Resumen T5

Sistemas de memoria:

En esta práctica del tema 5 hemos estudiado a fondo las memorias que componen un pc, sus características y su funcionamiento. Para realizar esta práctica hemos hecho uso del programa LogiSim.

Existen varios tipos de memorias, cada una de ella responden a unas necesidades específicas para cada situación, pero por norma general, todas las memorias tienen en común que existen dos características inversamente proporcionales, la velocidad y la capacidad, de modo que cuando una sube la otra baja y viceversa.

La capacidad y la velocidad son inversamente proporcionales principalmente por temas de costes, cuando se consigue una tecnología que logra una gran velocidad de transferencia de datos, su coste suele ser muy alto, por lo que se reduce su capacidad para abaratar el coste del producto y viceversa.

Hay dos tipos de memorias, SRAM y DRAM, la principal diferencia entre ambas es que la DRAM necesita refresco y la SRAM no y que la SRAM está compuesta por biestables y la DRAM por condensadores. Debido a estas composiciones la SRAM tiene una gran velocidad pero implementar los biestables es muy costoso, por lo que se utiliza para lugares donde se necesiten pequeñas cantidades de memoria como en las caches, mientras que la DRAM tiene una velocidad más limitada al estar compuesta por condensadores pero es muy fácil de hacer que tenga una gran capacidad, por lo que se utiliza como memoria principal. Otras características a tener en cuenta de las memorias son la latencia, que no es más que el tiempo que tarda desde que se le solicita un dato hasta que lo tiene en las patillas de salida, la velocidad de transferencia, que es la velocidad en que transmite los datos y se mide en bytes/s y tiempo de ciclo, que no es más que el tiempo que pasa entre un ciclo y otro en las memorias DRAM. Al ser la DRAM la que se usa como memoria principal, será en este tipo en la que nos centremos de ahora en adelante.

Las memorias DRAM se organizan por módulos y los módulos a su vez contienen a uno o más chips de memoria trabajando en paralelo entre ellos, para una mejor comprensión se aporta una imagen del esquema típico de un módulo:

Pues bien, tal y como puede verse en la imagen, el modulo aloja 8 chips funcionando en paralelo, por lo que si cada chip es capaz de almacenar una palabra de 8 bits, los 8 chips juntos devolverán al bus de datos 64 bits.

Dentro de las memorias DRAM existen variantes, que se han ido desarrollando a lo largo del tiempo para mejorar sus características, recientemente han estado las SDRAM, que son memorias síncronas con una señal de reloj y las DDR que consiguen dos accesos a memoria por ciclo. Dentro de las DDR en los últimos años han pasado de las DDR a secas, a la DDR2 y DDR3, todas ellas consiguiendo un aumento de velocidad de transferencia a la vez que bajando el consumo de energía.

Las memorias DRAM tienen al tener una gran capacidad se ha diseñado un sistema llamado mapa de memorias con el que se sabe cuántos bits serán necesarios para direccionar toda la memoria disponible de forma que si se dispone de un bus de direcciones de 32 bits se podrán direccionar 2³² bits, lo que son 4GB y también es necesario indicar para que se usara cada bit, para ello es importante tener en cuenta los siguientes datos ordenado de bits menos significativos a más:

1. Bits necesarios para identificar el byte. Ejemplo: Si el bus de datos es de 32 bits, pues 32/8=4 y 4=2² por lo que serán necesarios 2 bits para identificar la palabra que serán los bits A0 y A1.
2. Numero de bits necesario para transportar la capacidad del módulo. Ejemplo: Si tiene una capacidad de 1 GB, podrá almacenar 128Mpalabras, por lo que 128=2⁷ y 1024=2²⁰ siendo por tanto necesarios 27 bits, de A2-A29.
3. Por último, si se tienen 2 módulos se necesitara identificar a que módulo ir. Ejemplo: serán necesarios 2=2¹ por lo que serán necesario un último bit A30.
4. El último bit disponible que sobra, quedara libre y se indicara asi en el mapa de memorias.

Tras lo dicho hasta ahora es suficiente para tener una buena idea de cómo son y funcionan las memorias DRAM, pero ahora si solo se dispusiera de este tipo de memorias en un PC cuando la CPU necesite algún dato debería de acceder directamente a la memoria principal, pero tal como se ha explicado anteriormente las memorias DRAM son lentas en comparación con otros componentes, como por ejemplo la CPU, por lo que se produciría un cuello de botella, para evitar este problema se creó lo que se conoce como memoria cache.

Las memorias cache no son más que memorias hechas con memoria SRAM y que por lo tanto son increíblemente rápidas pero de pequeña capacidad. Los datos más usados por la CPU son enviados a la cache, por lo que la CPU tratara de funcionar siempre que pueda con esta memoria, de forma que, cuando la CPU solicita un dato lo busca primero en la memoria cache y si no lo encuentra lo busca en la memoria principal con el consiguiente aumento de tiempo que esto supone, por lo que la primera opción siempre es la memoria cache.

A continuación explicaremos los ejercicios realizados durante las prácticas.

Primero diremos qué son: S, L, CLOCK y CLEAR.

S: Selección, si no se activa el seleccionador nada de lo que ocurra en el módulo quedara almacenado.

CLOCK: La señal de reloj, recoge los datos en el flanco de subida.

