Anexo 2. - Departamento de Tecnología Electrónica

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASParte 1.- TEORÍA DEL PARALELISMOTema 2.- ARQUITECTURA BASICAAnexo 2.- MEMORIAS.INDICECapitulo 2.1.- INTRODUCCION.......................................................................................................................................... 3Capitulo 2.2.- EVOLUCION HISTORICA........................................................................................................................... 4Capitulo 2.3.- CLASIFICACION TECNOLOGICA............................................................................................................. 5Capitulo 2.4.- CARACTERISTICAS DE LAS MEMORIAS............................................................................................... 5Capitulo 2.5.- NIVELES DE JERARQUIA .......................................................................................................................... 7Memorias especializadas.................................................................................................................................................. 11Capitulo 2.6.- UTILIZACION PRACTICA DE LAS MEMORIAS................................................................................... 12Capitulo 2.7.- FUNDAMENTOS BASICOS DE LAS MEMORIAS ................................................................................. 13Medio ó soporte ............................................................................................................................................................... 14Transductor ...................................................................................................................................................................... 14Mecanismo de direccionamiento ..................................................................................................................................... 15Direccionamiento en memorias estáticas o “cableado”. .............................................................................................. 15Direccionamiento en memorias dinámicas y de propagación...................................................................................... 18Capitulo 2.8.- CARACTERISTICAS DE LAS MEMORIAS............................................................................................. 19Duración de la información ............................................................................................................................................. 19Memorias permanentes ................................................................................................................................................ 19Memorias volátiles....................................................................................................................................................... 19Memorias de lectura destructiva .................................................................................................................................. 19Memorias con refresco................................................................................................................................................. 19Modo de acceso ............................................................................................................................................................... 20Velocidad......................................................................................................................................................................... 20Capacidad o tamaño......................................................................................................................................................... 21Capitulo 2.9.- TIPOS DE DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO PARA MEMORIA PRINCIPAL ...................... 21MEMORIA DE FERRITA .............................................................................................................................................. 22Funcionamiento del núcleo .......................................................................................................................................... 22Organización de las memorias de núcleos ................................................................................................................... 23Comparación entre los distintos tipos de selección...................................................................................................... 26MEMORIAS DE PELICULA DELGADA Y DE HILO PLATEADO .......................................................................... 27MEMORIAS DE SEMICONDUCTORES...................................................................................................................... 28RAM estáticas.............................................................................................................................................................. 29RAM dinámicas ........................................................................................................................................................... 31Memorias ROM y PROM............................................................................................................................................ 33EPROM y EEROM...................................................................................................................................................... 34LINEAS DE RETARDO ................................................................................................................................................. 35TAMBOR DE SILICIO................................................................................................................................................... 36Memorias asociativas....................................................................................................................................................... 36Capitulo 2.10.- PRINCIPALES RECURSOS PARA MEJORAR LAS PRESTACIONES DE MEMORIA PRINCIPAL 38MEMORIA VIRTUAL.................................................................................................................................................... 38MEMORIA PAGINADA ................................................................................................................................................ 41Método de correspondencia directa ............................................................................................................................. 41Método de correspondencia asociativa ........................................................................................................................ 43MEMORIA SEGMENTADA.......................................................................................................................................... 44MEMORIA CON SEGMENTOS PAGINADOS............................................................................................................ 46MEMORIA CACHE O INMEDIATA ............................................................................................................................ 50TIPOS DE MEMORIA CACHE ..................................................................................................................................... 50Memorias cache de correspondencia directa................................................................................................................ 51Memoria asociativa completa ...................................................................................................................................... 52Memoria cache de asociación de conjuntos................................................................................................................. 52Memoria cache de correspondencia vectorizada.......................................................................................................... 52Capitulo 2.11.- PROTECCION DE LA MEMORIA PRINCIPAL..................................................................................... 52Registros de borde ....................................................................................................................................................... 52ETSII – Dpto. 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Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASCapitulo 2.1.- INTRODUCCIONLlamaremos memoria a todo dispositivo electrónico capaz de almacenar informaciones, de tal suerte que elórgano que se sirva de él pueda acceder a la información solicitada en cualquier momento.En consecuencia, no consideramos como memorias las cintas y tarjetas perforadas, pero sí a la cinta magnéticauna vez montada en el dispositivo de lectura.La memoria es un bloque fundamental del computador, cuya misión consiste en almacenar los datos y lasinstrucciones.La UCP (Unidad Central de Proceso), mediante su Unidad de Control y con el apoyo de los registros de trabajo,se encarga de buscar las instrucciones y datos en la memoria principal, realizar las operaciones adecuadas con laALU y sacar o introducir información a/desde los periféricos exteriores a través de los módulos de Entrada ySalida.Las transferencias entre bloques del computador se hacen por un conjunto de líneas, que reciben el nombre decolectores o buses.A veces, la memoria principal no tiene la suficiente capacidad para contener todos los datos e instrucciones, encuyo caso se precisan otras memorias auxiliares o secundarias, que funcionan como periféricos del sistema ycuya información se trasvasa a la memoria principal cuando se necesita.La memoria sólo puede realizar dos operaciones básicas: lectura y escritura.En la lectura, el dispositivo de memoria debe recibir una dirección de la posición de la que se quiere extraer lainformación depositada previamente.En la escritura, además de la dirección, se debe suministrar la información que se desea grabar.La mayoría de las memorias sólo son capaces de almacenar en sus celdas unPor tanto, se denomina punto de memoria al elemento que almacena un bit.bit, puesto a 1 ó 0.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 3 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASLa implementación práctica, de un punto de memoria es muy diversa y depende de la tecnología de fabricación.El punto de memoria puede ser perfectamente definido e individualizado en el espacio y constará, además deldispositivo de almacenamiento, de los de lectura y escritura: es el caso del biestable electrónico (flip-flops) o delnúcleo de ferrita.Puede corresponder a una zona de una superficie continua, como sucede en una cinta magnética.Incluso puede no tener soporte fijo como es el caso de un impulso eléctrico que, entre otros, recircula por unalínea de retardo cerrada sobre sí misma y como ocurre con las memorias de burbujas magnéticas.Capitulo 2.2.- EVOLUCION HISTORICAEn los calculadores de la década de los 30 se emplean tarjetas perforadas como memorias.La dirección de las posiciones quedaba determinada por la posición de ruedas dentadas.Luego se emplearon relés electromagnéticos.El computador ENIAC utilizaba, en 1946, válvulas electrónicas de vacío para construir sus biestables queactuaban como punto de memoria. Además, tenía una ROM de 4 Kbits construida a base de resistencias.Al comienzo de la década de los 50, se usaron las líneas de retardo de mercurio con 1 Kbit por línea, comomemoria. Igualmente se empleó el tubo de Williams, que tenía una capacidad de 1.200 bits y consistía en un tubode rayos catódicos con memoria.El UNIVAC 1 introdujo en 1951 la primera unidad comercial de banda magnética, que tenía una capacidad de 1,44Mbit y una velocidad de 100 pulgadas/s.El primer computador comercial que usó como memoria principal al tambor magnético fue el IBM 650 en 1954.Dicho tambor giraba a 12.500 r.p.m. y tenía una capacidad de 120 Kbits.En 1953, el MIT dispuso de la primera memoria operativa de ferritas, que fue muy popular hasta mediados de losaños 70.Fue IBM, en 1968, quien diseñó la primera memoria comercial de semiconductores.Tenía una capacidad de 64 bits.También, el modelo 350 de IBM en 1956 fue quien utilizó el primer disco con brazo móvil y cabeza flotante.Su capacidad era de 40 Mbits y su tiempo de acceso, de 500 ms.Tecnologías nuevas, como la de burbujas magnéticas, efecto Josephson, acoplamiento de carga, de tipo óptico yotras, compiten en la actualidad por desplazar a las memorias de semiconductor basadas en silicio, que ya hanalcanzadocapacidades superiores a 1 GB en una pastilla con rapidísimo tiempo de acceso y coste razonable.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 4 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASCapitulo 2.3.