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Sistema de Memoria de una Computadora. Jerarquía de Memoria. Sistema de Memoria de una Computadora. Sistema de Memoria de una Computadora
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Sistema de Memoria de unaComputadora Jerarquía de Memoria
Sistema de Memoria de unaComputadora Sistema de Memoria de unaComputadora La memoria se refiere a parte de los componentes que integran una computadora y que se usan para almacenar información (datos) a utilizar por la computadora para ejecutar las tareas (programas) que le corresponden. Las memorias de computadora proporcionan una de las principales funciones de la computación moderna: la retención o almacenamiento de información. • Es uno de los componentes fundamentales de todas las computadoras modernas que, acoplado a una unidad central de procesamiento (CPU), conforman el modelo arquitectónico de computadora conocido comoArquitectura Von Neumann. • La memoriade una computadora es tal vez la parte que exhibe mayor variedad de tipo, tecnología, organización, desempeño y costo que cualquier otro componente del sistema. • No existe una tecnología que resulte óptima al satisfacer los requerimientos de memoria de un sistema de computadora. En consecuencia, una computadora típica está equipada con una jerarquía de subsistemas de memoria, algunos internos al sistema (directamente accesibles al procesador) y algunos externos (accesibles al procesador a través de la unidad I/O).
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Características de los Sistemas de Memoria El entendimiento del complejo sistema de una computadora se facilita si sus componentes son clasificados de acuerdo a un conjunto de características claves:
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Localización Se refiere a la localización de la memoria relativa al procesador. Esta puede ser interna o externa a la computadora. • La memoria internaesta compuesta por todos los componentes de memoria que se encuentran dentro del procesador (registros y niveles internos de memoria caché) o en la tablilla madre (motherboard), tal como la memoria principal, muchas veces referidas como memoria RAM y, en caso de existir, niveles externos al procesador de memoria caché. Importante:La memoria principal puede consistir también de porciones de memoria ROM, tal como es el caso en las computadoras PC, en las que el BIOS (Basic Input Output System) se almacena en memoria ROM con direcciones de memoria dentro del espacio de direcciones de la memoria principal.
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características El BIOS (Basic Input Output System) es un conjunto de programas que realizan un diagnóstico sobre el estado del CPU, la memoria principal, discos duros, y establece la comunicación básica con dispositivos I/O tales como el monitor, teclado y ratón. Una vez que se establece que el funcionamiento del sistema es correcto, invoca al programa cargador (bootloader) el cual carga e inicia la ejecución del sistema operativo (OS) quien se encargará de administrar los recursos del sistema, tales como CPU, memoria, dispositivos I/O, etc; cargar los drivers para los dispositivos periféricos que lo requieran, y ejecutar los programas requeridos.
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características • La memoria externa consiste en dispositivos de almacenamiento periféricos que son accesibles al CPU mediante los controladores de entrada/salida. La memoria externa puede ser tipo online, lo que significa que los dispositivos y controladores están permanentemente conectados y operando, tales como los discos duros, discos ópticos (CDs, DVDs, Blu-ray); o tipo offline, lo que significa que se conectan a través de puertos I/O externos y que operan solo al conectarlos o activarlos manualmente, tales como cintas magnéticas o las memorias flash (memorias USB).
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Capacidad Se refiere a la cantidad de información o datos que pueden ser almacenados en cada sistema o tipo de memoria. La capacidad de almacenamiento normalmente se especifica en bytes (1 byte = 8 bits) o palabras. Algunos autores definen también otros términos para referirse a múltiplos de byte: • Half-word (media palabra): 2 bytes o 16 bits. • Word (palabra): 4 bytes o 32 bits. • Doubleword(palabra doble): 8 bytes o 64 bits. • Quadwordoparagraph (palabra cuádruple o párrafo): 16 bytes o 128 bits. • Kilobyte(KB) 210bytes = 1024 bytes • Megabyte(MB) 220bytes = 1,048,576 bytes • Gigabyte(GB) 230bytes • Terabyte(TB) 240bytes Nota: Una palabra era comúnmente definida como la longitud de bits de un operador en una operación aritmética de un solo paso, o la cantidad de bits que se pueden extraer de memoria en un solo acceso. Puesto de otro modo, una computadora con arquitectura de 32 bits tiene palabras de 32 bits; una arquitectura de 64 bits, tiene palabras de 64 bits. Sin embargo, parecería ser que los autores están concordando en usar las definiciones anteriormente presentadas, y, sin importar el tipo de arquitectura, palabra significaría 2 bytes o 16 bits.
