Manual de prácticas del Laboratorio de Dispositivos de Almacenamiento y de Entrada/Salida

Transcripción

1 Secretaría/División: Área/Departamento: Manual de prácticas del Laboratorio de Dispositivos de Almacenamiento y de Entrada/Salida División de Ingeniería Eléctrica Departamento de Computación Memorias direccionables por contenido (CAMs). Práctica 4.

2 Laboratorio de Dispositivos de Almacenamiento y de Entrada Salida. Memorias direccionables por contenido (CAMs). N de práctica: 4 Nombre completo del alumno Firma Número de brigada: Fecha de elaboración: Grupo: Elaborado por: Revisado por: Autorizado por: Vigente desde: 2

3 Seguridad en la ejecución Peligro o Fuente de energía Riesgo asociado 1 Tensión alterna Electrocución 2 Tensión continua Daño a equipo Objetivos de la práctica. - Comprender el principio de funcionamiento y la estructura interna de las memorias direccionables por contenido Introducción. La memoria direccionable por contenido es también conocida como memoria CAM por sus siglas en inglés (Content Addressable Memory). Las memorias direccionables por contenido, vienen siendo una aplicación directa de las memorias de lectura-escritura de acceso aleatorio (RAMs). En éstas solamente se puede llegar a la información, si se conoce la dirección de la localidad donde está almacenada, en cambio en una memoria CAM no es necesario saber la dirección de la información, si no que basta con darle cierta información (conjunto de datos) llamada clave o llave, para que la memoria CAM pueda realizar a continuación una operación de búsqueda, la cual se realiza en forma simultánea en todas sus localidades, indicándonos en qué localidad o localidades se encuentra guardada dicha información, pudiéndose realizar a continuación una operación de lectura o escritura semejante a una RAM. En otras palabras, la memoria CAM funciona al revés en comparación a las memorias convencionales (RAM, ROM, etc.), al ingresar datos a la memoria CAM, ésta regresará la dirección asociada a la información proporcionada. Las operaciones que puede realizar una memoria direccionable por contenido son: lectura, escritura y búsquedas. Cabe hacer la aclaración que las búsquedas o comparaciones que efectúa una memoria CAM son realizadas a través de hardware, es decir la operación se realiza en forma simultánea en todas las localidades de la memoria, dando como resultado que el tiempo que emplea en la misma sea muy pequeño, siendo esto una característica de las memorias CAMs. 3

4 En otras palabras, las memorias CAM se utilizan en aplicaciones en donde se requieren que los tiempos de respuesta de búsquedas sean muy pequeños y la cantidad de datos no sea muy grande. Algunos ejemplos de aplicaciones en donde se utilizan las memorias CAMs, son entre otros: - En un switch de una red de computadoras, para enviar un paquete de datos al puerto de salida correcto, es necesario comparar la dirección destino de los datos recibidos con la tabla de direccionamiento almacenada en su interior, de tal manera de poder realizar el enrutamiento correcto de dicho paquete a su puerto o dirección destino en el menor tiempo posible. - En la memoria cache de algunos procesadores. En una estructura de una computadora, normalmente el CPU trabaja junto a la memoria cache, seguido de la memoria principal y la memoria secundaria. La memoria cache está construida en el mismo chip que el CPU, por lo que pueden comunicarse casi instantáneamente, mientras que la memoria principal está integrada por una memoria RAM dinámica, la cual se encuentra separada de éstas, por lo tanto la velocidad de comunicación entre éstas es menor. Por otro lado, la memoria cache está integrada por una memoria CAM y una memoria RAM estática, la primera guarda direcciones y la segunda guarda los datos asociados a ellas. Esto hace que las instrucciones que están guardadas en la memoria cache se ejecuten más rápidamente, debido a que le toma un solo instante a la memoria CAM saber si contiene o no la dirección, cuando la contiene ocasiona que la RAM estática coloque su contenido en el bus de datos. - En una compresión de datos, se debe eliminar la redundancia que se encuentra en la información, el uso de una memoria CAM en el empleo de un algoritmo en la compresión de datos, aumenta considerablemente el rendimiento del mismo, ya que la CAM por sus características propias nos da el resultado en una sola operación, independientemente del tamaño de la lista de búsqueda. - En una red de área local LAN o en una red de área amplia WAN, la memoria CAM sirve como un filtro de direcciones IP permitidas para tener o no acceso a un servicio determinado. A continuación se verá como es una celda CAM a diferentes niveles, como está organizada internamente la información, así como el diagrama de bloques de estas memorias. 4

