Tema 5: Organización de la memoria: memoria principal.

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1 Objetivos: Tea 5: Orgaizació de la eoria: eoria pricipal Coocer las características geerales de los diferetes tipos de eoria que aparece e u coputador digital y aalizar la ecesidad de su orgaizació jerárquica Estudiar las diferetes foras de cofiguració itera de la eoria pricipal de u coputador Coocer las técicas de diseño de eorias a partir de ódulos ás eleetales así coo las fucioes de selecció que perite ubicarlas e el espacio de direccioes Diseñar sisteas de eoria co detecció y correcció de fallos Auetar el acho de bada de la eoria pricipal utilizado u diseño odular co acceso siultáeo a cada ódulo y técicas de etrelazado de direccioes Coteido Características geerales de las eorias 2 Orgaizació itera de la eoria pricipal 3 Diseño de eorias 4 Detecció y correcció de errores 5 Meoria etrelazada Características geerales de las eorias Las eorias se puede clasificar atediedo a diferetes criterios Revisareos e los apartados siguietes los ás sigificativos: Método de acceso Acceso aleatorio (RAM): acceso directo y tiepo de acceso costate e idepediete de la posició de eoria Acceso secuecial (SAM): tiepo de acceso depediete de la posició de eoria Acceso directo (DAM): acceso directo a u sector co tiepo de acceso depediete de la posició, y acceso secuecial detro del sector Asociativas CAM): acceso por coteido 2 Soporte físico Seicoductor Magéticas Ópticas Mageto-ópticas

2 3 Alterabilidad RAM: lectura y escritura ROM (Read ly Meory): So eorias de sólo lectura Existe diferetes variates: ROM prograadas por áscara, cuya iforació se escribe e el proceso de fabricació y o se puede odificar PROM, o ROM prograable ua sola vez Utiliza ua atriz de diodos cuya uió se puede destruir aplicado sobre ella ua sobretesió EPROM (Erasable PROM) o RPROM (Reprograable ROM), cuyo coteido puede borrarse ediate rayos ultravioletas para volverlas a escribir EAROM (Electrically Alterable ROM) o EEROM (Electrically Erasable ROM), so eorias que está etre las RAM y las ROM ya que su coteido se puede volver a escribir por edios eléctricos Se diferecia de las RAM e que o so volátiles Meoria FLASH Utiliza tecología de borrado eléctrico al igual que las EEPROM, pero puede ser borradas y reprograadas e bloques, y o palabra por palabra coo ocurre co las tradicioales EEPROM Ofrece u bajo cosuo y ua alta velocidad de acceso, alcazado u tiepo de vida de uos ciclos de escritura 4 Volatilidad co la fuete de eergía Volátiles: ecesita la fuete de eergía para ateer la iforació No volátiles: atiee la iforació si aporte de eergía 5 Duració de la iforació Estáticas: el coteido peraece ialterable ietras está polarizadas Diáicas: el coteido sólo dura u corto período de tiepo, por lo que es ecesario refrescarlo (reescribirlo) periódicaete 6 Proceso de lectura Lectura destructiva: ecesita reescritura después de ua lectura Lectura o destructiva 7 Ubicació e el coputador Itera (CPU): registros, cache(l), cache(l2), cache(l3), eoria pricipal Extera (E/S): discos, citas, etc 8 Paráetros de velocidad Tiepo de acceso Tiepo de ciclo Acho de bada(frecuecia de acceso) 9 Uidades de trasferecia Palabras Bloques Jerarquía de las uidades de eoria de u coputador 2

3 Las distitas eorias presetes e u coputador se orgaiza de fora jerárquica: aueta capacidad ivel superior Registros de la CPU Meoria cache(l,l2,l3) aueta velocidad Meoria pricipal Discos agéticos Citas, CD-ROM, etc E el ivel i+ se ubica ua copia de aquellos bloques del ivel i que tiee ayor probabilidad de ser refereciados e el futuro iediato ivel i+ ivel i Este ecaiso de igració etre iveles es efectivo gracias al pricipio de localidad referecial que aifiesta los prograas: espacial teporal Se cosigue que el ayor úero de referecias geerado por los prograas correspoda a iforacioes ubicadas e los iveles ás altos de la jerarquía 2 Orgaizació itera de la eoria pricipal Ua eoria pricipal se copoe de u cojuto de celdas básicas dotadas de ua deteriada orgaizació Cada celda soporta u bit de iforació Los bits se agrupa e uidades direccioables deoiadas palabras La logitud de palabra la deteria el úero de bits que la copoe y costituye la resolució de la eoria (íia catidad de iforació direccioable) La logitud de palabra suele oscilar desde 8 bits (byte) hasta 64 bits Cada celda básica es u dispositivo físico co dos estados estables (o sei-estables) co capacidad para cabiar el estado (escritura) y deteriar su valor (lectura) Auque e los prieros coputadores se utilizaro los ateriales agéticos coo soporte de las celdas de eoria pricipal (eorias de ferritas, de película delgada, etc) e la actualidad sólo se utiliza los ateriales seicoductores 3