- CLASIFICACION TECNOLOGICAMuy diversos fenómenos físicos pueden utilizarse para realizar el punto de memoria.Desde este punto de vista es posible distinguir tres grandes clases de memorias.1. Las memorias estáticas, divisibles en dos grupos:a) las memorias a las que se accede por impulsos eléctricos, como por ejemplo los biestables desemiconductores, los núcleos de ferrita, las memorias de película magnética delgada en la unidadcentral, yb) las memorias a las que se accede por haces luminosos o electrónicos, de posible uso en el futuro2. Las memorias de propagación, en las cuales las discontinuidades físicas se propagan de maneracíclica. Citemos las vibraciones electromagnéticas en líneas de retardo y las sónicas en las líneasmagnetoestrictivas, que se utilizan en aplicaciones peculiares.Citemos también el desplazamiento de burbujas magnéticas bajo el efecto de un campo rotatorio,fenómeno que puede constituir la base de las memorias auxiliares del futuro.3. Las memorias dinámicas, en las cuales se usa de la permanencia de una superficie magnética, que sehace desfilar ante unas cabezas de lectura y escritura, para registrar sobre ella la información.Es el campo de las actuales memorias auxiliares: cintas magnéticas, discos y tambores, láminas magnéticas.Capitulo 2.4.- CARACTERISTICAS DE LAS MEMORIAS‣ Volatilidad.En las memorias estáticas gobernadas por conmutación electrónica, se dice que la informaciónalmacenada es volátil si corre el riesgo de verse alterada por un fallo de alimentación eléctrica (es el casode las memorias constituidas por biestables electrónicos) y no volátil en el caso contrario (utilización defenómenos magnéticos remanentes, por ejemplo).‣ Lectura y escritura.Son las operaciones básicas de las memorias.Se realiza escritura cuando se registran informaciones en la memoria y lectura cuando se extraeninformaciones previamente registradas.La lectura puede ser destructiva (la información leída se borra de la memoria) o no destructiva.La escritura puede exigir o no exigir un borrado previo.Las memorias de semiconductores son de lectura no destructiva y no obligan forzosamente a un borradoprevio a la escritura, mientras que en las memorias de núcleos la lectura es destructiva y la escritura exigeun borrado previo.‣ Direccionamiento.Para localizar una información dentro de una memoria, la computadora debe saber dónde la ha colocadoanteriormente. Es la función del direccionamiento.En las memorias en que el punto de memoria está perfectamente individualizado, el emplazamiento de lasinformaciones y, por consiguiente, su dirección exacta, preexiste a toda operación de almacenamiento:éste es el caso de las memorias de núcleos, donde cada célula de memoria posee su dirección.Por el contrario, en memorias tales como las cintas magnéticas, el emplazamiento de las informacionesdepende de la operación de registro de las mismas.Una información no es individualmente direccionable y no existe relación entre dirección y emplazamiento.Las informaciones se agrupan por bloques o registros. La dirección de la información consta de doselementos: el nombre del registro, o indicativo, y el número de orden de la información dentro del registro.De hecho, no se tiene físicamente acceso más que al conjunto del registro.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 5 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIAS‣ Modo de acceso.En el caso de las memorias de núcleos, se tiene acceso directamente a cualquier información, cuyadirección sea conocida, en una cantidad de tiempo independiente de dicha dirección.El acceso a este tipo de memoria es aleatorio, o directo, o selectivo.Opuestamente, para acceder a una información en cinta magnética, es necesario desenrollar la cinta,leyendo los indicativos de los registros, hasta encontrar el que se busca. El acceso a la información eneste tipo de memoria es secuencial. A título de ejemplo, el acceso a ciertos discos con cabezas móviles esselectivo al nivel de elección de la cabeza y de su posicionamiento, o sea al nivel de la pista, y secuencialen el interior de la pista (figura).A menudo se llaman memorias de acceso por bloques a las memorias de propagación y las memoriasmagnéticas dinámicas, en las que, para acceder a una información, es preciso esperar a que ésta pasepor el dispositivo de lectura/escritura. En estas condiciones, las informaciones no son manipuladasindividualmente, sino bajo el régimen de bloques. La utilización de una información individual implica unatransferencia previa del bloque a la memoria central.Por lo que respecta a la medida de la eficacia operativa, esto nos conduce a distinguir el tiempo de accesoa la primera información del bloque, y el caudal de las informaciones contenidas en el bloque entre lamemoria auxiliar y la memoria central.‣ Tiempo de acceso.Es el tiempo que transcurre entre el instante en que se lanza una operación de lectura en memoria y elinstante en que se dispone de la primera información buscada.En las memorias estáticas es independiente, en general, del emplazamiento de las informaciones.Para calcular el tiempo de acceso en las memorias magnéticas dinámicas puede despreciarse la duraciónde las conmutaciones electrónicas ante los tiempos de posicionamiento. Es así como el tiempo de accesode un tambor magnético poseedor de una cabeza por pista depende de las posiciones relativas de lainformación buscada y de la información situada en trance de lectura o de escritura.Iguala, en promedio, a la mitad del tiempo total de rotación. El tiempo de acceso de una pila de discos concabezas móviles comprende el tiempo de posicionamiento de las cabezas y el tiempo de rotación.La noción de tiempo de acceso no tiene mucho sentido en lo que atañe a la cinta magnética: puede llegara ser de varios minutos en la hipótesis favorable de que la cinta esté ya montada en el bobinador.‣ Caudal: así se llama al número máximo de informaciones leídas o escritas por unidad de tiempo.Para las memorias de acceso por bloques se supone que las informaciones están situadas en lugaressucesivos de la memoria.El caudal se expresa generalmente en kilo-informaciones o mega-informaciones por segundo.Por ejemplo, podrá hablarse de una velocidad de transferencia o caudal de un mega-octeto por segundo.El caudal de un tambor magnético es igual al número de palabras por pista dividido por el tiempo derotación. La duración de una operación de entrada-salida sobre un tambor es la suma del tiempo deacceso y del tiempo real de transferencia, este último inversamente proporcional al caudal.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 6 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIAS‣ Capacidad.Es el número de informaciones que contiene la memoria.Se hablará, por ejemplo, de una memoria de núcleos de 4.096 palabras, de un disco de 4 millones deoctetos. Habida cuenta del direccionamiento binario, las capacidades de las memorias se expresanhabitualmente por potencias dedos: 1024, 4096, 8192 palabras, etc.‣ Intercambiabilidad.En las memorias magnéticas dinámicas los soportes de información son frecuentemente indisociables desu unidad de explotación, como sucede en los tambores o discos de cabezas fijas; también pueden serintercambiables, como determinados discos de cabezas móviles o como las cintas magnéticas.Capitulo 2.5.- NIVELES DE JERARQUIALa memoria principal, abastece a la UCP de datos e instrucciones.Como la UCP se construye con circuitos integrados rapidísimos, obliga a que la memoria emplee un tiempomínimo en grabar y obtener información.Sin embargo, las memorias rápidas son de pequeña capacidad, por lo que existirá un nivel veloz, pero de pocotamaño, en el computador, que actúe como memoria principal así como niveles sucesivos de menor rapidez ymayor capacidad.La información se deposita en uno de los niveles de acuerdo a su prioridad de uso.Así, cuando un programa o unos datos de archivo son poco empleados, se almacenan en el nivel inferior máslento y de mayor capacidad; si en un momento determinado se necesitan, se trasladan al nivel superior másrápido.Además de la velocidad operativa de una memoria o tiempo de acceso a la información y la capacidad dealmacenamiento, existe otra propiedad fundamental, que influye en la determinación de su nivel jerárquico; setrata del coste/bit.Estas tres características son contrapuestas, es decir, que si se desea un tiempo de acceso muy bajo, el coste/bitserá alto y la capacidad o tamaño será bajo.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 7 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASLa memoria ideal debe poseer una capacidad elevada junto a un tiempo de acceso muy pequeño y un precioreducido. Dichas características, por ahora, son tecnológica y económicamente irreconciliables.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 8 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASHay que recurrir a una "especialización", usando memorias muy rápidas y de pequeña capacidad en aquellaspartes del sistema en las que la velocidad es el factor predominante.Las memorias lentas y de gran capacidad se destinarán a las partes donde prime o sobresalga el factorcapacidad.Se ha llegado a establecer una jerarquía de las memorias, sobre todo a dos niveles:‣ Memoria central relativamente rápida pero de capacidad bastante limitada;‣ Memoria auxiliar de mucha mayor capacidad pero con un tiempo de acceso considerable.Se pueden distinguir los siguientes niveles jerárquicos:a) Memorias cache o tampón.Son de acceso aleatorio, caracterizadas por su elevada eficacia y baja capacidad (16 Kbyte).Se utilizan en las máquinas de la tercera generación en funciones de memoria local o tampón en la unidadcentral o en los canales.Tecnológicamente, se fabrican con semiconductores generalmente, excepcionalmente con películasmagnéticas finas.Sus tiempos de acceso oscilan entre los 20 y los 200 ns.b) Memoria central o principal.De acceso aleatorio puesto que en ella busca la unidad central precisamente la información que necesita,Sin embargo, en la primera generación se utilizaron tambores magnéticos y líneas de magnetoestricciónpara estas funciones. También fue el campo predilecto de las memorias magnéticas estáticas: memoriasde núcleos, menos frecuentemente memorias de película magnética fina;Hoy, es se comienza a utilizar memorias de semiconductores.Capacidad no muy alta (128 KB - 100 MB) y tiempo de acceso comprendido entre los 200 ns y los 2 us.Generalmente están fabricadas con semiconductores.Actualmente, la capacidad de la memoria central sigue la ley de la duplicación cada dos años.c) Memorias intermedias.Suelen ser de acceso secuencialEsta primera clase de memoria auxiliar incluye memorias de capacidad bastante grande (varios millonesde caracteres, 10 G) con tiempos de acceso muy parecidos a los de las memorias centrales (variosmicrosegundos a varios ms).Actualmente, las soluciones magnéticas estáticas son las únicas disponibles.Realmente este nivel no se ha extendido mucho y suele ser sustituido por un nivel de memoria secundariareferente al disco de cabeza fija y de uso exclusivo del Sistema Operativo y por el nivel de memoriaauxiliar, que incluye a los discos móviles y las cintas.d) Memorias auxiliares.Son memorias de acceso selectivo, caracterizadas por capacidades mucho mayores, tiempos de accesoconsiderables y grandes velocidades de transferencia.Se accede en ellas a bloques de información que son transferidos a memoria central para ser utilizadosallí. En el momento presente es campo casi exclusivo de las memorias magnéticas dinámicas, cuyo bajocoste por bit autoriza capacidades importantes y cuyo caudal puede alcanzar varios mega-caracteres porsegundo: se distinguen los tambores y discos con cabezas fijas (tiempo de acceso de 5 a 20 ms), losdiscos con cabezas móviles, frecuentemente intercambiables (tiempo de acceso: 50 a 100 ms), lasmemorias con láminas magnéticas (tiempo de acceso: 200 a 600 ms).e) Memorias ficheros.Son las cintas magnéticas, caracterizadas por su acceso secuencial, que implica tiempos de acceso dehasta varios minutos, y por su intercambiabilidad que procura una capacidad casi infinita dealmacenamiento, pero que implica manipulaciones humanas de búsqueda y montaje en los bobinadores.Este carácter de intercambiabilidad sirve también para permutar informaciones entre computadores.El caudal de las cintas magnéticas puede oscilar entre 15 y 300 kilo-caracteres por segundos.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 9 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEn la tabla se recoge una clasificación jerárquica de la memoria, junto a sus características más relevantes.Zonas de utilización de las diferentes clases de memorias, habida cuenta de las limitaciones tecnológicas y de lasconsideraciones de precio.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 10 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMemorias especializadasDentro de esta categoría incluimos aquellas memorias que, por la peculiaridad de su funcionamiento, estánabocadas a aplicaciones especiales.Distinguiremos tres tipos: las pilas y colas de espera cableadas, las memorias muertas o reinscriptibles, y lasmemorias asociativas.