Escuela de Ingeniería Electrónica. Memoria. Memoria para el EL Estructura de Microprocesadores. Ing. José Alberto Díaz García.

Transcripción

1 Memoria Página 1

2 Gap entre el procesador y la memoria Página 2 Rendimiento DRAM Tiempo Ley de Joy CPU μproc 60%/año. (2X/1.5año) Umbral de rendimiento entre el procesador y la memoria (crece 50% /año) DRAM 9%/año. (2X/10 año

3 Escuela de Ingeniería Electrónica Niveles en la jerarquía de memorias Capacidad Tiempo de acceso Costo Registros CPU 100s Bytes <1s ns Cache 10s-100s K Bytes 1-10 ns $10/ MByte Memoria principal M Bytes 100ns- 300ns $1/ MByte Discos 10s G Bytes, 10 ms (10,000,000 ns) $0.0031/ MByte Cinta infinito sec-min $0.0014/ MByte Registros Cache Memoria Discos Cintas Instr. operandos Bloques Páginas Archivos prog./compiler 1-8 bytes Controlador de cache bytes OS 512-4K bytes usuario/operador Mbytes Nivel alto veloz Nivel bajo grande Página 3

4 Jerarquía de memoria moderna Ruta de datos Velocidad (ns): Tamaño (bytes): Procesador Control Registro 1s 100s Caché en chip Caché de Segundo nivel (SRAM) 10s Ks Memoria principal (DRAM) 100s Ms Almacenamiento Secundario (Disco) 10,000,000s (10s ms) Gs Almacenamiento externo (Disco/Cinta) 10,000,000,000s (10s sec) Ts Página 4

5 Jerarquía de memoria Página 5

6 Procesador dx Escuela de Ingeniería Electrónica Tamaño de los buses de datos y direcciones de los procesadores 80586/Pentium (Pro) Bus de datos Bus de dir Memoria máxima dirr. 1,048,576 (1Mb) 1,048,576 (1Mb) 16,777,21 (16Mb) 4,294,976,296 (4Gb) 4,294,976,296 (4Gb) 4,294,976,296 (4Gb) Página 6

7 registros en 80X86 Página 7

8 Formato de datos Escuela de Ingeniería Electrónica 1 nybble = 4 bits 1 byte = 8 bits 1 word = 16 bits 1 doubleword = 32 bits 1 quadword = 64 bits 1 paragraph = 16 bytes 1 page = 256 bytes 1 segment (max) = 65,636 bytes Estándar Dependiente de la máquina (8086) Página 8

9 Memoria física Escuela de Ingeniería Electrónica Memoria física La memoria física de la familia 80X86 difiere en el número de bits (ancho). Por ejemplo, 8088 la memoria tiene un ancho de 8 bits. 8086, tienen un ancho de 16 bits DX, es de 32 bits. Para programarlos no hay diferencia en el ancho de la memoria, porque las memoria lógica es de 8 bits. La memoria se organiza en bancos. Un banco de memoria es una sección con 8 bits de ancho. Por ejemplo: un procesador de 16 bits tiene dos bancos de memoria para formar los 16 bits de ancho el cual puede direccionarse como Byte o Word. Página 9

10 Granularidad de datos Cómo el procesador almacena estas variables en la memoria? Cómo el 8086 transfiere una palabra o un dato de 16 bits?. Direcciones pares Son todas aquellas posiciones de memoria que se pueden accesar cuando A0 es igual a cero (A0=0) Direcciones impares Son todas aquellas posiciones de memoria que se pueden accesar cuando A0 es igual a uno (A0=1) Direcciones desalineadas Se presenta cuando variables tipo word, no toman ventaja de la habilidad de 8086 para transferir 16 bits en un instante, esto es se encuentra almacenada en una dirección impar. Direcciones alineadas Las variables de más de 8 bits se encuentran almacenadas a partir de direcciones pares. Siguiendo con la convención de Intel, datos tipo word siempre son almacenados con el byte más significativo el la posición de memoria menos significativa. Página 10

11 Alinemiento Escuela de Ingeniería Electrónica Fronteras naturales. Las fronteras naturales para palabras, doble palabra y palabras cuádruples son direcciones enumeradas como pares, direcciones divisibles por cuatro y por ocho. Palabras, palabras dobles, y palabras cuádruples, no necesitan ser alineadas en memoria en las fronteras naturales. Sin embargo para mejorar el comportamiento del programa y la estructuras de datos (especialmente stacks) deben ser alineadas en fronteras naturales, hasta donde sea posible. La razón de esto es que los procesadores requieren dos accesos a memoria para realizar un acceso a memoria desalineado; por lo tanto, accesos alineados requieren de un acceso a memoria. Un operando de una palabra o de doble palabra que cruce una frontera de 4 bytes o un operando de una palabra cuádruple que cruce una frontera de 8 bytes se considera desalineada y requiere de dos ciclos de acceso a memoria para accesarla Una palabra que inicia en una dirección impar pero no cruza una frontera de palabra se considera alineada y puede accesarse en un ciclo de bus. Cuando se accesan datos de 128 bits, como en el caso del procesador Pentium III, los datos deben alinearse en fronteras de 16 bits. Página 11