5 En general, una celda de una memoria CAM está compuesta por una celda SRAM y un comparador, tal como se puede apreciar en la figura 1. Entrada dato Selección celda Lect_busq/Escritura Celda SRAM Comparador Salida Comparación Salida dato Figura 1. Celda CAM. Por tal motivo, las memorias CAMs son más caras que las RAMs, se utilizan en equipos que requieren además de las operaciones comunes de lectura y escritura, la necesidad de llevar a cabo comparaciones o búsquedas, cuyo tiempo de respuesta sea crítico o instantáneo. En la figura 2, se muestra una celda CAM a nivel compuertas lógicas. 5

6 Entrada de dato y H habilitación D Vcc R Línea selección(h) CA K J X Salida comparación Reloj Lect/Esc(L) S Salida dato Figura 2. Celda CAM a nivel compuertas lógicas. 6

7 En la figura 3, se muestra una celda CAM a nivel transistor, recuerde que está integrada por una celda RAM estática más un comparador, por lo que la celda SRAM estaría integrada por los seis primeros transistores, T1, T2, T3 y T4 formarían el flip - flop y los otros dos, T5 y T6 son los que permiten la entrada/salida de información cuando es seleccionada la celda. Finalmente los transistores T7, T8 y T9 que están en la parte de abajo de la celda corresponden al bloque comparador. VDD T3 T4 Columna Dato T5 T1 T2 T6 Columna Dato Selección de la Celda X T7 T8 T9 I/O Sal. Comparación I/O entrada/salida de dato o entrada llave entrada/salida de dato o entrada llave Figura 3. Celda CAM a nivel transistor. 7

8 La información almacenada en las memorias CAM puede estar organizada de dos maneras: - Dos campos. Un campo contiene solamente la llave y el otro la información asociada a la llave, véase figura 4. Llave Información asociada a la llave Figura 4. La información en la CAM está almacenada en dos campos. Esta forma es la más usada y por tal motivo se les conoce también a las CAMs con el nombre de memorias asociativas. - Varios campos. La información almacenada es a la vez la llave y la misma información, véase figura 5. Campo 1 Campo 2 Campo 3... Campo n Figura 5. La información en la memoria CAM está almacenada en varios campos. En este tipo de organización existen varios campos, cualquier campo puede ser la llave o incluso puede ser una combinación de varios de ellos, con lo cual la búsqueda de información se vuelve más específica. Lo anterior implica que cada campo tenga una línea para su habilitación. Como se dijo anteriormente, en este tipo de organización no existe un campo específico de llave, sino que nosotros debemos especificar cuál o cuáles serán los campos que queremos que actúen como tales. 8

9 Si se necesitara utilizar como llave a otro campo, entonces se habilitaría a ese campo, si se necesitara tener como llave a dos campos, entonces debemos de habilitar a esos dos campos y así sucesivamente. El diagrama de bloques de la memoria CAM sería el que se muestra en la figura 6. ENTRADA Y HABILITACIÓN DE DATOS HNDN H3 D3 H2 D2 H1 D1 B DIRECCIÓN X0 X1 SALIDA A C D X2 RESULTADO DE LA BÚSUEDA XM-1 SEÑALES DE CONTROL L/E(L) F E SN S3 S2 SALIDA DE DATOS S1 9 Figura 6. Diagrama de bloques de una memoria CAM. Como se puede observar, el bloque marcado con la letra A, es el bloque de direccionamiento. Este bloque tiene como función el decodificar la dirección que se le da a la memoria CAM para poder seleccionar una palabra de memoria y realizar sobre ella una operación de lectura o escritura, como si fuera una RAM común y corriente.

10 El segundo bloque identificado como B es el de habilitación de entrada de datos. Este bloque tiene como función el habilitar ciertas líneas o campos que queremos utilizar como datos o llaves. El bloque C sería el de almacenamiento, el cual está compuesto por un conjunto de celdas que integran la matriz de almacenamiento. Cada celda puede guardar un uno o un cero, el número total de celdas será de M x N, donde M es el número de palabras y N es el número de bits por palabra. El cuarto bloque marcado con la letra D sería el correspondiente al resultado de la búsqueda o comparación. Este bloque tiene como función el indicar en que palabra de la memoria fue encontrada la llave que se le dio como entrada para efectuar una búsqueda o comparación. La salida de este bloque puede estar dada de dos maneras: En la primera de ellas, el bloque puede tener M líneas de salida, donde M es el número de palabras con que cuenta la memoria. Puede suceder el caso de que en una operación de búsqueda, la llave que le fue dada, sea encontrada en dos o más palabras de memoria, por lo cual estarían activadas varias líneas de salida del mismo, este tipo de salida es conveniente únicamente cuando el número de palabras son muy pocas. En la segunda, el bloque puede presentar un conjunto de líneas de salida, por medio de las cuales nos indicaría la dirección de la localidad donde fue encontrada la llave, ahora bien si se encontró más de una vez, entonces además de la dirección mencionada, se contaría con una línea de salida que serviría como una bandera que al estar habilitada nos indicaría que la llave fue encontrada en otra u otras localidades y así sucesivamente si se encontró en varias de ellas. El quinto bloque sería el de la letra E que corresponde al bloque de salida de datos. Este bloque tiene como función el proporcionarnos los datos de salida en alguna operación de lectura normal, también recibe el nombre de buffer de salida y está integrado por N líneas de salida, donde N es el número de bits por palabra. El último bloque es el bloque de control identificado con la letra F. 10