‣ Las pilas y colas de espera cableadas.Se caracteriza a menudo por el hecho de que ciertas operaciones implican un desplazamiento global detoda la información contenida en la memoria.Así, por ejemplo, la inserción de una información en una pila cableada "empuja" el contenido de la pila enun "peldaño" mientras que la extracción "atrae” el contenido de la pila en un peldaño.Pueden materializarse tales memorias en pequeña capacidad por medio de lógicas celulares a base desemiconductores.Las colas de espera cableadas se emplean con frecuencia para compensar la diferencia de caudal de dosórganos entre los que se establece una comunicación. En tales casos, se denominan memorias-tampón.‣ Memorias muertas.Las memorias muertas o memorias de sólo lectura son memorias que no pueden operarse más que enlectura.Las memorias reinscriptibles permiten una lectura rápida, pero una reescritura lenta.Se utilizan en el campo de la microprogramación.‣ Memorias asociativas.En las memorias de acceso aleatorio, se proporciona una dirección y se recupera la información en ellacontenida.Las memorias asociativas, o memorias direccionables por el contenido, responden al problema siguiente:¿está contenida en la memoria una deterirnínada información, llamada descriptor? y, sí está contenida,¿ en que posición?ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 11 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASCapitulo 2.6.- UTILIZACION PRACTICA DE LAS MEMORIASA nivel de sistema, los dispositivos de memoria pueden contemplarse como bloques a los que hay que suministraruna dirección y una señal de control para especificar la operación que se desea realizar; además, hay que enviaro recibir el dato o bloque correspondiente.Las memorias de acceso aleatorio utilizan acceso individualizado a nivel de palabra.Para hacer la conexión con el resto del sistema, se suelen emplear dos registros, uno que almacena la dirección yel otro, el dato a leer o escribir.El registro D de direcciones tendrá una longitud d, tal que 2 sea mayor o igual que la capacidad de la memoria.El registro M de datos tendrá una longitud m igual al tamaño de la palabra con que trabaja la memoria.Ambos registros se encuentran conectados a los buses del sistema.Las señales de control indicarán a la memoria el tipo de operación a realizar, así como el comienzo de dichaoperación. La memoria, a su vez, puede generar una señal de control de fin de la operación, muy útil en lasincronización con el sistema.dETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 12 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASExiste la posibilidad de construir memorias con varias parejas de registros D y M, llamadas memoriasmultipuerta.Las memorias de acceso aleatorio forman la memoria principal del sistema y su conexión es directa a los busesdel mismo.Sin embargo, las memorias dinámicas forman la memoria auxiliar y su conexión se efectúa mediante una unidadde intercambio.Capitulo 2.7.- FUNDAMENTOS BASICOS DE LAS MEMORIASPara que un dispositivo de memoria pueda realizar sus funciones principales de lectura y escritura, ha de disponerde tres elementos:1. Medio o soporte:Donde se almacenan estados de energía diferentes, que codifican la información guardada.2. Transductores:Tanto en la lectura como para la escritura, son capaces de generar la energía necesaria en la grabación ydetectar el estado existente en la lectura.3. Mecanismo de direccionamiento:Permite leer y escribir la información en el lugar y tiempos precisos.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 13 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMedio ó soportePara que un medio sirva como almacén de información, ha de presentar, al menos, dos estados estables (osemiestables), que se caractericen por una magnitud física discreta, por ejemplo, el momento magnético, la cargaeléctrica, la corriente, etc.Además, se ha de poder pasar de un estado a otro mediante la aplicación de una señal (energía) externa, y se hade poder detectar el estado existente en un momento determinado. Finalmente, ha de ser posible cambiar deestado tantas veces como se quiera sin que sufra o se modifique el medio.Los medios o soportes más empleados son los de tipo magnético.Se construyen de forma que presenten una dirección preferente de magnetización, que llamaremos A B.Si se magnetiza mediante un campo externo el medio en el sentido A B, tenemos un estado, mientras que, sise magnetiza en sentido contrario A B, tenemos el otro.Los medios pueden ser discretos o continuos.En el primer caso se emplea un dispositivo físico aislado para almacenar cada bit, mientras que en el segundo sealmacenan unos a continuación de otros en el mismo medio, distinguiéndose entre sí por el método de escritura.El toro de ferrita y el biestable son medios discretos, y la cinta o el disco son medios continuos.En general, los medios discretos son más caros que los continuos, pero requieren unos transductores mássencillos y presentan un direccionamiento más rápido y sencillo.Los medios pueden clasificarse atendiendo al tiempo que la información permanece grabada sobre ellos.Hay tres tipos:1) La información se mantiene de forma permanente. Suele ser lo normal en medios magnéticos.Se dice que la memoria es no volátil.2) La información desaparece cuando se deja de alimentar o suministrar energía a la memoria.Por ejemplo, esto ocurre con las memorias con semiconductores, tipo RAM.Entonces la memoria es volátil.3) La información se va degradando paulatinamente y llega un momento en que no se puede leer.Esto sucede con los condensadores, que, cuando están cargados con una tensión, pueden representar unestado, y descargados, el otro.Sin embargo, los condensadores, al no ser perfectos, van descargándose hasta que pierden lainformación, Para que estos tipos de memoria sean útiles, hay que recargar a todos sus elementosperiódicamente para compensar las pérdidas; esta acción se conoce como refresco.Finalmente, y como ya se ha dicho, hay medios que guardan una equivalencia entre una posición física y un puntode memoria, es decir, la información permanece fija en el medio, como en un disco, pero hay otros medios en losque la información se traslada, como en las memorias de burbujas magnéticas.TransductorHay transductores de lectura y de escritura.La función de los transductores de escritura es suministrar la energía necesaria al medio para que adopte elestado deseado.Por otro lado, la función de los transductores de lectura es detectar las magnitudes físicas para reconocer elestado en que se encuentra el medio.Los transductores suelen ser caros, por lo que se tiende a reducir su número, pero debe existir un compromisoentre el número de transductores y la velocidad de la memoria: si hay pocos transductores, la memoria será lenta.Los transductores pueden estar físicamente unidos al medio o pueden ser independientes de él.En el primer caso, hay un cableado que permite acceder al punto de memoria deseado.En el segundo, el punto de memoria al que se quiere acceder debe posicionarse frente al transductor para realizarla operación de lectura y escritura.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 14 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASComo ejemplos de estas dos situaciones se pueden citar las memorias de ferritas, en la cual los transductoresestán unidos de forma fija a las ferritas por conductores eléctricos, y la cinta magnética, en la que se debeenfrentar al cabezal de lectura/escritura la zona a la que se pretende acceder.Reciben el nombre de memorias estáticas las que tienen el transductor unido al medio y dinámicas aquéllasen las que debe moverse el medio para posicionarse frente al transductor.Los transductores de las memorias dinámicas, por lo general, trabajan con unos niveles de señal muy bajos, por loque son más caros que los fijos.De todas formas, la relación número de bits por sensor es mucho mayor que en las estáticas, en las cuales lostransductores están cableados a unos pocos puntos de memoria, por lo que el coste final por bit es mucho menor.Mecanismo de direccionamientoSe encarga de seleccionar el punto de memoria deseado.En una memoria estática el mecanismo de direccionamiento es inherente a su propia construcción.El conexionado de los transductores, junto a la selección de estos últimos, específica de forma inequívoca elpunto de memoria al que se accede. Por este motivo, este tipo de memorias reciben la denominación dememorias de direccionamiento cableado.Por el contrario, en las memorias dinámicas, al estar compartidos los transductores, no existe la mencionadarelación. La selección se consigue mediante la Unidad de Control que interpreta una información adicional, que sellama información de direccionamiento, y que se almacena junto a los datos.A continuación se presentan los diferentes tipos de direccionamientos:Direccionamiento en memorias estáticas o “cableado”.El mecanismo de direccionamiento de una memoria estática ofrece dos formas típicas llamadas 2D y 3D.mPara analizarlas se considera que la memoria tiene 2 palabras de n bits cada una.Se desea acceder a los n bits de una palabra, cuya dirección precisa de m bits para que quede definida.Direccionamiento 2D: En este direccionamiento todos lo s bits de la misma posición en cada palabra (bits 0, 1,...)están conectados a la misma pareja de transductores.Habrá n parejas de transductores.mm * 2Para seleccionar la palabra deseada se decodifican los m bits de dirección en un decodificador , que tieneuna señal de salida individualizada para cada palabra de memoria.Se usa la misma conexión para la lectura que para la escritura, bastando activar al transductor correspondientepara definir la operación.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 15 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASDireccionamiento 3D: Como indica la figura se establecen n planos de memoria (uno para cada bit de la palabra).Dentro de cada plano se selecciona el punto de memoria haciendo coincidir las líneas de selección X e Y.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 16 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASmx myLa dirección de m bits se divide en dos partes mx y my, que se decodifican en dos decodificadores de 2 y 2 .mx mymx+myLas señales de salida 2 + 2 se usan como coordenadas que seleccionan entre las 2m= 2 posicionesde cada plano de la memoria.Cada plano tiene una pareja de transductores de lectura y escritura, que están conectados a todos los puntos delplano.La ventaja del método 3D estriba en que dos decodificadores de mx y my entradas son mucho más sencillos queuno de mx+my=m entradas. Como inconveniente, el punto de memoria es más complejo, puesto que debe sercapaz de activarse sólo cuando sus dos líneas x e y estén activas.Direccionamiento 2D1/2: Es un direccionamiento en el que se emplean más transductores que los n necesarios enlos casos anteriores.La selección de los puntos de memoria se hace mediante la coincidencia de una línea de decodificación X y laelección del bloque de transductores adecuado.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 17 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASDireccionamiento en memorias dinámicas y de propagaciónEn estas memorias hay que añadir una información adicional de direccionamiento, que se almacena ocupandoparte de los puntos de memoria.La técnica más empleada consiste en empaquetar la información en bloques o registros a los que se añade unacabecera, que, entre otras cosas, incluye una identificación del bloque o registro.La unidad de control del dispositivo deberá interpretar este identificador para poder seleccionar la posición dememoria requerida. Generalmente, estas memorias se usan para seleccionar bloques enteros y no posicionesindividualizadas. Esto significa que la lectura y escritura se hacen a nivel de bloque y no de palabra.Además, dado que el medio o soporte es continuo, es necesario disponer de una señal de reloj que permitadiferenciar los puntos de memoria consecutivos. Esta señal de reloj puede ser externa, pero suele grabarse en elmedio para evitar problemas de sincronización.Obsérvese que, a la menor diferencia entre el reloj y la velocidad a la que el medio pasa por delante deltransductor, producirá una interpretación errónea de la información, al haberse perdido la sincronización. Si laseñal de reloj está grabada, las variaciones de velocidad producen una variación idéntica en el reloj, por lo que nose pierde el sincronismo.Lo mismo ocurre en las memorias de propagación donde la velocidad de movimiento de la información debe estarsincronizada con el reloj.Finalmente, se establecen las diferencias entre los dispositivos de acceso secuencial, frente a los de acceso odireccionamiento directo.En los primeros sólo existe un transductor, por lo que, para acceder a una posición, se debe recorrer todo elmedio hasta alcanzar la posición deseada. Esto sucede con la cinta magnética.En los dispositivos de acceso directo hay varios transductores colocados en diversas posiciones, de forma que sepuede pasar de una posición a otra seleccionando el transductor adecuado. Dentro de la zona asignada a cadatransductor, el funcionamiento sigue siendo de tipo secuencial, pero, al ser menor esta zona, el tiempo perdido enesperar que la posición deseada alcance el transductor, es menor que si todo el dispositivo fuese de accesosecuencial.Ejemplos de memorias dinámicas de acceso directo son los discos y los tambores, y de memoria de propagaciónde acceso directo, las memorias de burbujas magnéticas.