Memoria del computador

Capítulo III Arquitectura de Computadores

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ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA DE COMPUTADORESCAPÍTULO III“MEMORIA”

ING. GREYSON PAUL ALBERCA PRIETO

1. Organización del Computador2. Componentes de computador y

Buses3. MEMORIA

4. Entrada/Salida

Bibliografía ･ Organización y Arquitectura de Computadores, William Stalling

Capítulo III 2

CONTENIDOS


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Identificarlos diferentes tipos de memoria junto con sus características principales

Conocer las jerarquía de los sistemas de memoria y así poder diferenciar capacidades, rapidez, costos.

Ejemplificar los tipos de memoria de acuerdo a la aplicabilidad y uso adecuados.

OBJETIVOS


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UNIDAD DE TRANSFERENCIA

Palabra.

• Igual al número de bits utilizados para representar un número entero y la longitud de una instrucción.


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Unidad direccionable.

• Es el tamaño mínimo que podemos direccionar en la memoria. El tamaño puede o no coincidir con el ancho de palabra



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Unidad de transferencia.

• Para la memoria principal es el número de bits que se leen o escriben en memoria a la vez, lo mínimo que puedo leer.



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Acceso secuencial •(SAM: Sequencial Access Memory). •Gran capacidad de almacenamiento

Acceso directo •(DAM: Direct Access Memory). •Acceso directo y luego uno secuencial

Acceso aleatorio•(RAM: Random Access Memory).

Acceso asociativo •(CAM: Content Addressable Memory). •Modo de acceso por contenido se busca en toda la memoria al mismo tiempo

M. cache

MÉTODO DE ACCESO

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.

VELOCIDAD

Tiempo de Acceso (TA).

• RAM: tiempo que transcurre desde el instante en el que se presenta una dirección a la memoria hasta que el dato, o ha sido memorizado, o está disponible para su uso (es decir, desde que doy la dirección hasta que L/E en memoria).

• CAM o la SAM: tiempo que se emplea en situar el mecanismo de L/E en la posición deseada, es decir, tiempo que tarda en el registro.

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.

VELOCIDAD

Tiempo de Ciclo de memoria (TC).

• Tiempo que transcurre desde que se da la orden de una operación de L/E hasta que se puede dar otra orden de L/E porque sino NO le da tiempo a responder y crearía un tiempo muerto que nos interesa que sea lo menor posible

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.

VELOCIDAD

Velocidad de Transferencia (VT).

• Es la velocidad a la que se pueden transferir datos a, o desde, una unidad de memoria. Según el tipo de memoria existen dos casos de velocidad:

Capítulo III 11

DISPOSITIVOS FÍSICOSLos sistemas de memorias empleados en los computadores utilizan diferentes dispositivos físicos. Para la MEMORIA PRINCIPAL se utilizan

memorias semiconductoras.

Para MEMORIA SECUNDARIA, ya que responden a la necesidad de almacenar grandes cantidades de información, se emplean:Memorias magnéticas, cintas, discos, etc.Memorias ópticas, utilizadas.Memorias magneto−ópticas.

ALTERABILIDAD. Memorias ROM (Read Only Memory) y RWM (Read Writable Memory).

PERMANENCIA DE LA INFORMACIÓN. Relacionado con la duración de la información almacenada en memoria:

LECTURA DESTRUCTIVA. Memorias de lectura destructiva DRO (Destructive Read Out) y memorias de lectura no destructiva NDRO (Non Destructive Read Out).

VOLATILIDAD. corte en el suministro eléctrico. Memorias volátiles y no volátiles.

ALMACENAMIENTO ESTÁTICO/DINÁMICO. SRAM (Static Random Access Memory) DRAM (Dynamic Random Access Memory)

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CARACTERÍSTICAS FÍSICAS


JERARQUÍA DE MEMORIARegistros

Caché N1-N2

Memoria principal

Disco Magnético

Cinta Magnética Disco Óptico

Costo por bit

Capacidad

Tiempo de acceso

Frecuencia de acceso

“La vida es cuestión de prioridades”

Capítulo III 14

NIVELTECNOLOGÍ

A

TIEMPO DE

ACCESO

COSTO POR MBYTE

CACHÉ SRASM 3 - 10 ns $ 100 - 150

MEMORIA PRINCIPAL

DRAM 80 - 400 ns $ 5 - 10

DISCODisco Magnético

2 - 5 ms $ 1 - 0.2


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Tipo de memoria

Clase Borrado Mecanismo de escritura

Volatilidad

RAM Lectura/escritura

Eléctricamente por bytes

Eléctricamente Volátil

ROM Solo lectura No posible Mediante mascaras

No volátil

PROM

Electrónicamente

EPROM Memoria de sobretodo-lectura

Luz ultravioleta

FLASH Eléctricamente por bloques

EEPROM Eléctricamente por bytes

MEMORIA SEMICONDUCTORA

La CPU y la memoria tienen tiempos de acceso muy diferentes. Para mejorar la situación se inserta una memoria intermedia