4 Detro de las eorias electróicas de seicoductor podeos distiguir dos grades grupos: las estáticas (SRAM: Static Rado Access Meory) y las diáicas (DRAM: Dyaic Rado Access Meory) Las estáticas utiliza el pricipio de biestabilidad que se cosigue co dos puertas iversoras (NAND ó NOR) realietadas, ietras que las diáicas aprovecha la carga o ausecia de carga de u pequeño codesador creado e u aterial seicoductor Debido a la descarga atural que sufre las celdas cargadas, las eorias diáicas ecesita u sistea de refresco que periódicaete - y ates que la carga eléctrica del codesador se haga idetectable - recargue las celdas que se ecuetra e estado de carga Desde u puto de vista coceptual y co idepedecia de la tecología, cosiderareos la celda básica de eoria coo u bloque co tres líeas de etrada (etrada dato, selecció y lectura/escritura) y ua de salida (salida dato) La celda sólo opera (lectura ó escritura) cuado la selecció está activa Selecció Etrada dato Salida dato Lectura/Escritura 2 Orgaizació itera de la eoria Las celdas de eoria se dispoe e el iterior de u chip atediedo a dos orgaizacioes pricipales: la orgaizació por palabras, tabié deoiada 2D, y la orgaizació por bits, tabié deoiada 2 ½ D o 3D 22 Orgaizació 2D Es la orgaizació ás secilla que respode al esquea ostrado e la siguiete figura: direcció Selecció 2 Matriz de celdas 2 * celdas Cotrol datos etrada datos salida Las celdas fora ua atriz de 2 filas y coluas, siedo 2 el úero de palabras del chip y el úero de bits de cada palabra Cada fila es seleccioada por la decodificació de ua cofiguració diferete de los bits de direcció Esta orgaizació tiee el icoveiete que el selector (decodificador) de palabras crece expoecialete co el taaño de la eoria Igual le ocurre al úero de etradas (fa-i) de las puertas OR que geera la salida de datos 4

5 bits: Ejeplo E la siguiete figura se uestra la orgaizació 2D de u chip de eoria co 4 palabras de 4 De De De2 De3 A A DEC Orgaizació 3D Ds Ds Ds2 Ds3 E lugar de ua úica selecció (decodificador) de 2 salidas e esta orgaizació se utiliza dos decodificadores de 2 /2 operado e coicidecia Las líeas de direcció se reparte etre los dos decodificadores Para ua cofiguració dada de las líeas de direcció se seleccioa u úico bit de la atriz Por ello se la deoia tabié orgaizació por bits Selecció X 2 /2 /2 direcció /2 Selecció Y 2 /2 Matriz de celdas 2 * celdas Cotrol datos etrada datos salida 5

6 Ejeplo: A2 A3 DEC 2 3 A A DEC 3 2 E esta orgaizació se ecesita varias atrices de celdas básicas, tatas coo bits deba teer la palabra de eoria, actuado sobre ellas e paralelo los circuitos de decodificació: DEC X ua palabra DEC Y 3 Diseño de eorias Cuado se ha de diseñar ua eoria pricipal cuyas diesioes (úero de bits y úero de palabras) excede a las de u chip, se tiee que dispoer varios chips e ua placa de circuito ipreso para alcazar las diesioes requeridas Para ayor claridad tratareos idepedieteete cada ua de las diesioes 6

7 3 Apliació del úero de bits de la palabra de eoria Se trata de forar ua eoria de 2 * ( * k) bits a partir de chips de 2 * bits 2 * bits 2 * * k bits *k El esquea geeral se uestra e la siguiete figura Sipleete se dispoe e paralelo k chips de 2 * bits al que llegaría las isas líeas de direcció y cotrol Cada chip aportaría líeas de datos a la palabra de la eoria total 2 k 2 * bits 2 * bits 2 * bits k Ejeplo: Diseño de ua eoria de K * 8 bits a partir de ódulos (chips) de K * 2 bits; A A A9 K * 2 bits K * 2 bits K * 2 bits K * 2 bits D D7 7