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 18 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASCapitulo 2.8.- CARACTERISTICAS DE LAS MEMORIASSe ofrece un estudio detallado de las 4 características que mejor definen y diferencian a los diferentes tipos dememorias:- Duración de la información.- Modo de acceso.- Velocidad.- Capacidad o tamaño.También existen otras propiedades secundarias que, frecuentemente, se deben tener en cuenta como son lapotencia o consumo, el coste, la densidad de bits y las recomendaciones de uso, entre otras.Duración de la informaciónEn relación con la permanencia de la información grabada en las memorias, hay 4 posibilidades:Memorias permanentesSon las que contienen siempre la misma información y no pueden borrarse.La información puede haberse grabado en el proceso de fabricación de la memoria o puede haberse efectuadoposteriormente en un proceso de grabado destructivo o permanente.Como ejemplos de este tipo de memorias se pueden citar las tarjetas y cintas de papel perforado y las memoriasde semiconductores tipo ROM.En contraposición a este tipo de memorias de sólo lectura, están las de lecturaescritura, que pueden grabarsecuantas veces se quiera. Como alternativa intermedia están las memorias que, para borrarse, precisan de uncomplejo proceso especial, como las de tipo EPROM.Memorias volátiles.Precisan estar continuamente alimentadas de energía.Si se corta dicho suministro se borra la información que poseen.En contraposición, están las memorias no volátiles, en las que permanece la información aunque se elimine laalimentación.Memorias de lectura destructivaSon memorias cuya lectura implica el borrado de la información.Para que la información no desaparezca, se requiere una escritura, posterior a la lectura, que vuelva a grabar loque se ha leído.El ejemplo clásico de este tipo de memorias es el de ferritas.Entre las memorias de lectura no destructiva destacan las de semiconductores, discos y banda magnética.Memorias con refrescoLa información sólo dura un cierto tiempo.Para que la información no desaparezca, hay que re-grabar la información de forma periódica (refresco).ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 19 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASModo de accesoEl modo de acceso de las memorias puede ser por palabras o por bloques.En el primer caso, en cada operación de lectura o escritura se transmite una sola palabra.En el segundo, cada operación implica un bloque completo de información.El acceso por palabra, llamado acceso aleatorio, solamente se emplea en las memorias estáticas, en las que eltiempo para direccionar cualquier punto de memoria siempre es el mismo. Por este motivo se suelen denominar alas memorias estáticas, memorias de acceso aleatorio o de tipo RAM (Random Access Memory).El acceso por bloques se utiliza en memorias dinámicas y de propagación.Este acceso tiene su justificación en que estas memorias tardan bastante en alcanzar el punto donde estáalmacenado el primer dato de un bloque, pero tardan muy poco en acceder a los siguientes. Para obtener un buenrendimiento del dispositivo, conviene acceder en bloques de un tamaño determinado, que justifiquen el tiempoperdido en el acceso a la zona del bloque.Los computadores actuales disponen de una memoria principal de acceso aleatorio y una memoria secundaria deacceso por bloques.VelocidadEn términos generales, la velocidad de la memoria será el "tiempo que tarde en realizar una operación de lecturao escritura". Debido a las peculiaridades de las memorias, la cuantificación de este concepto requiere analizar lostiempos de las distintas fases de las operaciones de lectura y escritura.Se analizan en principio las memorias estáticas o de direccionamiento cableado. En ellas, dado que todos lospuntos de almacenamiento están cableados de forma equivalente, los tiempos son independientes de la dirección.El tiempo de acceso o tiempo de lectura, ta, es el tiempo que tarda la memoria en suministrar una palabradesde el momento en que se proporciona la dirección y la señal de lectura.El tiempo de escritura, te, es el tiempo que tarda la memoria en grabar información desde el momento enque se suministra la dirección, la información y la señal de escritura.En las memorias dinámicas y de propagación hay que considerar el tiempo que se tarda en hacer coincidir eltransductor con la información y la velocidad a que se escriben o leen palabras consecutivas,En las memorias dinámicas se llama "tiempo de acceso" al tiempo que tarda el transductor móvil enalcanzar la posición deseada más el tiempo que tarda la zona buscada del medio en llegar a estar frenteal transductor.Para las memorias de propagación, es el tiempo que tarda la información buscada en pasar frente altransductor.En ambos casos, una vez accedida la zona deseada, pueden escribirse o leerse una serie de palabras a altavelocidad. Se hace referencia a la velocidad o cadencia de transferencia y se expresa en bytes/s, Kbytes/s oMbytes/s. Esta cadencia está determinada por la velocidad del soporte, así como por el espacio ocupado por cadapunto de memoria (densidad de grabación).ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 20 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASCapacidad o tamañoSe denomina "capacidad" o "tamaño" a la cantidad de información que puede almacenar una memoria.La capacidad se puede expresar en unidades de bits, bytes o palabras, aunque lo más corriente es hacerlo enbytes.Se emplean los prefijos: Kilo = K = 2 10 = 1024 , M = Mega =1024 K, G = Giga = 1024 M, T = Tera = 1024 G.En las memorias de direccionamiento cableado existe una relación directa entre los bits necesarios para llevar acabo el direccionamiento y la capacidad. En efecto, si la memoria tiene H bytes y se accede a nivel de byte,significa que se necesitan H direcciones distintas, luego se requerirán m bits de dirección, de forma que 2 m ≥ H .Como las memorias dinámicas y de propagación almacenan, además de los datos, información dedireccionamiento y reloj, hay que distinguir entre capacidad neta o útil, que es la capacidad de almacenamiento deinformación de usuario y la capacidad bruta, que se halla sumando a la neta, la de direccionamiento y reloj.La capacidad bruta de una memoria dinámica viene dada por el tamaño del soporte y por la densidad degrabación. El tamaño se puede expresar como la longitud total de pista utilizada y la densidad de grabación vienedada por la longitud de pista necesaria para grabar un punto de memoria.Algunas memorias dinámicas están hechas de forma tal, que el soporte es intercambiable.Capitulo 2.9. - TIPOS DE DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO PARA MEMORIAPRINCIPALETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 21 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASSe pasa a realizar una revisión de los distintos dispositivos de almacenamiento más usados en la memoriaprincipal:- Memorias de ferritas.- Memorias de película delgada e hilo plateado.- Memorias de semiconductores.- Tambor de silicio.En la tabla se ofrece una clasificación, más detallada, de las memorias de tipo "electrónico" o de semiconductores.La descripción de una memoria estática, funcionando en conmutación electrónica, comprende dos partes:‣ el funcionamiento del punto de memoria y‣ la organización general de la memoria, esencialmente ligada a la técnica de selección.Si la primera parte de esta descripción, funcionamiento del punto de memoria, es evidentemente específica decada clase de memoria, la segunda, organización y forma de selección, sería igualmente válida para otras clasesde memoria, como pudieran ser las de semiconductores.MEMORIA DE FERRITAAunque hoy en día están en desuso, la práctica totalidad de las memorias principales, desde mediados de ladécada de los 50, hasta los años 70, se han construido con ferritas. Una muestra de la importancia de estedispositivo histórico es que el escudo de las Facultades y Escuelas de Informática se basa en un toro de ferrita.Funcionamiento del núcleoLas memorias de núcleos utilizan núcleos toroidales de ferrita (toro o anillo de ferrita, material ferromagnético)como punto de memoria. Las primeras ferritas tenían un diámetro exterior de 0,3 cm y las últimas de 0,05 cm.El punto de memoria presenta dos direcciones de magnetización.Cuando una corriente eléctrica de intensidad suficiente” I” atraviesa el núcleo (4a), éste se imanta en el sentidodado por la regla del sacacorchos de MaxweIl (punto A del ciclo de histéresis) y permanece imantado, incluso enausencia de corriente (punto A1 del ciclo).Si se envía un impulso ” - I”, el núcleo se imantará en el otro sentido (punto B, después retorno al punto B1).Se suele llamar basculamiento del núcleo a esta inversión del sentido de su imantación.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 22 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASPor consiguiente, el núcleo de ferrita presenta dos estados estables A1 y B1 y puede servir como elemento dememoria. Por convenio, diremos que el núcleo está en el estado 1 en el punto A1 y en el estado 0 en el punto B1.Obsérvese que el núcleo permanecerá en su estado mientras no se vea atravesado por corrientes de intensidadsuperior a J, en valor absoluto. En particular, una corriente de valor I/2 no es capaz de hacerlo bascular.Sabemos ya realizar la operación de escritura de un dígito sobre el toro: se escribe el dígito 1 enviando un impulso+ 1 y el dígito 0 enviando un impulso - 1.La información contenida en el núcleo puede leerse empleando las leyes de la inducción magnética: al bascular elnúcleo, la variación producida del campo magnético induce una corriente en un hilo de lectura que lo atraviesa. Siel núcleo estaba en 1 (4b), la corriente ” - I”, por el hilo F1 lo hace bascular y se recupera una corriente inducidaen el hilo F2.Si el núcleo estaba en 0, no pasa nada.Por tanto, la presencia de un impulso en el hilo F2 de lectura es indicativa del contenido del núcleo pero nóteseque esta lectura es destructiva ya que, al final de la operación, el núcleo queda en el estado 0.Organización de las memorias de núcleosLa conexión a los transductores se realiza mediante hilos de cobre barnizados, que pasan por el interior de lasferritas. Esta parte del proceso de fabricación consistía en "coser" las ferritas y se hacía a mano. Era fácil que, alcoserlas, hubiera roturas de ferritas, lo que obligaba a difíciles reparaciones.La conexión se hacía con 2, 3 ó 4 hilos.Se distinguen tres tipos de selección, que corresponden a distintas organizaciones de las memorias:‣ la selección lineal o selección en dos dimensiones (2D);‣ las selecciones por coincidencia de corrientes, que comprenden la selección en tres dimensiones (3D) y‣ la selección en dos dimensiones y media (2 1/2 D).Organización por palabras (u organización 2D)La memoria más sencilla consiste en una matriz de núcleos, cada uno de ellos atravesado por dos hilosperpendiculares, un hilo de palabra y un hilo de bit. Los núcleos de una misma fila memorizan una palabra.Se dice que una memoria así concebida está organizada por palabras y que su selección es lineal o en dosdimensiones (2D).ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 23 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASPara escribir una determinada configuración binaria en una palabra de la memoria (supuesta previamente a cero)se envía una corriente I/2 por el hilo de palabra correspondiente y una corriente I/2 por todos los hilos de bit, a losque les corresponda un 1 en la configuración binaria. (4c).