12 Escuela de Ingeniería Electrónica Cómo almacena el ensamblador estas variables en memoria? Existen cuatro tipos: PARAGRAPH Este tipo es el valor predeterminado e indica que el segmento comienza en los límites de un párrafo (dirección divisible por 16). Los últimos cuatro bits de la dirección debe finalizar en 0. BYTE El segmento puede comenzar en cualquier dirección de memoria. WORD El segmento se ubica en la próxima dirección byte par, (donde la dirección sea par). DWORD. El segmento debe iniciar en la próxima dirección disponible de una dirección de doble palabra. PAGE El Segmento debe iniciar en una página (los últimos ocho bits de la dirección deben se cero). Página 12

13 Sistema de memoria física FFFFFF FFFFFD FFFFFB BANCO ALTO (banco impar) 8 bits FFFFFE FFFFFC FFFFFA BANCO BAJO (banco par) 8 bits D15 - D D7- D0 Página 13

14 Diagrama de acceso con 8086 Página 14

15 RAM (impar) RAMh A1...A19 RAMh LEE/ESC-RAM RAMl A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 27 A7 26 A8 23 A9 25 A10 4 A11 28 A12 3 A13 31 A14 2 A15 30 A16 1 A17 A R/W OE CE VDD RAM (par) A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 27 A7 26 A8 23 A9 25 A10 4 A11 28 A12 3 A13 31 A14 2 A15 30 A16 1 A17 A18 R/W OE CE VDD I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 I/O5 I/O6 I/O7 I/O8 TC554001/SO I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 I/O5 I/O6 I/O7 I/O8 TC554001/SO D0...D7 D8...D O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 AT27C256R O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 OE CE/PGM VPP A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 OE CE/PGM VPP AT27C256R ROM (impar) ROM (par) VDC Title ROMh A1...A15 LEEROM A19 RAMh A18 RAMl GAL22V20 A17 ROMh A16 ROMl A0 BHE M/IO ROMl EL 4311 BANCO DE MEMORIA PARA 8086 Size Document Number Rev A Date: Monday, August 23, 2004 Sheet 1 of 1 Página 15

16 Memoria segmentada 8086 En 80X86 la memoria se particiona en segmentos 8086: tamaño máximo de 64K (registro index de 16-bits) 8086: puede tener 4 segmentos activos (CS, SS, DS, ES) 8086: 2-datos; 1- código; 1- pilas x386: tamaño máximo 4GB (registro index de 32-bits) x386: puede tener 6 segmentos activos (4 - datos; FS, GS) Página 16

17 Registros para el acceso a memoria en 8086/8088 Segmento de Código Segmento de Datos Segmento de Stacks Segmento Extra Puntero de Instrucciones Puntero de Stack Puntero Base Índice de fuente Índice de destino CS DS SS ES IP SP BP SI DI 0 0 } } } Página 17

18 Arquitectura Interna 8086 Modelo del procesador Bus de direcciones Bus de datos EU AH AL BH BL CH CL DH DL BP DI SI SP Generador de dir y Controlador de bus ADD CS ES SS DS IP BIU Cola de instrucciones Bus interno de datos Página 18 banderas ALU

19 Generación de direcciones físicas Página 19 Líneas de dirección del sistema de memoria 15 Reg. indice 19 0 Dirección física sume Reg. segmento 0000 Porción de la circuitería del BIU CS ES SS DS Registros de segmentación dedicados BP DI SI SP IP Registros índices dedicados

20 Direccionamiento segmentado Cada segmento debe iniciar en una frontera de Paragraph Dirección física 00000h 00010h 00020h memoria paragraph 1 paragraph 2 paragraph 3 Cada paragraph tiene una dirección física que es múltiplo de 10h CS ES SS DS BP DI SI SP IP Página 20

21 Direccionamiento segmentado Registro de segmentos en el 8086 CS 0000 SS 0000 DS 0000 ES 0000 IP + Offset SP + Offset EA + Offset MEMORIA FFFFFh Segmento de códigos 64K Segmento de pila 64K Segmento de datos 64K Direcciones iniciales de los segmentos EA + Offset Segmento de extra 64K Página h

22 Memoria segmentada Escuela de Ingeniería Electrónica Página 22 Registros de segmentación CS ES SS DS Segmento de código Segmento extra Segmento de pila Segmento de datos Memoria del sistema FFFFFh 00000h Registros de segmentación: apunta a la dirección base Registros índices: fragmentación contiene el valor de desplazamiento Notación (Dirección segmentada): CS:IP DS:SI ES:DI SS:BP SS:SP