Capítulo III

CPU MEMORIA RAMCACHE

MEMORIA CACHÉ


LECTURA DE UNA CACHE

Arquitectura de Computadores

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Tamaño Función de

correspondencia Algoritmo de sustitución Política de escritura Tamaño del bloque Número de cachesCapítulo III Arquitectura de

Computadores20

ELEMENTOS DE DISEÑO DE CACHE


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22

Correspondencia directa

Cada bloque tiene solamente un lugar

donde puede aparecer en la cache

Cada bloque(memoria principal) solo puede ir en una posición de la cache

Capítulo III

Siendo Cj = línea j de la cacheMi = bloque i de la M. principalC = nº de líneas de la cache

Cj Mi si i= j (mod C).

CORRESPONDENCIA DIRECTA

Etiqueta (s-r bits) Línea (r bits)

Palabra (w bits)

codifica el bloque de memoria

asociado a esa línea de

cache

codifica el nº de línea de

cache donde se realiza la búsqueda

codifica el nº de palabras de memoria

de cada bloque de memoria

FORMATO DE INSTRUCCIÓN

Compruebe los contenidos de la cache mediante la búsqueda de la línea y la comprobación de la etiqueta.

8 14 2

Etiqueta (s-r bits)

Línea (r bits) Palabra (w bits)

Dirección de 24 bits

bloques de 4 bytes

Identificador de bloque de 22 bits.Etiqueta de 8 bits (=22-14).Ranura o línea de 14 bits.

Ninguno de los dos bloques en la misma línea tiene el mismo campo de etiqueta.

ESTRUCTURA DE LA DIRECCIÓN


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MECANISMO DE BÚSQUEDA


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Podemos ver un ejemplo con una memoria principal de 32 Kpalabras y una cache de 512 palabras con bloques de 8 palabras. El n°de bits de cada campo será:

Analizando vemos que:M. Principal = 32 kpalabrasCache = 512 palabrasCada bloque = 8 palabras

EJEMPLO

28


Ahora para saber cuantos bloques tendrá la M. principal debemos dividir las 32 kpalabras para las 8 palabras que contiene cada bloque

48

32

El # de bloques de la M. principal es 4 kbloques

EJEMPLO


para saber cuantas líneas tendrá la M. cache debemos dividir las 512 palabras para las 8 palabras que contiene cada bloque

648

512

El # de líneas de la cache es 64 líneas

EJEMPLO


Tenemos:M.

Principal =

4kpalabras

212 sCache

= 64 líneas

26 r

# de bits

EJEMPLO


Por ultimo debemos calcular w

8 palabras = 23

W = 23

EJEMPLO

Etiqueta (s-r bits) Línea (r bits)Palabra (r

bits)

EJEMPLOAhora vamos a colocar los datos obtenidos en la grafica de la dirección de memoria

Etiqueta (s-r bits)

Línea (r bits) Palabra (w bits)

Recordemos que w = 23 es decir se necesitan 3 bits en la palabra

Etiqueta (s-r bits) Línea (r bits)Palabra (3bits)

Etiqueta (s-r bits) Línea (r bits)Palabra (3bits)


También teníamos que la línea tiene o necesita 6 bits

Etiqueta (s-r bits) Línea (6 bits)Palabra (3bits)

Cache = 64 líneas 26 r

Etiqueta (s-r bits) Línea (6 bits)Palabra (3bits)


Finalmente la etiqueta es igual a s-r, en nuestro ejemplo 12-6 = 6

Etiqueta (6 bits)

Línea (6 bits)Palabra (3bits)

M. Principal

= 4kpalabr

as

212 s

Cache = 64 líneas 26 r


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EJEMPLO

Simple, sin algoritmos de reemplazo

Poco costosa Hay una posición concreta para

cada bloque dado: Si un programa accede a dos bloques

que se corresponden a la misma línea de forma repetida, las pérdidas de cache son muy grandes (ocupación de cache ineficiente)

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VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Cada bloque(memoria principal) puede ir en cualquier posición(línea) de cache


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CORRESPONDENCIA ASOCIATIVA

Etiqueta indica el nº de bloque de memoria principal que se está buscando


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FORMATO DE INSTRUCCIÓN

Etiqueta (s bits)

Palabra (w bits)

La etiqueta de 22 bits está almacenada con cada bloque de datos de 32 bits.