Únicamente los núcleos que se vean atravesados simultáneamente por las dos corrientes bascularán, puesto quela corriente I/2 por sí sola es incapaz de provocar el basculamiento de un núcleo.La operación de lectura de una palabra consiste en enviar una corriente - I por el hilo de palabra: los núcleos deesta palabra que estuvieran a 1 basculan y se recupera una corriente inducida en los correspondientes hilos debits.Se observa que la lectura es destructiva, puesto que pone a cero a todos los bits de la palabra, y la escritura exigeuna puesta a cero previa.Entonces, se conviene en dividir toda operación concerniente a la memoria en dos fases: una fase de lectura yuna fase de escritura.En el caso de una búsqueda en memoria, la segunda fase tiene por objetivo re-escribir la palabra leída: por tanto,al nivel del ciclo la memoria no es destructiva.En el caso de un registro en memoria, la primera fase persigue poner a cero la palabra en la que se quiere escribir(fig. 6).Se denomina tiempo de acceso al tiempo necesario a la obtención de la información buscada, se llama ciclo dememoria al conjunto de las dos fases de lectura y de escritura.La duración del cico de memoria es ligeramente superior al doble del tiempo de acceso, habida cuenta de lostiempos de carga de registros.La figura 7 esquematiza la organización general de una memoria organizada por palabras, sin incluir losamplificadores para generarlas corrientes I e I/2 y para amplificar los impulsos de lectura.El registro S contiene la dirección de memoria y, por intermedio de la matriz de decodificación, puede sensibilizarlos hilos de palabra; el registro está conectado, tanto para entradas como para salidas, a los hilos de bits.Algunas memorias poseen un registro M doble, una parte para la lectura, otra para la escritura.Selección por corrientes coincidentes (3D).Parte de la decodificación la realiza la propia organización de la memoria.nEsta se divide en m matrices de 2 núcleos, donde m es el número de bits de la palabra de memoria y n elnúmero de bits del registro de selección.Cada núcleo de la i-sima matriz corresponde al bit de peso i de una de lasn2palabras de la memoria.Cada núcleo está atravesado por cuatro hilos, dos para la selección X e Y enhebrados en serie con las m matricesde núcleos y dos hilos funcionales para lectura e inhibición, una pareja por cada matriz.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 24 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASSe lee una palabra enviando dos impulsos (- I/2) por los hilos X e Y adecuados.La coincidencia de estos dos impulsos pone a cero a los núcleos de la palabra que estaban posicionados en 1, yeste basculamiento induce corrientes por los hilos de lectura (fig. 9).Se escriben los bits 1 de una palabra, previamente puesta a cero, enviando corrientes I/2 por los hilos X e Y que laseleccionan.Escribir ceros consiste en evitar el basculamiento de los núcleos: se envía una corriente - I/2 por el hilo deinhibición, opuesta a las dos corrientes I/2 de los hilos X e Y, de tal forma que la resultante igual a I/2 esinsuficiente para provocar el basculamiento del núcleo (fig. 10).Obsérvese que es posible utilizar el mismo hilo para lectura e inhibición, la figura muestra la conexión con 3 hilos.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 25 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASSelección 2 ½D.Es también una selección por corrientes coincidentes, con la única diferencia respecto a la selección 3D que lainhibición en escritura no se sitúa al nivel de los núcleos, sino al de las corrientes de selección (fig. 11)El direccionamiento era, generalmente, 2D1/2.Evidentemente, el cosido con menos hilos era más sencillo, pero complicaba los transductores.Comparación entre los distintos tipos de selección.El paso de la organización 2D a una de las organizaciones 3D ó 2 ½ D se caracteriza:1. por una ganancia en lo que concierne a los circuitos de decodificación: se va de una decodificación sobren bits a dos decodificaciones sobre n/2 bits.Ahora bien, la complejidad del circuito de decodificación es proporcional al cuadrado del número de bitspor decodificar. Basta, para bien hacerse cargo de este factor, hacer el cálculo de la ganancia en unapequeña memoria de 4 K palabras;2. por una pérdida, si se cuantifica el cableado de los núcleos: en efecto, es necesario enhebrar un hilosuplementario por cada núcleo.La importancia de este factor se apreciará mejor si se sabe, por un lado, que siendo la velocidad debasculamiento de un núcleo tanto mayor cuanto menor es su diámetro, se está obligado a usar núcleoscon diámetros del orden de una fracción de milímetro y, por otro lado, que las matrices de núcleos suelenenhebrarse a mano, debido a la fragilidad de los núcleos de ferrita y a la dificultad de poner a puntodispositivos de enhebramiento automático.La solución escogida para el cableado de una memoria se situará evidentemente en una zona de equilibrio entreestos dos factores. De manera general, se optará por las memorias 2 D cuando la relación coste del cableado delos núcleos a coste del circuito de decodificación sea importante, como es el caso:- para pequeñas memorias muy rápidas, donde sería inaceptable una solución de 3 hilos por núcleo.- para las memorias auxiliares, donde la operación de selección afecta a palabras muy largas (de varioscientos de bits).Resumen de las propiedades fundamentales de estas memorias son las siguientes:a) Memoria estática con direccionamiento cableado, tipo RAM.b) No volátil, pues, si se deja de alimentar, las polarizaciones de las ferritas se mantienen invariables.c) De lectura destructiva. La escritura exige un borrado previo, pues solamente se puede pasar del "0" a “1”.d) Sólo se considera el tiempo de ciclo (lectura + escritura) pues los accesos siempre requieren un ciclo.La velocidad de los primeros prototipos era de 20 us y se ha llegado a modelos de 275 ns.e) La capacidad de estas memorias varía de unos pocos K a unos pocos Megas.Se construían con módulos de 4 K. Valores típicos de anchos de palabra han sido 8, 16, 32 y 36 bits.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 26 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMEMORIAS DE PELICULA DELGADA Y DE HILO PLATEADOAmbos tipos de memorias fueron un intento, de poco éxito comercial, de sustituir las ferritas de dos hilos por unaestructura de fabricación más sencilla, de menor tamaño y, por tanto, de mayor velocidad.En los dispositivos de película delgada se parte de una fina capa magnetizable sobre la que se establece unamatriz de hilos conectados a los transductores.La zona próxima al cruce de dos hilos realiza la misma función que un toro de ferrita de dos hilos.Dicha capa se deposita sobre un soporte y tiene un espesor de unos 1.000 A = 10 mm.En los dispositivos de hilo plateado el material magnético se deposita en una fina capa que recubre uno de los dosconductores.La zona de este depósito, próxima al cruce de ambos hilos, forma el equivalente a la ferrita.−4ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 27 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMEMORIAS DE SEMICONDUCTORESEste tipo de memoria se emplea actualmente, con carácter universal, como memoria principal de loscomputadores.En referencia a los aspectos operativos de estas memorias: utilizan el biestable electrónico como punto dememoria, se presentan una organización celular cada punto de memoria constituido por su biestable y loscircuitos asociados de lectura y de escritura.Este tipo de memoria emplea los mismos modos de selección que hemos descrito en las memorias de núcleos.La figura (a) representa un punto de memoria en el caso de la selección lineal 2D.En escritura, la señal de escritura de palabra muestrea la información latente en el hilo de bit; en lectura, la señalde lectura de palabra permite analizar el contenido del biestable.Este esquema da una lectura no destructiva y una escritura que no exige puesta a cero previa.La figura (b) presenta una posible realización del punto de memoria bajo la hipótesis de selección por corrientescoincidentes del tipo 3 D.Los dos hilos de selección X e Y permiten direccionar el punto de memoria, lo mismo en lectura que en escritura.Escribir 1 y escribir 0 exigen dos señales diferentes, si se quiere que la lectura no sea destructiva.Todas las memorias que se van a tratar en este apartado son de direccionamiento cableado, o sea, de accesoaleatorio o RAM. Sin embargo, dentro de estas memorias se ha desarrollado otra terminología que resulta un pococonfusa, pues repite términos empleados con otro sentido. Se puede establecer la siguiente clasificación:a) De lectura y escritura (RAM)- Estáticas.- Dinámicas o con refresco.b) De sólo lectura- ROM (Read Only Memory).- PROM (Programmable Read Only Memory).- EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory).- EEROM (Electricaly Erasable Read On1y Memory).Las memorias de semiconductores se presentan en pastillas integradas que contienen una matriz de memoria, undecodificador de direcciones, los transductores correspondientes y el tratamiento lógico de algunas señales decontrol.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 28 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASExisten muchas configuraciones, pero la mayoría de estas memorias manejan los siguientes elementos y señales:- Bus de datos: Es un colector o conjunto de líneas triestado que transportan la información almacenadaen memoria. El bus de datos se puede conectar a las líneas correspondientes de varias pastillas.- Bus de direcciones: Cuando está completo, es un conjunto de m líneas que transportan la dirección ymque permite codificar 2 posiciones de memoria.Puede estar multiplexado, de forma que primero se transmiten m/2 bits y luego, el resto.- Señales de control típicas• OE: Activa la salida triestado de la memoria.• CS ó CE: Activa la pastilla o chip.• WE: Señal de escritura, Para realizar una escritura, además de activarse esta señal, tambiénlo estarán CS ó CE• RAS ó CAS: Las líneas RAS (Row Address Strobe) y CAS (Column Address Strobe) sirvenpara decodificar las filas y columnas de las RAM dinámicas. Ancho de palabra típico: 1, 4 u 8bits.RAM estáticasSon las memorias de semiconductor basadas en celdas de tipo biestable; por tanto, mantienen su estado siempreque no se interrumpa la alimentación.Pastillas típicas de este tipo de memoria, son las siguientes:2114 ó 4044:2128 ó 4016:Capacidad: 4 Kbits. Configuración 1 Kx4.Nº patillas: 18. (Dirección: 10 bits, Datos: 4 líneas bidireccionales, 2 líneas de control CS yWE, 2 de alimentación).Tiempo de acceso: 200 ns.Consumo: 550 mW. Alimentación: 5 V.Capacidad: 16 K. Configuración: 2 Kx8.Nº de patillas: 24. (Dirección: 11 bits. Datos: 8 bidireccionales, Control: 3 (CS, OE y WE),Alimentación: 2).Tiempo de acceso: 150 ns.Consumo: 380 mW. Alimentación: 5 V.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 29 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIAS5188 Capacidad: 64 Kbits. Configuración: 8 Kx 8.Nº de patillas: 28. (Dirección: 13 bits, Datos: 8 bidireccionales, señales de control: 4 (CS,WE y OE).Tiempo de acceso: 120 ns.Consumo: 200 mW. Alimentación: 5,V.Las propiedades más destacadas de las memorias RAM estáticas son:- Permiten operaciones de lectura y escritura.- Direccionamiento aleatorio.- Volatilidad: si se interrumpe la alimentación, se borran.- Se usan en pequeñas memorias.- Son más caras que las RAM dinámicas y consumo mayor, pero son muy sencillas de emplear y conectar.- Las pastillas tienen bus de datos bidireccional de 4 u 8 bits de ancho, con salida triestado.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 30 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASRAM dinámicasEstas memorias usan celdas de un solo transistor de tipo MOS.El estado se almacena en un condensador que se forma entre los electrodos del transistor y que tiende adescargarse, por lo que hay que realizar un refresco periódico para evitar la pérdida de información.Pastillas típicas de este tipo de memorias son las siguientes:3716 ó 4116: Capacidad: 16 K bits. Configuración: 16 Kx1.Nº de patillas: 16. (Dirección: 7, Datos: 2 (E y S), Control: 3 (RAS, CAS y WE),Alimentación: 4.Tiempo de acceso: 150 ns. Ciclo: 375 ns.Consumo: 500 mW. Alimentación + 5 V y ± 12 V.Período de refresco: 2 ms.3764 ó 4164: Capacidad: 64 Kbits. Configuración: 64 Kx1.Nº de patillas: 16. (Dirección: 8, Datos: 2 (E y S). Control: 3 (RAS, CAS y WE).Alimentación: 2.Tiempo de acceso: 150 ns. Ciclo: 270 ns.Consumo: 200 mW. Alimentación: 5 V.Período de refresco: 4 ms.37256 ó 4256 Capacidad: 256 Kbits. Configuración: 256 Kx1.Nº de patillas: 16. (Dirección: 9. Datos: 2 (E y.S). Control: 3 (RAS, CAS y WE).Alimentación: 2.Tiempo de acceso: 120 ns. Ciclo: 240 ns.Consumo: 200 mW. Alimentación: 5 V.Período de refresco: 4 ms.Las principales características de este tipo de memoria son:- Permiten operaciones de lectura y escritura.- Direccionamiento y acceso aleatorios.- Volatilidad y refresco.- Más económicas que las estáticas en tamaños medios o grandes.- Las pastillas tienen un ancho de palabra de 1 bit y el bus de direcciones está multiplexado en eltiempo, lo cual reduce el número de patillas necesarias. Datos de salida en triestado.La figura presenta un ejemplo de direccionamiento de estas memorias.Cada pastilla de memoria es de 64 K y se direcciona enviando primero la dirección de la fila por las líneas A0-A7,a la vez que se activa RAS.Tras un retardo se introduce la dirección de la columna por las mismas líneas, a la vez que se activa la señal CAS.Las líneas A16 y A17 controlan un decodificador cuyo CS es la señal CAS, produciendo las señales CAS0, CAS1,CAS2 y CAS3 que sirven para seleccionar uno de los 4 bloques de 64 X 8 bits.La señal M/R índica el inicio de un cielo de memoria o de refresco. El circuito de refresco que actúa cada 2 msestá formado por un reloj de 30 ps y un contador para la dirección de refresco.La señal CAS se deriva de la RAS mediante el retardo adecuado.En el mercado hay pastillas, como la DA 8409, que realizan todas estas funciones y simplifican el diseño conmemorias dinámicas.