Memoria “cache”.

TEMA 3- MEMORIA PRINCIPAL.

Características.

Organización interna.

Memoria “cache”.

3.1. CARACTERÍSTICAS Y TIPOS

En la ejecución de un programa es preciso almacenar instrucciones y datos. Surge la necesidad de disponer de componentes electrónicos capaces de almacenar información, en los ordenadores, esta información se almacena de forma binaria, unos o ceros. Esto se realiza con un componente electrónico denominado transistor, formado por un material de tipo semiconductor que hace pasar corriente eléctrica de un voltaje mínimo determinado.

Las características de la memoria principal son:

- Memoria de tipo electrónico: La memoria principal es de tipo electrónico, formada por circuitos eléctricos denominados biestables, cuya principal característica es que pueden estar en dos estados eléctricos distintos. Esta capacidad es la que se utiliza para almacenar la información, asociando cada estado eléctrico a un estado lógico (cero lógico o uno lógico).

- Capacidad: Es la cantidad de información que puede almacenar, medida en unidades de bits, octetos (Bytes) o palabras (una palabra la forman dos bytes), junto con los prefijos K (Kbyte, 1024 bytes), M (Mbyte, 1024 Kbytes), G (Gbytes, 1024 Mbytes), o T (TBytes, 1024 Gbytes).

-Expansión: La máxima capacidad de memoria determina el potencial de la unidad para su futuro crecimiento, solo por la cantidad de programas en memoria. Esta máxima capacidad instalable representa el rango de memoria que puede soportar.

- Acceso aleatorio: La memoria principal se divide en celdas que almacenan bits, pero no se puede acceder a una celda de manera individual, sino a conjuntos de celdas, denominadas octetos o palabras, según tengan 8 o 16 bits respectivamente (es frecuenta llamar también palabra a los octetos). Cada una de estas palabras dispone de una dirección única en memoria mediante la que se puede acceder al contenido de la palabra de forma directa. A esta forma de acceso directo se le llama acceso aleatorio.

- Tiempo de acceso: Tiempo transcurrido desde que se solicita una lectura hasta que el dato está disponible en un registro fuera de la memoria principal.

- Ciclo de memoria: Tiempo requerido en la ejecución de una operación de memoria y la solicitud inmediata a la memoria de otra operación idéntica.

Una memoria debe ser muy rápida y muy grande, en el límite asintótico, lo que se desearía en una memoria es que fuese instantánea e ilimitada. Obviamente esto no es posible, de hecho, siempre habrá un compromiso entre el tamaño y la rapidez de acceso, pues cuanto mayor sea la memoria, más se tardará en buscar una palabra.

Ya hemos visto que la memoria es un dispositivo en el que almacenamos datos que pueden ser modificados, es decir, los datos son variables en el tiempo. Al ser una memoria variable es necesario que para mantener los estados que representan datos en un tiempo determinado sea preciso suministrar constantemente corriente eléctrica a estos circuitos, lo cual quiere decir que cuando se apaga el ordenador se pierden los datos almacenados en la memoria. Se dice por esto que la memoria principal es volátil, y normalmente a este tipo de memoria principal se la denomina Memoria RAM (Random Access Memory -Memoria de Acceso Aleatorio-)

Sin embargo, existe la necesidad de disponer de una memoria eléctrica, para que así pueda ser de acceso rápido, pero que no sea volátil ni variable en el tiempo. Esto es necesario para que al arrancar el ordenador, la CPU disponga de unas instrucciones iniciales, que no se borren cada vez que se apaga el ordenador, con las que poder iniciar todo el sistema. A esta memoria se la denomina memoria ROM (Read Only Memory -Memoria de Solo Lectura-) ya que la información que contiene puede ser leída pero no modificada.

En la memoria ROM se encuentra toda la información que el sistema necesita para poder funcionar correctamente ya que los fabricantes guardan allí las instrucciones de arranque y el funcionamiento coordinado del ordenador. Al encender nuestro ordenador automáticamente comienza a funcionar la memoria ROM. Por supuesto, aunque se apague, esta memoria no se borra. Aunque no es volátil, se puede deteriorar a causa de campos magnéticos potentes. Por supuesto, salvo en su no-volatilidad, la memoria ROM conserva, como memoria electrónica que es, las características de rapidez y acceso aleatorio propios de la memoria principal o RAM, aunque en su siglas no incluya el termino Random (aleatorio).