L: Load, cuando está activo es cuando saca los datos hacia el bus de datos.

CLEAR: Cuando se activa se resetean todos los valores de la memoria RAM.

Ejercicio 1:

Introducir una memoria RAM de 64Kx8 y realizar un circuito que permita leer y escribir en ella. Probar a introducir en las direcciones 0023h el dato 3A y en la dirección C120h el dato 25.

Lo primero a analizar aquí es que significa 64Kx8, con 64K habla de la capacidad de la memoria y con 8 especifica que salida que tendrá al bus de datos.

Para hacer el ejercicio introducimos el valor en binario de 0023h y 3A en entrada, activamos el triestado, S y CLOCK y se queda registrado en la memoria RAM.

Ya está almacenado el dato 3A en memoria, para la dirección C120h y el dato 25, sería hacer exactamente lo mismo solo que cambiando la dirección y la entrada por los datos ahora facilitados.

Ejercicio 2:

Unir dos memorias del tipo utilizado en el apartado 1, para conformar una de 64Kx16. Comprobar su funcionamiento de forma similar al apartado anterior: introduciendo algunos datos de 16 bits en varias direcciones.

Construimos el circuito en Logisim:

Para probar su funcionamiento indicamos una dirección y añadimos un valor en la entrada de datos.

Por último sólo nos queda seleccionar en memoria la dirección que hemos indicado y cargar el dato en esa dirección.

Como podemos ver en la imagen, ya hemos cargado en memoria el dato.

Primero, activamos SEL para poder posicionarnos en memoria según la dirección que indicamos.

Segundo, activamos el triestado de entrada de datos para que llegue al bus y finalmente activamos E para cargar el dato en la memoria.

Ejercicio 3:

Unir tres memorias para como las de los apartados anteriores (64Kx8) para conformar una de 128Kx16. Comprobar su funcionamiento de forma similar al apartado anterior: introduciendo algunos datos de 16 bits en varias direcciones.

Construimos el circuito en Logisim:

En este ejercicio tendremos la opción de elegir la pareja de memorias de arriba o la de abajo, esto se hace mediante el inversor que hay en el selector, por tanto una pareja estará seleccionada y la otra no. Esto podemos verlo claramente en la imagen.

Pues bien, vamos a probar nuestro circuito. Como en los ejercicios anteriores, primero indicamos la dirección de memoria en la cual queremos guardar el dato. En entrada de datos indicaremos el dato que queremos guardar en la dirección que indicamos anteriormente.

Podemos ver que antes teníamos seleccionada la pareja de memoria de abajo y, al activar SEL, hemos activado las memorias de la parte superior de la imagen.

Para terminar el ejercicio, desactivo SEL y vuelvo a seleccionar las memorias de la parte inferior de la imagen. Ahora que estamos situados en la dirección que indicamos para guardar el dato en memoria, activamos el triestado de entrada de datos y tenemos en el bus el dato que queremos guardar. Finalmente activamos E y se guarda en memoria el dato que queríamos para la dirección que hemos indicado.

Ejercicio 4:

Ampliar la memoria hasta 256Kx16 ¿Qué elemento será necesario para seleccionar cada banco de dos memorias de 64Kx8? Un decodificador. Comprobar su funcionamiento de forma similar al apartado anterior: introduciendo algunos datos de 16 bits en varias direcciones.

Implementamos el circuito en logisim:

A continuación, procederemos a probar el circuito implementado, lo primero que deberemos hacer es indicar la dirección de memoria en la que queremos guardar el dato, la indicaremos en la entrada de direcciones. Una vez realizada dicha operación procederemos a introducir el dato, en la entrada de datos que posteriormente guardaremos en la dirección de memoria antes introducida.

Una vez tengamos introducidas la dirección de memoria, y el dato que queremos introducir, procederemos a seleccionar el modulo mediante el selector, en este caso vamos a seleccionar el modulo 1, para ello solo tenemos que indicarlo en el selector con el codigo (“01”).

El siguiente paso, será abrir el triestado de entrada de datos para permitir el paso del dato antes introducido al bus interno, y por ultimo le damos carga E y almacenaríamos el dato en la dirección de memoria que hayamos introducido.

Ejercicio 5:

Transformar la estructura del anterior punto para que los primeros 64K sean de memoria ROM Observar que señales de control son las que intervienen en cada tipo de memoria. Indica en cada bando la el banco de direcciones de memoria que direcciona y obtén el mapa de memoria del conjunto.

Lo primero sería implementar el circuito en logisim:

Una vez tengamos el circuito implementado en logisim,las señales que intervienen en la memoria rom solo seria la del selector del chip, ya que las memorias rom no tienen señales de lectura, escritura o reset, por lo tanto en la siguiente imagen procederemos a introducir una dirección de memoria, para introducir el dato en dicha dirección de memoria deberíamos introducirlo manualmente, ya que como antes hemos comentado no tiene una señal de escritura y para resetearlo, deberíamos de hacerlo también manualmente.

Por ultimo, realizamos el mapa de memoria que se muestra a continuación, donde aparece el rango de direcciones y los componentes que componen el circuito.

Direcciones	Componente
0 – 65535	MODULO ROM
65536 – 131071	MODULO RAM 1
131072 – 196607	MODULO RAM 2
196608 – 262143	MODULO RAM 3