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 31 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASConfiguración de una memoria dinámica de 256 K.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 32 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMemorias ROM y PROMEstas memorias sólo permiten la operación de lectura.La información contenida se graba en el proceso de fabricación (ROM) o bien en un proceso posterior irreversible(PROM).Pastillas típicas de estos tipos son:2732 ó 2932: Capacidad: 32 Kbits. Configuración: 4 Kx8.Nº de patillas: 24. (Dirección: 12, Datos salida: 8, Control: 2 (CS1 y CS2). Alimentación: 2).Tiempo de acceso: 350 ns.Consumo: 400 mW. Alimentación: 5 V.2764 ó 2932Capacidad: 64 Kbits. Configuración: 8 Kx8.Nº de patillas: 24. (Dirección: 14, Datos de salida: 8, Control: 1 (CS). Alimentación: 2).Tiempo de acceso: 300 ns.Consumo: 400 mW. Alimentación: 5 V.27128 ó 29322)27256 ó 2932Capacidad: 128 Kbits. Configuración: 16 Kx8.Nº de patillas: 28. (Direcciones: 14, Datos de salida: 8, Control: 2 CE y OE, Alimentación:Tiempo de acceso: 400 ns.Consumo: 400 mW. Alimentación: 5 V.Capacidad: 256 Kbits. Configuración: 32 Kx8.Nº de patillas: 28. (Direcciones: 15, Datos de salida: 8, Control: 1 (CS). Alimentación: 2).Tiempo de acceso: 250 ns.Consumo: 200 mW. Alimentación: 5 V.Una aplicación muy interesante de este tipo de memorias es la destinada a guardar los programas de arranque delos computadores.Entre sus principales características, destacan:- Sólo permiten la lectura.- Son de acceso aleatorio.- Son permanentes o no volátiles: la información no puede borrarse.- Tienen un ancho de palabra de 8 bits, con salida triestado.La figura muestra un ejemplo de aplicación de este tipo de memoria, en combinación con otra de tipo RAM.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 33 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEPROM y EEROMLas memorias EPROM y EEROM son memorias permanentes, de sólo lectura, pero que se pueden borrarmediante un proceso especial, como es la radiación ultra-violeta en el caso de las EPROM, o elevadas corrientesen el caso de las EEROM.Son más caras que las ROM y EPROM, pero son eficaces cuando hay probabilidad de tener que hacer cambiosen el contenido de estas memorias.Son típicas las siguientes pastillas EPROM:XX16 Capacidad: 16 Kbits. Configuración: 2 Kx8.Nº de patillas: 24. (Direcciones: 11, Datos: 8, Control: 2 (CE y OE), Alimentación: 3, una paragrabación).Tiempo de acceso: 400 ns.Consumo: 300 mW. Alimentación: 5 V (grabación a 25 V).XX32Capacidad- 32 Kbits. Configuración: 4 Kx8.Nº de patillas: 24. (Direcciones: 12, Datos: 8, Control: 1, Alimentación: 3, una para grabación.Tiempo de acceso: 500 ns.Consumo: 500 mW. Alimentación: 5 V (grabación a 25 V).XX64Capacidad: 64 Kbits. Configuración: 8Kx8.Nº de patillas: 28. (Direcciones: 13, Datos: 8, Control: 3, Alimentación: 3, una para grabar).Tiempo de acceso: 450 ns.Consumo: 400 mW. Alimentación: 5 V (25 V para grabar).ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 34 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASXX128 Capacidad: 128 Kbits. Configuración: 16 Kx8.Nº de patillas: 28. (Direcciones: 14, Datos: 8, Control: 3, Alimentación: 3, una para grabar).Tiempo de acceso: 450 ns.Consumo: 400 mW. Alimentación: 5 V (25 V grabación).Características principales de este tipo de memorias:- Sólo permiten la lectura.- Son de tipo no volátil, aunque pueden borrarse.- Son de acceso aleatorio.- Tienen un ancho de palabra de 8 bits, con salida triestado.LINEAS DE RETARDOLas líneas de retardo son memorias de propagación, poco empleadas en la actualidad, cuya estructura básica defuncionamiento se ofrece en la figura.Si se supone que la línea de retardo transmite una señal empleando T segundos en esta transmisión y se dan losvalores V+ y V- a la señal introducida en la línea, se genera un tren de impulsos que, mediante un códigoadecuado, permiten representar un tren de "ceros" y "unos", los códigos a emplear serán del tipo de los que seutilizan en la grabación magnética y que se comentan posteriormente.Suponiendo que la representación de cada bit emplea t segundos y, puesto que la línea contiene T segundos deseñal, quiere decir que la línea en cada instante contiene n = T/t bits.Ahora bien, si la señal de salida de la línea se reintroduce a la entrada, siempre habrá los mismos n bitsdesplazándose por la línea; ya se dispone de una memoria.La operación de lectura necesita esperar a que la zona de datos a leer aparezca en la salida de la línea deretardo.El tiempo medio de espera o tiempo de acceso, será T/2.Una vez alcanzada esta zona, se van obteniendo los datos a una velocidad de 1/t bit/s. La operación de lectura esinherente a la línea de retardo, pues se deben leer y reintroducir continuamente los datos para conservarlos.La escritura se efectúa cambiando la secuencia que se lee de la línea, por una nueva que represente el valordeseado. El tiempo medio de acceso será también de T/2 y la velocidad de escritura, de 1/t bits/s.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 35 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEn este tipo de memoria la lectura y la escritura se hacen bit a bit.Si se quiere a nivel de byte, la unidad de control se encargará de la conversión serie-paralelo correspondiente.Para diseñar las líneas de retardo, se han utilizado distintas propiedades físicas, destacando las siguientes:- Acústica: Se empleó una columna de mercurio que se excitaba y leía mediante transductores de cuarzo.Estos transductores generan una onda acústica que se propaga a 1,5 km/s en el mercurio.Si la columna tiene 1,5 m, el retardo total será de 1 ms y con un reloj de 1 MHz se pueden almacenar1.000 bits. También se han empleado líneas de cuarzo de reflexión múltiple con unos retardos totales de 1ms.- De compresión:Las ondas de tensión se transmiten en aleaciones de hierro-níquel, permitiendo almacenar 1 Kbit.Las principales características de estas memorias:- Ser volátiles.- Son del tipo de propagación.- Tienen poca capacidad de almacenamiento.- La lectura es destructiva.- No se utilizan en la actualidad.TAMBOR DE SILICIOLa idea del tambor de silicio fue apoyada al comienzo de la década de los 70, sin mucho éxito.Consiste en construir una arquitectura similar a la de un disco de cabeza fija o tambor, pero a base de registros dedesplazamiento. Consiguiendo la correspondencia entre pistas y registros de desplazamiento, se puede fabricarun "tambor" que no tenga partes móviles,Memorias asociativasSe conciben estas memorias, también llamadas memorias direccionables por el contenido, no para buscar unainformación cuya dirección de almacenamiento se conoce, sino para investigar si una información, bautizadadescriptor, está en la memoria y, en caso afirmativo, proporcionar una información asociada.Una memoria asociativa se divide en dos partes:‣ una primera parte M1, en que todas las palabras son comparadas en paralelo al descriptor D, y‣ una segunda parte M2, que entrega eventualmente a un registro A la información asociada al descriptor D.La memoria asociativa se nos presenta, entonces, como la realización cableada de la estructura de informacionesque hemos llamado tabla anteriormente.A manera de ejemplo, vamos a mostrar cómo puede realizarse una memoria asociativa en lógica celular.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 36 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASLas memorias M1 y M2 están organizadas por palabras, correspondiendo las células de una misma horizontal alos diferentes bits de una palabra y las células de una vertical a los bits de un peso determinado de las diferentespalabras.Cada célula representa un punto de memoria con un biestable y las lógicas de escritura y de comparación para lamatriz M1, de escritura y de lectura para la matriz M2.Aquí nos desinteresaremos de las operaciones de escritura que permiten la carga inicial de la memoria.La búsqueda en memoria implica la carga previa del descriptor en el registro D.A continuación, se ejecutarán todas las operaciones en paralelo con todas las palabras, bajo el efecto de un soloimpulso COMP. Una célula de M1 transmitirá el impulso COMP si el contenido del punto de memoria es idéntico alcontenido del biestable del registro D situado en la misma vertical, y lo bloqueará en caso contrario.Si se supone que hay, como máximo, una información idéntica al descriptor en M1, se tendrá corno máximo, unimpulso COMP a la salida de M1 que designará a la palabra de M2 para enviar al registro A.La figura esquematiza una célula de M1 y una célula de M2. Sus ecuaciones son las siguientes:Pueden realizarse pequeñas memorias asociativas (16 palabras de unos treinta dígitos) con tiempos de búsquedade] orden de 100 a 200 ns.Se utilizan las memorias asociativas para las búsquedas en tabla o para ciertas transcodificaciones, en las que elfactor tiempo es demasiado importante como para perderlo en búsquedas programadas sobre tablas en memoriacentral. En particular, veremos algunas de sus aplicaciones al describir las técnicas de topografía de memoria.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 37 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASCapitulo 2.10.- PRINCIPALES RECURSOS PARA MEJORAR LAS PRESTACIONESDE MEMORIA PRINCIPALLa memoria es uno de los componentes básicos y esenciales de todo computador, puesto que toda la informaciónque manipula, en forma de datos o instrucciones, se almacena en la memoria.Los progresos en el campo de las memorias también han caminado paralelamente al desarrollo de la Electrónica,que ha sido el causante de la sustitución de los antiguos dispositivos de núcleos de ferrita, que configuraban lamemoria principal, por los modernos, construidos con tecnología VLSI.La memoria principal ha de ser capaz de cubrir dos requisitos indispensables:1. Suficiente capacidad para contener los programas y datos en fase de ejecución.2. Un tiempo de acceso a sus posiciones de memoria en consonancia con el tiempo de procesamiento porparte de la Unidad de Control.La realización de una instrucción se compone de una fase de búsqueda, en la que hay que acceder a lamemoria principal para encontrar el código máquina, y de una fase de ejecución, en la que la Unidad deControl interpreta el código y regula la ejecución de dicha instrucción en la ALU y en los restanteselementos del sistema.Un funcionamiento equilibrado de computador exige que la fase de búsqueda, dependiente de lascaracterísticas de la memoria principal, dure un tiempo similar al de la fase de ejecución en la UCP.Para intentar cubrir estas exigencias se emplean dos mecanismos, que reciben los nombres de memoria virtual ymemoria cache.La memoria virtual tiene como objetivo aumentar la capacidad real de la memoria principal, mientras que lamemoria cache incrementa la velocidad de los accesosM EMORIA VIRTUALUn computador usa memoria virtual cuando las direcciones que generan sus programas hacen referencia a unespacio mayor que el espacio físico realmente disponible en la memoria principal.El programador tiene la impresión de trabajar con un tamaño físico de la memoria principal mucho mayor que elque tiene.Hay quereales.diferenciar entre el mapa de direcciones lógicas o virtuales y el mapa de direcciones físicas oEl espacio lógico utiliza como soporte un dispositivo de almacenamiento externo, como puede ser un disco,mientras que el espacio físico es el que ocupa la memoria principal existente.La ejecución de programas en un computador requiere que sus datos e instrucciones residan en la memoriaprincipal. Por lo tanto, las máquinas con memoria virtual, que actualmente son mayoría, disponen de un módulo,transparente para el usuario, que asigna, inteligentemente, partes de la memoria principal disponible entre losprogramasque compiten para conseguir su ejecución de forma compartida.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 38 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEl programador que dispone de memoria virtual ya no tiene que preocuparse con los tediosos problemas quesurgían en la técnica de solapamiento u overlay, en la que tenía que dividir el programa, que no cabía en lamemoria principal, en una serie de trozos de tamaño parecido a los que se denominaba módulos.Luego, el propio programa contenía las instrucciones de E/S necesarias para tratar estos módulos en unamemoria externa en el momento adecuado e introducirlos, ordenadamente, en una zona de solapamientocompartida en la memoria principal, tal como se refleja en la figura.Este complejo mecanismo tiene el inconveniente de hacer depender el programa de la memoria disponible en elcomputador, con lo que variaciones en su configuración obligan a revisar la división modular del programa.El diseño de un computador con memoria virtual exige resolver los dos aspectos siguientes:- Traducción de direcciones lógicas a físicas.