Un tipo especial de memoria es la denominada BIOS (Basic Input Output System). Es una memoria ROM, pero con la facultad de configurarse según las características particulares de cada máquina. Esta configuración se guarda en una zona de memoria RAM que posee la BIOS y se mantiene sin borrar cuando se apaga el ordenador gracias a una pila que hay en la placa principal. Conviene tener cuidado que esta pila no llegue a agotarse, pues se borraría la configuración provocando que la máquina no arrancase.

Así pues, desde el punto de vista de la volatilidad de la memoria electrónica, tenemos:

-Memoria Principal o RAM.

-Memoria ROM.

-Memoria BIOS.

Dentro de las memorias RAM, según la tecnología que se use podemos distinguir entre:

- SRAM (Static Random Access Memory). Al ser estática, no hay que refrescarla periódicamente para que mantenga la información, con lo cual la CPU no pierde ciclos refrescándola. Esto mismo hace que sea muy rápida pero también muy cara y por ello sólo se usa en los procesadores y en pequeñas cantidades.

-DRAM (Dynamic Random Access Memory): Memoria de acceso dinámico aleatorio. Con el término "Dinámico" se indica que para que el chip de memoria pueda guardar información, cada bit debe ser "refrescado" en un cierto período de tiempo, es decir se debe rescribir el bit constantemente para que no se pierda. Si se desconecta la energía de la memoria DRAM, la información se pierde.

Los bits de una DRAM están ordenados en celdas y cada celda contiene un cierto número de bits. Po ejemplo, una memoria de 4MB x 4 Bit DRAM, tiene cuatro bits por celda. Las celdas de una DRAM están organizadas como una planilla de cálculo, en la que cada celda se accede especificando la dirección de la columna y la fila. Un acceso típico a memoria comienza con la dirección de la fila y luego la dirección de la columna. Luego contiene una señal "activa" o "no activa" indica si es una lectura o una escritura. Luego la DRAM ubica la información en un registro de salida si es una lectura, o, lee el dato nuevo desde un registro de entrada si el acceso es para escritura

- SDRAM (Syncronous DRAM): Es muy diferente de la DRAM, pues ésta transmite información a través de la activación de señales mientras que SDRAM recibe y emite información sincronizada a un reloj externo.

El uso de un reloj permite que las SDRAM sean extremadamente más rápidas para leer y escribir.

También se pueden distinguir diversos tipos de memoria ROM:

- PROM (Programable ROM): Una vez grabadas no se pueden borrar.

- EPROM (Erasable PROM): Se pueden borrar con rayos ultravioletas y volver a grabar.

□ EEPROM (Electricaly EPROM): Son EPROM que se borran eléctricamente.

3.2. JERARQUÍAS DE MEMORIA

La forma más efectiva de conseguir un alto compromiso entre tamaño y rapidez de memoria RAM es dividir esta en varias partes jerarquizadas. La idea es, aparte de los propios registros de la CPU, que son la memoria más rápida y accesible a la CPU (están dentro de ella), tener una memoria pequeña pero que muy rápida, aunque no tan rápida como los registros, pero de mayor tamaño. Esta memoria se denomina memoria caché.

Por otra parte, a un nivel más alejado de la CPU, se dispondría de la memoria principal como tal, de mucho mayor tamaño que la memoria caché pero mas lenta que ésta. Así pues, según una jerarquía en donde prime la proximidad a la CPU, podemos distinguir los siguientes tipos de memoria.

- Registros: Es la memoria local e interna de la propia CPU. Es la memoria más rápida pero hay un número muy limitado de ellos. Se comunica con la memoria caché mediante palabras.

- Memoria Caché: Memoria intermedia entre la CPU y la Memoria Principal. Más rápida que ésta pero más pequeña, destinada a contener los datos que más usa, y que más probablemente usará, la CPU. Es frecuente usar memorias caché de 16Kb, 64Kb, 128Kb y 512Kb en los procesadores normales y hasta 2Mb en grandes ordenadores que funcionan como servidores. Por otra parte, como se quiere que la caché sea rápida pero de poco tamaño, suele usarse memoria SRAM para su construcción.

- Memoria Principal: Esta memoria es conocida usualmente con el nombre de memoria RAM, aunque realmente es una parte de ella. Es la memoria más grande y más lenta. Se comunica con la memoria caché por bloques. También se comunica con dispositivos de memoria secundaria, como el disco duro.

Lo habitual para implementar esta memoria es usar DRAM o SDRAM, por sus mejores prestaciones.

La otra gran idea para conseguir un gran rendimiento en la memoria es establecer una política tal que siempre se tienda a tener el la memoria caché los datos que más estén siendo usados por el procesador, o los que se piense

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