8 32 Apliació del úero de palabras de eoria Se trata de forar ua eoria de 2 * * N bits a partir de chips de 2 * bit, es decir, auetar el úero de palabras ateiedo la isa logitud de palabra +k 2 * bits 2 * N * bits El esquea geeral se uestra e la siguiete figura La ueva eoria tedrá + k líeas de direcció Se dispoe N=2 k chips e paralelo a los que se lleva las isas líeas de datos, las isas líeas de direcció eos sigificativas y la isa líea de lectura/escritura () Las k líeas de direcció ás sigificativas se decodifica para activar co cada salida del decodificador el selector de chip () de cada uo de los N=2 k chips A+k+,A direccioes 2 k - DEC A-,A 2 N 2 * bits 2 * bits 2 * bits bus de datos 8

9 Ejeplo: Diseño de ua eoria de 4K * 8 bits co ódulos de K * 8 bits; A A DEC A A A9 K * 8 bits K * 8 bits K * 8 bits K * 8 bits D D7 33 Apliació de la logitud y el úero de palabras de eoria E este caso apliaríaos e prier lugar el úero de líeas de datos (logitud de palabra) y co los bloques resultates diseñaríaos ua eoria co ayor úero de palabras +k 2 * bits 2 * N * * k bits *k 34 Ubicació e el espacio de direccioes Dado u espacio de direccioes d-, d-2,,d, d y ua eoria de capacidad 2 palabras( )se trata de hallar la fució lógica de selecció () que ubique a la eoria e u segeto de direccioes cosecutivas Di,Dj, así coo las señales locales de direcció de la eoria 9

10 D D D2 D3 Di Dj D2 - d- d-2 d d Meoria 2 palabras Debe cuplirse que Dj Di + = 2 Bus de direccioes d- d-2 d d Direccioes locales ld- ld-2 ld ld Meoria 2 palabras Fució de selecció Si la eoria debe ocupar posicioes cosecutivas, las líeas eos sigificativas del bus de direccioes se coectará co las líeas de direccioes locales de la eoria: ld = d ld = d ld-2 = d-2 ld- = d- La fució de selecció será ua fució booleaa de las señales del bus de direccioes: = fb(d-, d-2,,d, d) Ejeplo: Ubicar ua eoria de 8 palabras e u espacio de 4 líeas de direcció (d3,d2,d,d)

11 Ubicació : a partir de la direcció 5 () d d3 d2 d d D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D D D2 D3 D4 D5 ld2 ld ld RAM 2 3 = 8 palabbras d3 d d2 d3 d2 d d3 d2 d d3 d d d3 d2 Ubicació 2: a partir de la direcció 4 () d d3 d2 d d D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D D D2 D3 D4 D5 ld2 ld ld RAM 2 3 = 8 palabbras d3 d d2 d3 d2 d3 d2 Ubicació 3: a partir de la direcció ()

12 d d3 d2 d d D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D D D2 D3 D4 D5 ld2 ld ld RAM 2 3 = 8 palabbras d3 d3 d d2 Ubicació 4: a partir de la direcció 8 () d d3 d2 d d D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D D D2 D3 D4 D5 ld2 ld ld RAM 2 3 = 8 palabbras d3 d3 d d2 Coclusió: la fució de selecció es ás siple cuato ás alieado se ecuetre el bloque de eoria e el espacio de direccioes La áxia alieació la tedreos cuado se cupla que: direcció iicial od 2 = Es decir, el resto de dividir la direcció iicial por el taaño de bloque es igual a Caso de ódulos co ás de u selector Se siplifica la lógica global de selecció, pero hay que descopoer la fució e u producto Ejeplo: ubicació 2 (aterior) 2

13 fució de selecció: = d2 d3 + d2 d3 que e fora de producto resulta: = (d2 + d3) (d2 + d3) ld2 ld ld RAM 2 3 = 8 palabbras 2 datos d3 d2 d3 d2 34 Decodificació parcial y total Cuado se geera las fucioes de selecció de varios bloques de eoria o puertos de E/S que ha de ubicarse e el espacio de direccioes tiee que evitarse siepre que ua direcció sea asigada a ás de ua posició de eoria o registro de E/S E caso cotrario el resultado de las operacioes de lectura/escritura puede resultar icierto Si ebargo, o es ecesario que a ua posició de eoria o registro le correspoda sólo ua direcció E alguos casos, para siplificar la decodificació, y siepre que o se vaya a utilizar totalete el espacio dispoible, se puede realizar ua decodificació parcial Ejeplo: Ubicació e u espacio de direccioes de 2 líeas d, d,,d, d (2 2 = 486 = 4K) de u bloque de RAM de 2K y u puerto de E/S de 4 registros d d RAM 2 2 = 4K palabbras datos d d puerto E/S 2 2 = 4 palabbras datos 7FF 8 RAM (2K) puerto E/S d FFF (2K) La RAM la heos decodificado copletaete, e cabio el puerto de E/S preseta ua decodificació parcial, ya que heos utilizado 2K del espacio dispoible para ubicar ta sólo 4 palabras Esto sigifica que los 4 registros preseta últiples direccioes cada uo (exactaete 52): R C R D R A 8D R B 8F 3