Compare el campo de etiqueta con la entrada de etiqueta en la cache para comprobar si ha tenido éxito.

La dirección de 2 bits menos significativa identifica qué palabra de 16 bits se necesita en un bloque de datos de 32 bits.

Ejemplo: Dirección Etiqueta Datos Línea de cache FFFFFC FFFFFC 24682468 3FFF

Capítulo III


Etiqueta (22 bits) Palabra (2 bits)


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41

EJEMPLO

Necesita el uso de memorias asociativas

Necesita algoritmos de reemplazo

Es la mas eficiente en la ocupación de la cache.


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VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Conjunto: grupo de línea de la cache Primero las líneas de memoria caché

se asocian en conjuntos y la correspondencia se establece de forma directa entre cada bloque de la memoria principal y cada conjunto de la caché.


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ASOCIATIVA POR CONJUNTO

Dentro de cada conjunto la correspondencia es asociativa.

Al número de bloques del conjunto se le llama número de vías o grado de asociatividad.


44


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Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (d bits)

Palabra (w bits)

codifica el bloque de memoria

asociado a ese conjunto

codifica el nº de conjunto

de cache donde se realiza la búsqueda

codifica el nº de palabras de memoria

FORMATO DE LA INSTRUCCIÓN

Utilice los campos de conjunto a la hora de determinar el conjunto de cache que necesita para poder verlo.

Compare los campos de etiqueta para ver si tenemos éxito: Ejemplo:

Dirección Etiqueta Datos Número de conjuntos

1FF 7FFC 1FF 12345678 1FFF 001 7FFC 001 11223344 1FFF

Etiqueta (9 bits)

Conjunto (13 bits) Palabra (2 bits)




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Un bloque determinado se hace corresponder a cualquier línea en un conjunto determinado. Ejemplo: El bloque B puede asignarse en

cualquiera de las líneas del conjunto i.

Ejemplo: 2 líneas por conjunto. Correspondencia asociativa de 2 vías. Un bloque determinado puede asignarse

en una de las dos líneas en un único conjunto.

EJEMPLO


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ASOCIATIVA DE DOS VÍAS


50


51

EJEMPLO


52

Considere que una cache asociativa por conjuntos consta de 64 líneas divididas en conjuntos de 4 líneas. La memoria principal contiene 4K bloques de 128 palabras cada uno.

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (d bits)

Palabra (w bits)

EJEMPLO

Primero vamos a ver de cuantos bits será el total de la memoria

4*1024*128 = 524288 esto equivale a 219 palabras entonces el tamaño del formato de dirección de memoria principal en bits es 19

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (d bits)

Palabra (w bits)


EJEMPLO

54

Para encontrar el valor de la palabra:Sabemos que la memoria principal tiene 4k bloque de 128 palabras a estas 128 debemos sacar su equivalente en 2n

y es 27 , entonces w = 7, es decir que se necesitan 7 bits para direccionar las palabras que están dentro del bloque de memoria

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (d bits)

Palabra (w bits)

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (d bits)

Palabra (7 bits)

EJEMPLO

Recordemos que el total de bits del es de 19 ya sabemos que la palabra es 7 entonces la diferencia entre 19 – 7 = 12.12 bis son los que necesitamos para la etiqueta y el conjunto

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (d bits)

Palabra (7 bits)


12 bits

EJEMPLO

Sabemos que la cache tiene 64 líneas que están divididas en conjuntos de 4 y queremos saber cuantos conjuntos hay.

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (d bits)

Palabra (7 bits)


12 bits

164

64

Esto es 24 entonces el número de conjuntos que tiene la memoria cache es de 4

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (4 bits)

Palabra (7 bits)

EJEMPLO


12 bits

Etiqueta (s-d bits)

Conjunto (4 bits)

Palabra (7 bits)

Finalmente restamos 4 – 12 y nos da el valor de la etiqueta que es 8

Etiqueta (8 bits)

Conjunto (4 bits)

Palabra (7 bits)

EJEMPLO

La memoria es cara, por ello si queremos una memoria rápida deberá ser pequeña. Las memorias cada vez son más rápidas, grandes y baratas, pero no avanzan solas, las memorias cache no se quedan atrás. De todas maneras la diferencia de velocidad entre el procesador y la memoria sigue siendo un hecho, y mientras no se igualen, se seguirá usando la cache.

La jerarquización de la memoria en niveles no será posible sin el principio de localidad, el cual nos permite acceder lo mínimo posible a los niveles más lentos.

58

CONCLUSIONES

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