23 Organización del almacenamiento en memoria Página 23 Organizada como SEGMENTOS tamaño máximo del segmento = 64KB (Como el desplazamiento es en 16 bits: 2 16 = 65,535 = 64KB) Tamaño máximo de la memoria: 2 20 = 1,048,576 = 1MB Los nuevos procesadores (386+) pueden utilizar más memoria Con registros de 32 bits 2 32 = 4,294,967,296 = 4GB

24 Escuela de Ingeniería Electrónica Ejemplo de memoria segmentada Registros de segmentación CS ES SS DS Segmento de código Segmento extra Segmento de pila Segmento de datos FFFFFh Dirección lógica segmentada: 0FE6:012Bh Desplazamiento: 012Bh Dirección física: 0FE60h Bh 299 0FF8Bh Página 24 Sistema de memoria 00000h

25 Localización de los segmentos y la dirección física Segmentos lógicos Memoria física Parcialmente traslapados Contiguos 0h Segmento a Segmento b Segmento d Segmento c Totalmente traslapados Segmento e 10000h 20000h 30000h Nótese que los segmentos se pueden traslapar. Esto quiere decir que dos direcciones lógicas diferentes pueden referirse a la misma dirección física (aliasing). Página 25

26 Memoria Segmentada Aliasing Dirección lógica segmentada 1: DS:SI = 1234:4321 Dirección física: 12340h h 16661h Dirección lógica segmentada 2: ES:DI = 1665:0011 Dirección física: 16650h h 16661h Página 26

27 Ilustración Escuela de Ingeniería Electrónica Número Segmento FFFF DIRECCIÓN LOGICA Dirección Inicial 0000: : : : FFFF:0000 Dirección Final 0000:FFFF 0001:FFFF 0002:FFFF 0003:FFFF... FFFF:FFFF DIRECCIÓN FÍSICA Dirección Inicial Final FFFF0 Dirección 0FFFF 1000F 1001F 1002F... 0FFEF Página 27

28 Página 28 Escuela de Ingeniería Electrónica Organización de datos en memoria Una palabra (Word) = 16 bits Direccionablepor byte Arreglo Little Endian MSB (Most Significant Byte) en la dirección alta Desplazamiento de la dirección lógica incrementando 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H 18H A3H 7EH 69H AAH 2EH 00H 55H 02H 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H 0724H 0725H 0H 2H 5H 5H dirección del segmento = ACEDH desplazamiento = 0724H dirección física = ACED0H H = AD5F4H M[ACED:0724] = M[AD5F4] (lectura de palabra) = 5502H hex binario

29 Operaciones de lectura en memoria Desplazamie nto o dirección lógica incrementando 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H 18H A3H 7EH 69H AAH 2EH 00H 55H 02H 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H Lectura de un byte: AL M[0724h] después: AL = 02h Lectura de una palabra: AX M[0724h] después: AX = 5502h Lectura de una Dword EAX M[0724h] después: EAX = 2E005502h Página 29

30 Operaciones de escritura en memoria Página 30 antes: 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H Suponga EAX = FAC4237B h Escritura de byte: M[0724h] AL 18H A3H 7EH 69H AAH 2EH 00H 55H 02H 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H después: 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H 18H A3H 7EH 69H AAH 2EH 00H 55H 7BH 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H

31 Página 31 Escuela de Ingeniería Electrónica Operaciones de escritura en memoria (cont.) suponga EAX = FAC4237B h Escritura de palabra: M[0724h] AX antes: 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H 18H A3H 7EH 69H AAH 2EH 00H 55H 02H 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H después: 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H 18H A3H 7EH 69H AAH 2EH 00H 23H 7BH 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H

32 Página 32 Escuela de Ingeniería Electrónica Operaciones de escritura en memoria (cont.) suponga EAX = FAC4237B h Escritura de DWord: M[0724h] EAX antes: después: 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H 18H A3H 7EH 69H AAH 2EH 00H 55H 02H 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H 072CH 072BH 072AH 0729H 0728H 0727H 0726H 0725H 0724H 0723H 0722H 18H A3H 7EH 69H AAH FAH C4H 23H 7BH 72H 11H AD5FCH AD5FBH AD5FAH AD5F9H AD5F8H AD5F7H AD5F6H AD5F5H AD5F4H AD5F3H AD5F2H

33 Segmentos/Índices Escuela de Ingeniería Electrónica Tipos de memoria Segmento base Segmento base alterno desplazamiento Búsqueda de instrucción CS ninguno IP Operación en la pila SS ninguno SP Variable (excepto los siguientes) DS CS, ES, SS EA - Cadena (String) fuente DS CS, ES, SS SI - Cadena destino ES ninguno DI - BP utilizado como reg. base SS CS, DS, ES EA - BX utilizado como reg. base DS CS, ES, SS EA Página 33