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Unidad de transferencia Se refiere a la cantidad de bytes o bits que pueden ser leídos o escritos en el componente de memoria en cada acceso (cada vez que se va a realizar una operación de lectura o escritura). En el caso de memoria interna, esta unidad de transferencia puede ser igual a la longitud de palabra, pero no es raro que ésta suela ser más grande. Considere los conceptos relacionados a la memoria interna: • Palabra(Word) • Unidades direccionables(addressableunits): En algunos sistemas, la unidad direccionable, es decir localidad de memoria a que le corresponde una dirección de memoria única, es la palabra. Sin embargo, muchos sistemas, tales como las PCs, permiten el direccionamiento a nivel byte (cada byte de memoria tiene una dirección única asociada). En cualquier caso, la relación entre A, la longitud en bits de una dirección y el número N de unidades direccionables es 2A = N. En el caso de componentes de memoria externa, los datos son frecuentemente transferidos en unidades considerablemente más grandes que una memoria, normalmente conocidas como bloques.
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Método de acceso Se refiere a la forma de acceso al contenido de la memoria. Estos incluyen los siguientes métodos: • Acceso secuencial: La memoria es organizada en unidades de datos, llamados registros (records). El acceso debe efectuarse en una secuencia lineal específica. Un mecanismo compartido de lectura/escritura es usado, y éste debe ser movido de su localización actual a la localización deseada, pasando y rechazando cada registro intermedio. El tiempo para tener acceso a un registro arbitrario es altamente variable. La lectura o escritura sobre una unidad de cinta magnética es un claro ejemplo de este método de acceso. • Acceso directo:El acceso directo involucra un mecanismo compartido de lectura/escritura. Sin embargo, los bloques o registros individuales tienen una dirección única basada en su localización física. El acceso se logra mediante el acceso directo a un vecindario y un proceso de búsqueda secuencial en tal vecindario, contando, o esperando a alcanzar una localización final. Una vez más, el tiempo de acceso es variable. Las unidades de disco duro utilizan este método de acceso directo. • Acceso aleatorio: Cada localidad o unidad direccionable en memoria tiene un mecanismo de direccionamiento físicamente alambrado en el hardware. El tiempo para tener acceso a cada localidad es constante e independiente de la secuencia de previos accesos. Entonces, una localidad puede ser seleccionada aleatoriamente y directamente direccionada. La memoria principal y “algunos” sistemas caché utilizan el método de acceso aleatorio. • Acceso Asociativo: Es un tipo acceso de memoria aleatorio que permite hacer una comparación de algunos bits específicos dentro de la dirección de memoria para encontrar una coincidencia específica con otras localidades o palabras, las cuales son agrupadas y manipuladas en operaciones de escritura o lectura en un mismo bloque. Por lo tanto, la información es leída o escrita en memoria en forma de bloques, incluyendo la localidad o palabra que se desea usar. Tal como una memoria ordinaria de acceso aleatorio, cada localidad tiene un propio mecanismo de direccionamiento, y el tiempo de extracción es constante e independiente de la localización o patrones de acceso anteriores. Las memorias caché pueden emplear el método de acceso asociativo.
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Desempeño El desempeño se refiere a la rapidezcon la que se puedenteneracceso a los datos en la memoria. Los tres parámetros de desempeño son los siguientes: • Tiempo de acceso(latency):Para una memoria de acceso aleatorio, este es el tiempo que toma realizar una operación de lectura o escritura. Esto es, el tiempo que transcurre desde el instante que una dirección es presentada a la memoria al instante en que los datos han sido almacenados o puestos a disposición para su uso. Para memorias de acceso no aleatorio, el tiempo de acceso es el tiempo que toma posicionar el mecanismo de lectura/escritura en la localización deseada. • Tiempo de ciclo de memoria(memorycycle time): Este concepto se aplica primeramente a la memoria de acceso aleatorio, y consta del tiempo de acceso más el tiempo adicional requerido antes de que se efectúe el siguiente acceso. Este tiempo adicional puede ser requerido para que la parte transitoria de las señales en las líneas de datos desaparezcan o para regenerar los datos si estos fueron leídos destructivamente (en forma errónea). Nótese que el tiempo de ciclo de memoria depende del bus del sistema y no del procesador.