- Asignación del espacio físico.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 39 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASLa traducción es precisa porque programas y datos deben situarse en la memoria principal, controlada pordirecciones físicas.Sin embargo, las direcciones que generan los programas para acceder a los operandos o para efectuarbifurcaciones, al igual que el contenido del Contador de Programa, hacen referencia al espacio lógico.El mecanismo de traducción se encarga de efectuar la operación básica que se muestra en la figura.Como el espacio físico es mucho menor que el lógico, no podrán residir en la memoria principal más que unapequeña parte de los procesos que hay en ejecución en el computador en un momento dado.Esto supone que, en muchas ocasiones, se intente acceder a posiciones no residentes en memoria física.Por lo tanto, debe existir un procedimiento que, de forma dinámica, asigne el espacio físico, de manera que todoslos procesos tengan en la memoria principal aquellas partes que se requieran para su ejecución.Cada vez que se accede a una información que no esté en la memoria física, hay que proceder a unatransferencia de información desde el espacio lógico al espacio físico para traer al hueco que se deja en lamemoria principal la nueva información necesaria para seguir ejecutando el proceso que originó este problema.Los distintos modelos de memoria virtual se diferencian por sus políticas de solapamiento y por los métodos queemplean en la organización de la memoria.Los más importantes son:- Memoria paginada.- Memoria segmentada.- Memoria de segmentos paginados.Todos estos sistemas encuentran como problema crítico que los requerimientos de la memoria de algunosprogramas específicos son difíciles de predecir, y por ello, la fracción de memoria que debe asignarse a unprograma es variable en cada caso.Además, la política de solapamiento y compartición debe tener en cuenta ciertas características internas de losprogramas que, invariablemente, determinan la construcción modular y estructurada de los mismos.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 40 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASDichas características son:1. Localización temporal.Es la tendencia de un proceso a referirse, en un futuro próximo, a elementos utilizados recientemente.Las variables y los stacks del proceso son ejemplos de elementos que ejercitan esta característica.2. Localización espacial.Es la tendencia que tienen los procesos a referirse a elementos próximos al espacio virtual antesrecorrido.3. Localización secuencial.Tendencia de los procesos a referenciar elementos de la secuencia inmediata.Para decidir qué fracción de memoria principal ha de ser destruida o cargada en disco si ha sido modificadacuando se necesita leer otra, las reglas o criterios más empleados son:a) Regla FIFO (first-in, first-out).Se destruye la fracción que más tiempo lleva en la memoria principal para dejar un hueco en ésta.b) Regla LRU (least recently used).La porción que lleva más tiempo sin haber sido usada o actualizada.c) Regla LIFO (least-in, first-out).El hueco aparece en la memoria principal destruyendo o devolviendo a disco (si se ha modificado) la parteque lleva en memoria el menor tiempo.d) Regla LFO (least frecuently used).Deja hueco la porción que se ha pedido menos veces desde que comenzó el proceso.e) Regla RAND (random). Se elige una porción al azar.f) Regla CLOCK.Cuando se coloca un bit de uso en cada entrada de una cola FIFO y se establececonvierte en circular. Es una aproximación al algoritmo LRU con una cola FIFO simple.un puntero que laM EMORIA PAGINADAEste modelo organiza el espacio virtual y el físico en bloques de tamaño fijo, llamados páginas.En un momento determinado la memoria principal contendrá algunos de los bloques lógicos.Como las distintas posiciones de un bloque lógico y uno físico están ordenadas de forma idéntica, simplementehay que traducir el número del bloque lógico al correspondiente del bloque físico.Los métodos de traducción son diversos, desde el más básico de correspondencia directa al más complejo decorrespondencia asociativa, donde la búsqueda se realiza mediante el contenido de una memoria asociativa quemantiene las correspondencias virtual-física más recientemente utilizadas.En la práctica se utiliza una técnica mixta en la que las páginas más recientemente empleadas se encuentran enuna memoria asociativa y todas ellas en una tabla de correspondencia directa.Método de correspondencia directaLa dirección virtual consta de dos campos: un número de página virtual (npv) y un desplazamiento (d), dentro dela página indicada.Con la dirección de la página virtual se accede a una entrada de una Tabla de Páginas (TP) que proporciona,además de la dirección física de la página, una serie de información complementaria.Localizada la página física, el desplazamiento (d) sirve para completar la posición concreta dentro de ella.En el momento de arranque, cada proceso activo del sistema creaen la memoria principal una Tabla de Páginas(TP) que contiene una entrada por cada posible página virtual.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 41 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASLa configuración de las entradas de TP se muestra en la figura y consta de los siguientes campos:1. Bit de validación (V), que, cuando está activado, indica que la página existe.Si V = 0, la página no existe y se creará cuando haga falta.2. Bit de modificación (M), que indica si la página ha sido modificada en memoria.Este bit se utiliza en los algoritmos de reemplazo y actualización de la memoria.3. Código de acceso autorizado a la página (CAA), que puede ser de lectura, escritura y/o ejecución.4. Bit de memoria/disco (D), indica si la página reside en la memoria principal o no.En caso negativo, se activa un mecanismo de "falta de página", que provoca el trasvase de dicha páginadesde el disco a la memoria.5. Dirección de la página (DP), que contiene la dirección de la página en memoria principal o la direcciónde la misma en memoria virtual o disco, según que la página esté activa o inactiva de acuerdo con elseñalizador D.La dirección donde comienza la Tabla de Páginas (TP) está almacenada en el Registro Base de la Tabla dePáginas (RBTP). Para acceder, sucesivamente, a las entradas de la TP se incrementa el valor correspondiente alnúmero de página virtual (npv) al que se guarda en RBTP.Para calcular la dirección física en memoria se concatena DP (número de página) con el desplazamiento d.Esto, si la página se encuentra en la memoria principal.El problema de este método estriba en que el número de entradas a la Tabla de Páginas (TP) ha de coincidir conel número de páginas virtuales, que es muy grande.El empleo de una tabla inversa, es decir, ordenada por el número de la página física reduce el número deentradas necesario, pero requiere una traducción con una función de búsqueda.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 42 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEn efecto, puesto que a esta tabla se entra por el número de la página física, hay que ir leyendo secuencialmentesus elementos hasta que se encuentre el número de página lógica de partida. Como esta búsqueda hay querealizarla en cada acceso a memoria principal, el computador que la soporta sería lentísimo.Método de correspondencia asociativaEn este caso se dispone de una tabla inversa en tecnología asociativa, esto es, con memoria tipo CAM, que seencarga ella misma de soportar el proceso de búsqueda a muy alta velocidad, suministrando el número de páginafísica o una indicación de que la palabra lógica direccionada no se encuentra en memoria, en cuyo caso seelimina una página de la memoria principal (si no se ha modificado) y se trae la nueva al hueco que deja.La memoria asociativa es aquella en la que se producen múltiples accesos de forma simultánea.En un simple acceso se pueden direccionar todas las posiciones que satisfacen un criterio de selección.Dado el elevado, coste de las memorias asociativas, la tabla en CAM suele ser incompleta, albergando el conjuntode páginas activas" en un momento determinado.Si la CAM origina falta, hay que acudir a la TP para comprobar si está en la memoria principal y, en su caso,actualizar la CAM. Si da falta la TP, hay que proceder a un cambio de página entre memoria principal y CAM.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 43 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMEMORIA SEGMENTADAEste modelo explota el concepto de modularidad de los programas construidos estructuralmente.Los módulos son conjuntos de informaciones que pueden tratarse (compilarse, ejecutarse, etc.)independientemente y que le relacionan mediante llamadas interprocedimientos, constituyendo programas que sedenominan segmentos.La segmentación es una técnica que organiza el espacio virtual en bloques de tamaño variable, que reciben elnombre de segmentos y que se colocan en memoria mediante algoritmos de localización de espacio libre.Los elementos de un segmento se identifican mediante la dirección del segmento al que pertenecen y undesplazamiento dentro del mismo.A semejanza con el modelo anterior, existe un Registro Base de la Tabla de Segmentos (RBTS), que direcciona elcomienzo de la Tabla de Segmentos (TS), de las que existe una por cada proceso activo.Cada entrada de la Tabla de Segmentos se compone de los siguientes campos:1. Código de acceso autorizado (CAA), que indica el modo de acceso permitido al segmento.2. Campo de longitud (L), que indica la longitud del segmento.3. Bit de memoria/disco (D),que indica si el segmento está o no en memoria.4. Campo de dirección de segmento (DS), que contiene la dirección absoluta del segmento en memoriao la posición del segmento en disco, según el valor del señalizador D.Dada la naturaleza variable en cuanto a longitud de los segmentos, se precisa algún algoritmo que localiceespacio libre para que resida el segmento apropiado, ya que no es corriente encontrar un bloque continuo en lamemoria, para colocarlo por completo.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 44 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEstos algoritmos forman parte del mecanismo de interrupción de falta de página y los más relevantes son:a) De mejor ajuste: Minimiza el desperdicio, seleccionando el mejor agujero o fragmento inútil en el quese puede colocar el segmento.b) De peor ajuste: Localiza el agujero que maximiza el desperdicio al colocar el segmento.c) De primer ajuste: Localiza el agujero con una dirección inicial inferior en el que se puede colocar elsegmento.d) Algoritmo buddy: Utiliza técnicas de compactación de memoria, fusionando espacios inútiles, deforma que se configuran bloques continuos del tamaño adecuado.Evidentemente, los segmentos pueden ser compartidos por muchos procesos.Algunos sistemas utilizan tablas auxiliares, que apoyan la búsqueda de segmentos compartidos, como la Tabla deSegmentos Activos (TSA), que indica cuáles son los segmentos activos en memoria en cada instante y la Tabla deSegmentos Conocidos (TSC), que contiene en cada entrada un nombre-segmento/número-segmento por cadasegmento ya utilizado en el proceso.Uno de los procedimientos más aceptados para la gestión de la memoria virtual es el que utilizan losminicomputadores PDP-11 de Digital Equipment Corporation.La dirección virtual de 16 bits, se divide en un campo de 3 bits, que selecciona uno de los 8 registros base de 12bits existentes, y otro campo de 13 bits de desplazamiento.La dirección física de 18 bits se calcula sumando al registro base, los 7 bits de más peso del desplazamientoprecedidos de cinco ceros, y concatenando al resultado los 6 bits de menos peso del desplazamiento.Se logra variar la longitud de los segmentos entre 64 bytes y 8 Kbytes.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 45 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMEMORIA CON SEGMENTOS PAGINADOSEsta memoria combina las ventajas de los dos modelos anteriores.Cada segmento se divide en páginas, de forma que, para acceder a cualquier elemento de un segmento, elsistema acude a la Tabla de Páginas (TP) de dicho segmento.Este procedimiento lo usa el microprocesador 80386 de Intel.Si se aplica la técnica asociativa, que se muestra en la figura siguiente, para realizar la traducción, el tratamientode las interrupciones de "fallo en el acceso" debe contemplar los siguientes aspectos:1. Ausencia en el número de página en la memoria asociativa, en cuyo caso se obtendrá la dirección depágina de la TP correspondiente.2. Ausencia del número de segmento en la memoria asociativa.Supone una búsqueda en la Tabla de Segmentos Activos (TSA) y, en el peor de los casos, en el directoriode ficheros del disco, para recuperar el segmento y/o los atributos.3. En sistemas multiprogramados, la activación de un nuevo proceso que genera su propio espacio dedirección invalida las entradas anteriores de la memoria asociativa.