34 Ejemplos Dada la dirección AB9C:79A5 calcule la dirección física. AB9C0 Segmento # + 79A5 desplazamiento B3365 dirección física Página 34

35 Ejemplos (cont) Dada la dirección física A2B94 sabiendo que el desplazamiento es F7B4 en algún segmento. Calcule el número del segmento donde se encuentra la dirección? A2B94 -F7B4 933E0 Dirección física desplazamiento Segmento número El número del segmento es: 933E Página 35

36 Escuela de Ingeniería Electrónica Dada una dirección física y un desplazamiento calcular el número del segmento Dada la dirección física A2B94 y conociendo el desplazamiento de F7B4 en algún segmento. Calcule el valor del segmento donde se encuentra la dirección? Utilizando la definición de dirección física: 0 Segmento # + F7B4 Desplazamiento A2B94 Dirección física Método 1: Utilizando suma: 1 933E0 Segmento # + F7B4 Desplazamiento A2B94 Dirección física (para tener 9 se necesitan 9 más de 16 lo cual es 25. Qué número sumado a 11 nos da 25? --> E) El resto es sumar. Página 36

37 Ejemplo (cont) Método 2: Utilizando la resta: A2B94 Dirección física - F7B4 Desplazamiento 933E0 Número del segmento En ambos casos el número del segmento es: 933E!!! Página 37

38 Dada una dirección física y un segmento, calcular el desplazamiento Ejemplo A: Dada una dirección física de B2B94 que se encuentra en el segmento A7B4. Calcule el desplazamiento de esa dirección? Utilizando la definición de dirección física: A7B40 Segmento # + Desplazamiento B2B94 Dirección física Página 38

39 Escuela de Ingeniería Electrónica Dada una dirección física y un segmento, calcular el desplazamiento Método 1: Utilizando suma: A7B40 Segmento # + B054 Desplazamiento B2B94 Dirección física (para obtener 2 necesita 2 más que 16 el cual es 18. Qué número sumado a 7 nos da 18? --> B) El resto es pura suma O utilizando la resta: B2B94 Dirección física -A7B40 Número del segmento B054 Desplazamiento en ambos casos es : B054!!! Página 39

40 Dada una dirección física y un segmento, calcular el desplazamiento Método 2: Solución utilizando substracción: B2B94 Dirección física - A7B40 Número del segmento B054 Desplazamiento en cualquier caso el desplazamiento es : B054!!! Página 40

41 Ejemplo B Escuela de Ingeniería Electrónica Dada la dirección física 21A34 que se sabe que se encuentra en el segmento 15C4, Calcule el desplazamiento de la dirección? Utilizando la definición de dirección física: 15C40 Segmento # + Desplazamiento 21A34 Dirección física Método 1: Utilizando la suma: 111 llevos 15C40 Segmento # + BDF4 Desplazamiento 21A34 Dirección física Página 41

42 Ejemplo B (cont) Método 2: Utilizando la resta: 21A34 Dirección física - 15C40 Número del segmento BDF4 Desplazamiento En cualquier caso el desplazamiento es: BDF4!!! Página 42

43 Página 43 Tarea Para las direcciones físicas que se especifican, calcule la dirección de la forma segmento:desplazmiento para cada segmento. 1. DIRECCIÓN FISICA 13240h a. En segmento 1324 b. En segmento 1245 c. En segmento DIRECCIÓN FISICA 23450h a. En segmento 2234 b. En segmento 2300 c. En segmento 1FD7 3. DIRECCIÓN FISICA 5AFD5h a. En segmento 5867 b. En segmento 5978 c. En segmento 4FFF 4. DIRECCIÓN FISICA BC415 a. En segmento BBBB b. En segmento B000 c. En segmento B0CD

44 Tarea Página 44 Para las posiciones de memoria especificadas por la dirección física, indique el segmento en donde se especifica el desplazamiento. 1. DIRECCIÓN FISICA 13240h a. Desplazamiento de AAA0 b. Desplazamiento de 1110 c. Desplazamiento de FA10 2. DIRECCIÓN FISICA 43251h a. Desplazamiento de 1231 b. Desplazamiento de AAA1 c. Desplazamiento de FFF1 3. DIRECCIÓN FISICA 1234Ah a. Desplazamiento de 564A b. Desplazamiento de BCDA c. Desplazamiento de 123A 4. DIRECCIÓN FISICA 54AADh a. Desplazamiento de 111D b. Desplazamiento de CCCD c. Desplazamiento de 453D

45 Preguntas Cuál es máximo y mínimo número de segmentos que la dirección física A2349 puede localizarse? En cuantos diferentes segmentos puede esta dirección física tener varias direcciones lógicas? Página 45