14 Decodificació e placa A A A2 RAM 2 3 = 8K palabbras datos A3 A4 A5 A5 Decodificació e bus (back plae) A A A2 RAM 2 3 = 8K palabbras datos A2 A3 A4 DEC A5 35 Disposició de los ódulos de eoria 35 SIMM (Sigle I-lie Meory Module) U SIMM típico costa de varios chips de DRAM istalados e ua pequeña placa de circuito ipreso (PCB) que se fija verticalete a través de u coector a la placa del sistea Los SIMMs dispoe de varios foratos y úero de cotactos Ua de las vetajas de la eoria SIMM es la posibilidad de istalar gra catidad de eoria e u área reducida Alguos SIMMs de 72 cotactos cotiee 2 ó ás chips de DRAM; 4 de estos SIMMs cotiee, pues, 8 ó ás chips de DRAM Ocupa u área de 58 c2, ietras que si los chips se istalara horizotalete e la placa del sistea ocuparía 35 c2 352 DIMM (Dual I-lie Meory Module) Los ódulos de eoria DIMM, al igual que los SIMMs, se istala verticalete e los coectores de expasió La diferecia pricipal estriba e que e los SIMMs los cotactos de cada fila se ue co los cotactos correspodietes de la fila opuesta para forar u solo cotacto eléctrico; ietras que e los DIMMs los cotactos opuestos peraece eléctricaete aislados para forar dos cotactos idepedietes 4

15 4 Detecció y correcció de errores 4 Códigos detectores de errores Para la detecció de errores siples e dispositivo de eoria se suele utilizar los bits de paridad Es decir, se aplía e la logitud de palabra para alacear e las operacioes de escritura la paridad total (par o ipar) de la palabra E las operacioes de lectura se coprueba si se atiee la paridad coveida Las deteccioes de fallos de la eoria se suele traducir e excepcioes (iterrupcioes) del sistea 42 Códigos correctores de errores (Haig) El código de Haig perite la correcció de u error siple El dato a trasitir de bits de logitud se aplía co k bits de paridad, suficietes para codificar la posició de u posible bit erróeo e el esaje copleto de + k bits Es decir, deberá cuplirse que 2 k + k Nº de bits del dato Nº de bits de paridad Nº total de bits Icreeto porcetual % ,25 % ,75 % ,94 % ,25 % ,52 % Datos de etrada F Datos de salida Libre de errores siples Direccioes Meoria F COMP CORR Ejeplo Supogaos que la logitud de palabra de la eoria es = 8 5

16 Los datos de = 8 bits (d8, d7, d6, d5, d4, d3, d2, d) los apliaos co k = 4 bits de paridad (C8, C4, C2, C) para forar u esaje de + k = 2 bits (2,,, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, ) Los bits de paridad Ci ocupa las posicioes e el esaje correspodietes a las potecias de 2, es decir la, 2, 4 y 8 (de aquí el subídice i) Co los bits (C8, C4, C2, C) se codifica todas las posicioes del esaje (2), es decir: (C8, C4, C2, C) = = e decial para, (C8, C4, C2, C) = = 2 e decial para 2, de aera que cuado se produzca u error siple (copleetació de u bit) e el bit j del esaje, (C8, C4, C2, C) sea igual a j e decial Es decir, Ci deberá recoger la paridad de todos los j que tega Ci = e su codificació, icluido el propio Ci: d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d datos C8 C4 C2 C paridades esaje C8 C4 C2 C d8 d7 d6 d5 = C8 d8 d4 d3 d2 = C4 d7 d6 d4 d3 d = C2 d7 d5 d4 d2 d = C El sistea de eoria deberá geerar e la escritura los bits de paridad Ci para alacearlos juto a los bits de datos Supogaos que el dato escrito es: d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d = Los bits de paridad para el código de Haig valdrá: Fució F: 6