11 Éste realiza todo lo necesario para coordinar y llevar el buen funcionamiento de la memoria. Presenta a su entrada líneas de control como puede ser una línea de entrada (L/E o Lect/Esc o Lectura_búsqueda / Escritura), por medio de la cual se indica a la memoria la operación que se realizará, así como líneas de alimentación y referencia. En la figura 7, se muestra una memoria CAM la cual tiene una organización de dos palabras, cada una de dos bits, por lo tanto la capacidad total de ésta será de 4 bits y su organización como se mencionó anteriormente es de 2 X 2. H2 D2 Vcc H1 D1 Vcc CA CA K K J J Sel. X0 Reloj CA CA K K Lect/Esc(L) J J X1 S2 S1 Figura 7. Memoria CAM con una organización de 2 X 2. 11

12 Desarrollo. Arme y compruebe el buen funcionamiento de la memoria CAM mostrada en la figura 7. Realice varias operaciones de lectura, escritura y búsquedas o comparaciones, siguiendo los siguientes pasos: Para una operación de escritura: La línea de control Lect/Esc a un voltaje alto. Poner la dirección de la palabra donde se quiere escribir. Poner los datos que se quieren escribir y las respectivas líneas de habilitación a voltaje alto. La línea de control Lect/Esc a un voltaje bajo. (En este instante el flip flip toma el dato a guardar) La línea de control Lect/Esc a un voltaje alto. Para una operación de lectura: La línea de control Lect/Esc a un voltaje alto. Poner la dirección de la palabra que se quiere leer. Las líneas de entrada de datos D2 y D1 y las de habilitación H2 y H1 no importan. La información almacenada se puede leer en las líneas de salida S2 y S1. No tomar en consideración las salidas X0 y X1. Para una operación de búsqueda: La línea de control Lect/Esc a un voltaje alto. Los datos o llave que deseo buscar en las líneas D2 y D1. Las respectivas líneas de habilitación H2 y H1 a voltaje alto. Como se trata de una operación de búsqueda, no se deben tomar en consideración las líneas de salida S2 y S1. Observar el resultado de la búsqueda o comparación en las líneas de salida X0 y X1. [Un voltaje alto, significa que el dato que le estoy dando a la CAM, se encuentra guardado en la palabra respectiva. Un voltaje bajo, significa que el dato que le estoy dando a la CAM, no se encuentra guardado en la palabra respectiva]. Posteriormente llame al instructor del laboratorio y muestre el buen funcionamiento de la memoria. 12

13 Material. 2 Circuitos integrados Circuitos integrados Circuitos integrados Circuito integrado Circuito integrado Circuitos integrados Resistencias de 330 ohms y cuatro diodos emisores de luz. Hojas de especificaciones de los circuitos integrados utilizados (Patigramas). Previo. 1.- Explique cuáles son las diferencias entre una memoria SRAM y una CAM? (1 punto) 2.- Explique las ventajas que presenta la operación de búsqueda en una memoria CAM. (1 punto) 3.- Explique qué se requiere para llegar a la información en las memorias RAM y ROM? (1 punto) 4.- Explique ahora cómo se puede llegar a una información específica en una memoria CAM? (1 punto) 5.- Identifique y explique los diferentes bloques en que debe estar integrada la memoria CAM presentada en la figura 7 de la práctica. (1 punto) 6.- Probar el buen funcionamiento de la celda CAM a nivel compuertas lógicas, mostrada en la figura 2, realice varias operaciones de lectura, escritura y comparaciones. (2 puntos) 7.- Explique cómo se llevarían a cabo las operaciones de lectura, escritura y comparación en la celda CAM a nivel transistor?, mostrada en la figura 3. (1 punto) 8.- Explique a detalle cómo se llevarían a cabo las operaciones de lectura, escritura y búsquedas en la memoria CAM?, mostrada en la figura 7. (2 puntos) 13