LECT= 1), ¿qué se obtiene en el bus de datos?.

Modo de acceso Solución: a) Acceso aleatorio (RAM) B) Si LECT = 1 y en el bus de direcciones se coloca el valor de 111, se obtiene en el bus de datos el contenido de la dirección de la palabra 7 que es 1001.

Modelos físicos Según la tecnología aplicada en la construcción de los dispositivos de memoria, pueden verse los cuatro modelos principales: Memorias electrónicas de semiconductores Memorias magnéticas Memorias ópticas Memorias especiales

Propiedades de almacenamiento Según las propiedades de almacenamiento, los más significativos son: 1- Permanencia de la información (volátil, dinámico/estático) 2- Alterabilidad

Jerarquía de Memoria La memoria ideal de un procesador sería la más rápida, de mayor capacidad y la más barata. El concepto de jerarquía de memoria consiste en distribuir la información a manejar por el procesador en diversos tipos de memoria, de forma que, se ubique el modelo de memoria más rápido y de menor capacidad cerca del procesador y más lejos, el modelo más lento pero de mayor capacidad, que soporte la totalidad del código y los datos.

Jerarquía de Memoria

El procesador se comunica exclusivamente con la memoria rápida y pequeña, que se carga dinámicamente con la información que va a precisar el procesador y que recibe desde la memoria lenta y grande. La memoria de nivel inferior contiene todo lo que se halla almacenado en el nivel superior, más parte de lo nuevo. En el nivel inferior está almacenada la totalidad del código y de los datos.

Jerarquía de Memoria Como el trabajo de ejecución de instrucciones se basa en continuas transferencias entre memoria y UCP, los tiempos de respuesta de ambos han de ser semejantes. Para que no se produzcan “parones” durante el intercambio de información, hay que conseguir que se cargue en la memoria lo que se usará en un futuro inmediato, lo que supone “predecir”, asimismo también habrá que “adivinar” lo que no se va a usar para quitarlo y liberar espacio.

Jerarquía de Memoria Esta previsión es posible gracias al principio de localidad:  En un momento determinado solo se accede a una parte pequeña de un programa en curso, y el próximo trozo de programa que se utilizará sigue las reglas de localidad.

Jerarquía de Memoria Reglas de localidad Localidad temporal: si un elemento de información de la memoria (código o dato) ha sido accedido o referenciado, volverá a ser referenciado pronto.  Ej. Un bucle, que se referencia una y otra vez. Localidad espacial: cuando la UCP acaba de referenciar a un elemento, tiende a referenciar, seguidamente, elementos cuyas direcciones son próximas.  Ej. Propia estructura de un programa, cuyas instrucciones se ejecutan una tras otra, secuencialmente.

Jerarquía de Memoria En la arquitectura de un computador, generalmente pueden encontrarse cuatro niveles en jerarquía de la memoria: Nivel 0 (superior): registros internos del procesador Nivel 1: memoria caché Nivel 2: memoria principal Nivel 3 (inferior): memoria secundaria externa