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 46 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEn la figura siguiente se muestra gráficamente el procedimiento que emplea National, en un microprocesador de32 bits, para gestionar la memoria virtual.La dirección virtual de 24 bits dispone de 3 campos.• El de más peso de 8 bits relaciona el número de segmento ns, en una tabla de segmentos TS de 256entradas de 32 bits.• La entrada de TS selecciona una de las 256 tablas de página TP (128 entradas de 32 bits), en la cualse relaciona una entrada mediante el 2º campo de 7 bits de la dirección virtual.• Finalmente la entrada de la TP apunta a una de las 32.000 páginas, de 512 bytes cada una, en que sedivide la memoria principal.• La posición de la página seleccionada la determina el 3º campo de 9 bits de la dirección virtual.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 47 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASFinalmente, en la figura se muestra el esquema general de un procesador dotado con memoria virtual.En él, en lugar de emplearse una memoria asociativa grande, cara y lenta, se divide la tabla de páginas físicas,con su equivalente lógica en dos partes.La primera reside en una pequeña memoria asociativa de alta velocidad que alberga aquellos elementos de latabla que han sido empleados más recientemente.Esta memoria recibe el nombre de TLB (Transiation Lookside Buffer).La segunda consiste en una tabla directa, llamada TP, que reside en la memoria principal y que contiene todas laspáginas lógicas asignadas a un proceso.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 48 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASEl funcionamiento es el siguiente:a) Las direcciones generadas por la UCP son enviadas a la TLB, que produce la correspondiente páginafísica o una señal de fallo.b) Si la dirección está en la TLB, se accede a la palabra de memoria principal, con lo que finaliza elproceso.c) En caso de fallo de la TLB, se pasa a leer TP para comprobar si la página está o no en memoriaprincipal. Como ya se ha dicho, TP reside en memoria principal y hay un registro (PTP) dedicado aapuntar el principio de dicha tabla.d) Si se produce acierto en TP, se actualiza la TLB, eliminando uno de sus elementos para incluir latraducción de la nueva página. Además, se accede a la palabra deseada en la memoria principal.e) Si la TP da fallo, o sea, la referencia deseada no está en una página de la memoria principal, hay quedeterminar, de acuerdo con una política de reemplazo, qué página hay que eliminar para poder traer deldisco la que originó el fallo.f) Puesto que el proceso de reemplazo de páginas es una operación larga (hay que acceder al disco), secongela el proceso que ha causado el fallo y se lanza un nuevo proceso.Generalmente, es el sistema operativo quien determina la página a reemplazar, congela el proceso en curso y dacontrol a otro proceso. Sin embargo, la función de lectura en la tabla TP para comprobar si la página está enmemoria principal, hay que realizarla por hardware, por razones de velocidad.La propia Unidad de Control, o bien una unidad especial, soporta dicha función.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 49 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMEMORIA CACHE O INMEDIATAEs una memoria auxiliar, de pequeña capacidad y alta velocidad, que se añade a la memoria principal paraacelerar su funcionamiento.Suele ser del orden de 5 a 10 veces más rápida que la memoria principal y su tamaño mucho menor..En la memoria cache se guardan las posiciones de memoria principal que más frecuentemente se prevee se van ausar. De esta forma, al realizar un acceso a la memoria principal, primero se comprueba si esa posición se hallaen la memoria cache, ganando el acceso mucha velocidad en caso afirmativo.El funcionamiento de la memoria cache con respecto a la memoria principal es muy parecido al de la memoriaprincipal con respecto a la virtual.Mientras que el concepto de memoria virtual se orientaba hacia el aumento de capacidad, la memoria cache sediseña para incrementar la velocidad de acceso.Las memorias cache y principal se dividen en bloques o líneas de unos pocos bytes, que hacen la función depáginas. En este caso, la propia cache se encarga de realizar la traducción de los números de bloque, generandola señal de fallo cuando la referencia deseada no se encuentra en ella.La secuencia de funcionamiento es la siguiente:1. La UCP genera una dirección.En el caso de tratarse de una máquina virtual, la dirección virtual debe traducirse previamente a física.Conocida la dirección física, ésta se envía a la cache.2. La memoria cache realiza la traducción a dirección de cache y comprueba si tiene la referencia; en casoafirmativo, realiza el acceso y finaliza el proceso.3. En caso de producirse fallo en la cache, se accede directamente a la palabra deseada de la memoriaprincipal y se procede a seleccionar un bloque para ser sustituido en la cache.4. Si el bloque a sustituir no ha sufrido modificación en la cache, el proceso se limita a leer de memoriaprincipal el nuevo bloque y almacenarlo en la cache. Si el bloque fue modificado, previamente habrá queleerlo de la cache y almacenarlo en la memoria principal, antes de rellenarlo con la nueva información.Puesto que el tiempo empleada en leer un bloque de unas pocas palabras de memoria principal es muy pequeño,todo el proceso de selección del bloque a reemplazar se debe efectuar por hardware.El empleo apropiado de la cache puede dar una tasa de aciertos superior al 90%, por lo que la velocidad aparentede la memoria principal se aproxima mucho a la de la cache.T IPOS DE MEMORIA CACHEDe acuerdo con el modo de "traducción" de las direcciones de memoria principal a direcciones de memoria cache,éstas se clasifican en los siguientes tipos:1. De correspondencia directa.2. De asociación completa.3. De asociación de conjuntos.4. De correspondencia vectorizada.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 50 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMemorias cache de correspondencia directaSe establece una correspondencia entre el bloque K de la memoria principal y el bloque k, módulo n, de la cache,siendo n el número de bloques de la memoria cache.Este tipo es simple y económico, por no requerir comparaciones asociativas en las búsquedas.De todas formas, en sistemas multiprocesador pueden registrarse graves contenciones en el caso de que variosbloques de memoria correspondan concurrentemente en un mismo bloque de la cache.Como se muestra en el esquema de operatividad de estos dispositivos, una dirección de memoria consta de 3campos: - Campo de etiqueta.- Campo de bloque.- Campo de palabra.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 51 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASMemoria asociativa completaEn este modelo se establece una correspondencia entre el bloque k de la memoria y el bloque j de la cache, en laque j puede tomar cualquier valor. .No se produce contención de bloques y es muy flexible, pero su implementación es cara y muy compleja, ya queel modelo se basa completamente en la comparación asociativa de etiquetas.Memoria cache de asociación de conjuntosSe divide la memoria en c conjuntos de n bloques, de forma que al bloque k de memoria corresponde unocualquiera de los bloques de la memoria del conjunto k, módulo c.La búsqueda se realiza asociativamente por el campo de etiqueta y directamente por el número del sector.De este modo se reduce el costo frente al-modelo anterior, manteniendo gran parte de su flexibilidad y velocidad.Es la estructura más utilizada.Memoria cache de correspondencia vectorizadaEl modelo divide a la memoria principal y a la cache en s sectores compuestos de n bloques.La relación se establece de cualquier sector a cualquier sector, siendo marcados los bloques no referenciados delsector como no válidos.Esta estructura también reduce costos, minimizando el núcleo de etiquetas para la comparación asociativa.Capitulo 2.11.- PROTECCION DE LA MEMORIA PRINCIPALSe trata de un mecanismo que evita que un proceso acceda a una zona de memoria que no le ha sido asignada.El tema de protección adquiere su mayor importancia en los ambientes concurrentes multiusuario, en los quepreviene la intromisión de los programas de usuario entre sí y de los programas usuario con el supervisor delsistema.Los métodos que existen para proteger la memoria son variados, pero el más común se basa en dividir el espaciodireccionable en parcelas que poseen una clave específica de acceso.Cuando las parcelas son compartidas por varios procesos, deberá incluirse en la clave de acceso un identificadordel mismo. Este método se utiliza mucho en sistemas con memoria virtual paginada, puesto que su filosofía escompatible con la división de la memoria que se requiere.A continuación se describen los mecanismos más importantes usados en la protección de memoria.Registros de bordeEste sistema se puede aplicar en el caso de asignar a los procesos zonas contiguas de memoria.En este supuesto, cada proceso tiene asignada una franja de memoria, como se representa en la figura.La protección queda garantizada por dos registros de borde o límite, que contienen los valores superior e inferiorde las direcciones de la franja del proceso activo, auxiliados por un comparador, que verifica cada referenciagenerada por el proceso para garantizar que se encuentra dentro de la zona válida.En el caso de fallo en la comparación, el comparador invalida el acceso a memoria y traslada el control al sistemaoperativo, que se encarga de cancelar el proceso causante del intento de violación, produciendo loscorrespondientes mensajes.El sistema operativo carga los registros de borde con los valores del proceso, antes de otorgarle el control.La carga se efectúa mediante instrucciones privilegiadas que los procesos normales no pueden ejecutar paraevitar que puedan auto-ampliarse su zona de memoria.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 52 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASCerrojo y claveLos registros de borde no permiten establecer matizaciones o niveles en la protección, como pueden ser lossiguientes:- Acceso de lectura y escritura (por ejemplo, a zonas de datos propios).- Acceso de lectura (por ejemplo, a programas y datos de otros procesos).- Acceso de escritura (por ejemplo, de un usuario de un buffer de E/S).- Acceso de ejecución (por ejemplo, de un programa de otro usuario).Para diferenciar estas alternativas se establece un cerrojo y una clave.La memoria se divide en parcelas, de tamaño fijo o variable, a las que se asignan unos códigos de acceso paralos diversos niveles de protección previstos.Para que un proceso pueda emplear, en un nivel de acceso determinado, una de esas parcelas debe conocer laclave correspondiente.Esta protección se puede implantar en la memoria virtual y en la física.En el primer caso, es el sistema operativo quien comprueba la correspondencia de las claves, antes de ordenar elacceso de un proceso a una página lógica.En el segundo caso, se implanta una circuitería específica para soportar la protección.El mecanismo hardware que emplean algunas máquinas para la protección funciona de la siguiente manera:- Se divide la memoria física en bloques o parcelas de varios Kbytes, a los que se asigna una serie de bitsde cerrojo.- Cada proceso tieneentregarle el control.asignado un código, que el sistema operativo almacena en un registro antes de- En los accesos a memoria, se compara el código del proceso con el cerrojo del bloque direccionado.Si coinciden, se atiende la petición de acceso. En caso contrario, se rechaza el acceso y se emplea estaseñal de violación como excepción o trap, para bifurcar al sistema operativo.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 53 / 54 MSA

Sistemas de MultiprocesamientoMEMORIASInstrucción "TEST AND SET"Hay un tipo de situación frecuente que exige una protección especial.Se trata de las zonas de datos accesibles, a nivel de lectura y escritura simultáneas, por varios procesos.Normalmente, es necesario que cuando un proceso está haciendo una actualización de esos datos, otrosprogramas tengan prohibido el acceso a los mismos.Para ello se emplea un único bit de inhibición por zona de datos, bit que debe ser manejado mediante unainstrucción especial "TEST AND SET"; en el caso de estar el bit a cero, lo cambia a uno y el programa esautorizado a usar en exclusiva esa zona de datos.Si una interrupción u otra causa pasan el control a otro programa que desea acceder a la zona, al ejecutar lainstrucción TEST AND SET sobre el bit correspondiente, y estar a uno, se le niega el acceso a esos datos.Cuando el programa finaliza su operación sobre los referidos datos, pone a cero el bit de inhibición, con lo que lazona queda disponible para otros procesos.ETSII – Dpto. Tecnología Electrónica Página: 54 / 54 MSA