17 C8 = d8d7d6d5 = = C4 = d8d4d3d2 = = C2 = d7d6d4d3d = = C = d7d5d4d2d = = E la lectura se geerará de uevo los bits de paridad co el bloque F a partir de los bits de datos leídos de eoria El bloque F respode a la isa fució lógica que F Supogaos que e la lectura se produce u error siple e d5, es decir, escribios u y heos leído u, el valor de F será: Fució F : C 8 = d 8d 7d 6d 5 = = C 4 = d 8d 4d 3d 2 = = C 2 = d 7d 6d 4d 3d = = C = d 7d 5d 4d 2d = = Para detectar la existecia de u error siple y su posició (para poderlo corregir) coparaos (Coparador COMP) los bits de paridad geerados e la lectura, C i co los alaceados e la escritura, Ci: Coporador COMP: C 8 = C8 C 8 = = C 4 = C4 C 4 = = C 2 = C2 C 2 = = C = C C = = Si el resultado de la coparació es C 8 C 4 C 2 C = sigifica que o se ha producido error Si se ha producido u error, los Ci codificará su posició E uestro ejeplo el resultado de la coparació vale C 8 C 4 C 2 C = = 9 (decial) el bit 9 del esaje ha fallado, es decir el bit de datos d5 Para corregir el error decodificaos su posició, es decir, los Ci (decodificador DEC), co lo que dispoeos de ua líea idividual para cada posible posició de error Co cada ua de estas líeas podeos cotrolar la iversió o o de la correspodiete líea de datos di leída de eoria, segú que se haya producido o o error e dicha líea Para la iversió cotrolada de estas líeas utilizaos ua etapa de puertas XOR E la siguiete figura aparece el esquea copleto de la eoria tolerate a u fallo siple y el proceso de correcció del fallo que heos supuesto e el ejeplo 7

18 d d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 F Direccioes error F COMP DEC Ausecia de error Corrector d d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 F = F F C8 = d8d7d6d5 C4 = d8d4d3d2 C2 = d7d6d4d3d C = d7d5d4d2d Corrector D8 = dec2 d 8 D7 = dec d 7 D6 = dec d 6 D5 = dec9 d 5 D4 = dec7 d 4 D3 = dec6 d 3 D2 = dec5 d 2 D = dec3 d 5 Meoria etrelazada Para auetar el acho de bada de ua eoria pricipal se puede descopoer e ódulos co accesos idepedietes, de aera que se pueda acceder siultáeaete a ua palabra de cada uo de los ódulos 8

19 Meoria pricipal R Direccioes R Direccioes R Direccioes Módulo M Módulo M Módulo Mk R Datos R Datos R Datos Existe diferetes eleetos de diseño e ua eoria odular, siedo el orde del etrelazado de las direccioes uo de los pricipales Básicaete existe dos tipos de etrelazado para el espacio de direccioes de ua eoria: etrelazado de orde superior y etrelazado de orde iferior 5 Etrelazado de orde superior Mp = 2 palabras Se divide Mp e 2 ódulos de 2 - palabras bits Módulo ( ) bits Direcció detro del ódulo Etrelazado de orde superior Módulo M Módulo M Módulo Mk R Datos R Datos R Datos D E C 9

20 Ejeplo: Para = 5 y = 2 tedríaos ua distribució de direccioes de aera que las cosecutivas irá e el iso ódulo: ódulo Diródulo M ódulo Diródulo M ódulo Diródulo M2 ódulo Diródulo M Etrelazado de orde iferior Etrelazado de orde iferior Direcció detro del ódulo Módulo Módulo M Módulo M Módulo Mk R Datos R Datos R Datos D E C Ejeplo: Para = 5 y = 2 el etrelazado de orde iferior produciría ua distribució de direccioes de aera que las cosecutivas irá e ódulos diferetes: 2

21 Diródulo ódulo M Diródulo ódulo M Diródulo ódulo M2 Diródulo ódulo M Meoria etrelazada co orgaizació S La orgaizació S (Secilla) utiliza etrelazado de orde iferior, accediedo siultáeaete, co la isa direcció local, a la isa palabra de cada uo de los ódulos Orgaizació S ( ) bits bits Direcció detro del ódulo Módulo Módulo M Módulo M Módulo Mk R Datos R Datos R Datos MUX Cotrol Salida 2

22 Módulos M 2 - M acceso acceso acceso 2 acceso 3 acceso 2 acceso 3 M Salida acceso acceso 2 acceso 3 (p,m) (p,m) (p,m 2 - ) (p,m) (p,m) (p,m 2 - ) tiepo 54 Meoria etrelazada co orgaizació C Orgaizació C D E C Cotrolador De Meoria Direcció Cotrol Direcció Cotrol Direcció Cotrol Módulo M Módulo M Módulo Mk 22

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