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características • Velocidad de transferencia(transfer rate): Es la velocidad a la cual los datos pueden ser transferidos hacia dentro o fuera de la unidad de memoria. • En el caso de memorias de acceso aleatorio, esta velocidad de transferencia es: Vt = (palabra o bits leídos por acceso) / tiempo de ciclo. • En el caso de memorias de acceso no aleatorio, esta velocidad es: Vt = 1 / TS donde TS = Tiempo promedio para leer o escribir N bits TA = Tiempo promedio de acceso N = Número de bits R = Velocidad de transferencia en bits por segundo (bps)
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Tipo Físico Se refiere al material y tipo de fabricación del componente de memoria. Entre los principalestiposfísicos se tiene: • Semiconductor • Memoria RAM • Memoria ROM • Memoria Flash (memoria USB y memoriamicroSD) • SSHD (Discos duros de estadosólido) • Magnético • Discos duros • Cintas magnétics • Óptico • CDs • DVDs • Blu-ray • Magneto-óptico • Disco magneto-óptico
Sistema de Memoria de unaComputadora - Características Características Físicas (electromagnéticas) Se refiere a la manera en que se almacena y mantiene la información en memoria. • Volátil / No volátil • La información en unamemoriavolátil se pierde al cortar el suministro de energía al componente de memoria. • La información en unamemoriano volátilse conservaal cortar el suministro de energía al componente de memoria. • Escritura (RAM) / Solo Lectura (ROM) • Unamemoria RAM (Random Access Memory – Memoria de AccesoAleatorio) permiteoperaciones de lectura y escritura. Medianteunaoperación de escritura se puedemodificar la información en laslocalidades de estamemoria. • Unamemoria ROM (Read Only Memory – Memoria de Solo Lectura), comosunombre lo implica, no permitemodificar (escribir) el contenido de suslocalidades de memoria, solo leerlos. Hay variostipos de ROM en los quela informacióncontenidapuedesermodificadamedianteprocedimientos no fácilmenteaccesibles al usuariocomún. Se requiere de dispositivos o hardware especial para modificar el contenido.
Sistema de Memoria de unaComputadora – Jerarquía de Memoria Jerarquía de Memoria Las limitaciones de diseño de la memoria de una computadora puede ser reducidas a tres preguntas: ¿Cuánto?, ¿Qué tan rápido? y ¿Qué tan cara? • La pregunta de cuánto de cierta forma tiene una respuesta no definida, ya que las condiciones cambian. Si hay suficiente capacidad, es muy probable que se desarrollen aplicaciones que usen esta capacidad. • La pregunta de qué tan rápido, en cierto sentido, es más fácil de responder. Para obtener un mejor desempeño, la memoria debe ser capaz de estar a la altura del procesador. Esto es, al momento que el procesador ejecuta las instrucciones, no se desea que éste tenga que entrar en una pausa en espera de instrucciones o datos. • La pregunta final también debe ser considerada. En un sistema práctico, el costo de la memoria debe ser razonable en relación con otros componentes. El dilema que el diseñador tiene que afrontar es claro. El diseñador desearía usar tecnologías de memoria que proporcionen una gran capacidad de memoria, tanto porque se necesita esa capacidad como por el hecho de que el costo de almacenamiento es bajo. Sin embargo, para satisfacer el requerimiento de desempeño, el diseñador tiene que hacer uso de memorias caras, de capacidad relativamente baja y con tiempos de accesos más cortos (mayor velocidad de acceso).
Sistema de Memoria de unaComputadora – Jerarquía de Memoria La forma de resolver este dilema no se apoya en solo un componente de memoria o tecnología, sino en el emplear una jerarquía de memoria. Muchos autores coinciden en establecer que a mayor jerarquía, mayor cercanía con el CPU. Ejemplo, los registros están en la cima de la jerarquía por que estos se encuentran dentro del CPU mismo. Las cintas magnéticas se encuentra en lo más bajo de la jerarquía, estás normalmente se conectan a una computadora mediante la red o un puerto de entrada/salida, relativamente más lejos del procesador que otros dispositivos de almacenamiento.
Sistema de Memoria de unaComputadora – Jerarquía de Memoria También, conforme se desciende en la jerarquía, se presentan las siguientes condiciones: • Decrece el costo de almacenamiento por bit. • Incrementa la capacidad de almacenamiento. • Incrementa el tiempo de acceso (el acceso se torna más lento). • Decrece la frecuencia de acceso a la memoria por parte del procesador (el volumen de transferencia de bits es mayor, por lo que se requiere menor frecuencia de acceso). Entonces, las memorias más pequeñas, caras y rápidas son suplementadas por memorias más grandes, baratas y lentas. La clave para el éxito de esta organización jerárquica es el punto d): disminuir la frecuencia de acceso.
