Conceptos Básicos de Memorias: Jerarquía, Clasificación y Direccionamiento

1. Jerarquía de Memorias

Las memorias se organizan jerárquicamente según su velocidad, costo y capacidad, desde las más rápidas y caras (menor capacidad) hasta las más lentas y económicas (mayor capacidad):

• Nivel 0 (Registros): Memoria de alta velocidad y poca capacidad, interna a la CPU.
• Nivel 1 (Caché): Memoria intermedia entre los registros y la memoria principal. Almacena datos e instrucciones de uso frecuente.
• Nivel 2 (Memoria Principal): Usualmente memoria RAM. Su tamaño es del orden de gigabytes.
• Nivel 3 (Almacenamiento Secundario): Disco duro utilizado como memoria virtual cuando se agota la RAM. Permite guardar información de manera permanente.
• Nivel 4 (Almacenamiento en Redes): Almacenamiento distribuido en servidores remotos.

2. Clasificación de Memorias

Las memorias se pueden clasificar según varios criterios:

• Naturaleza Física:
  • Semiconductor
  • Magnético
  • Óptico
• Duración de la Información:
  • Permanentes: Contienen siempre la misma información y no se pueden borrar.
  • Volátiles: Necesitan energía continua para mantener la información.
  • De Lectura Destructiva: Su lectura implica el borrado de la información.
  • Con Refresco: La información solo dura un cierto tiempo.
• Modo de Acceso:
  • Aleatorio: Se accede directamente a una posición de memoria.
  • Secuencial: Se llega a la posición deseada a través de una secuencia de posiciones.
• Posibilidad de Cambiar la Información:
  • Memoria de lectura y escritura.
  • Memorias de solo lectura.
• Capacidad: Cantidad de información que pueden almacenar.
• Tiempo de Acceso: Tiempo que transcurre desde que se envía una operación de acceso hasta que se dispone de la primera información buscada.
• Tasa de Transferencia: Capacidad de información que se puede transmitir por unidad de tiempo.

3. Direccionamiento de Memoria

La información en las memorias está dividida en unidades de información (palabras o bytes) y se accede a ellas a través de su dirección de memoria. La memoria se organiza como un conjunto de celdas que almacenan datos e instrucciones. Por ejemplo, una memoria de 8 bits con capacidad de 8 bytes necesitaría 3 bits para identificar cada una de las celdas.

Memoria Semiconductora: Organización, Buses, Tipos y Mapa de Memoria

1. Organización y Funcionamiento

La unidad mínima de almacenamiento en las memorias semiconductoras es el bit, soportado por una estructura básica llamada celda básica. Estas celdas se agrupan en bloques llamados palabras, a los que se accede de manera conjunta. El acceso a los datos se realiza a través de buses de direcciones, datos y control. La organización de las palabras puede ser:

• Longitudinal: Se indica la posición deseada a través de un decodificador.
• Matricial: Direccionamiento dentro de un plano de coordenadas mediante la indicación de la fila y la columna.

2. Buses

La CPU se conecta a los distintos dispositivos a través de buses de direcciones, datos y control. Los chips de memoria también utilizan estos buses.

3. Tipos y Tecnologías de Memoria

• Memoria No Volátil: No pierde la información al interrumpirse la alimentación. Se clasifican en:
  • Solo Lectura:
    • ROM: Programada en fábrica, no modificable.
    • PROM: Programable por el usuario una sola vez mediante una matriz de fusibles.
  • Lectura y Escritura:
    • EPROM: Reprogramable mediante borrado por radiación ultravioleta.
    • EEPROM: Reprogramable eléctricamente.
    • FLASH: EEPROM que permite escribir y borrar múltiples posiciones en una sola operación mediante impulsos eléctricos.
• Memoria Volátil: Pierde la información al interrumpirse la alimentación. Se usa como memoria principal. Se dividen en:
  • SRAM:
    • Emplea un biestable como celda de memoria.
    • La información permanece estable mientras está alimentada.
    • Mayor tamaño de celda, menor densidad de almacenamiento.
    • No necesita refresco, mayor velocidad de acceso.
    • Pueden ser asíncronas o síncronas (controladas por el reloj del sistema).
  • DRAM:
    • Emplea un transistor y un condensador como celda básica.
    • Necesita refrescarse periódicamente.
    • Menor tamaño de celda, mayor densidad de almacenamiento.
    • Circuitería más compleja, tiempos de acceso mayores.

Memoria Magnética y Óptica

1. Memoria Magnética

Se basa en la grabación magnética de la información en la superficie de un disco circular cubierto de una capa de óxido magnetizable.

• El disco puede ser de plástico flexible o rígido.
• La información se graba en circunferencias concéntricas llamadas pistas.
• El disco se divide en arcos de circunferencia iguales llamados sectores.
• La lectura y escritura se realiza con una cabeza en el extremo de un brazo mecánico móvil.

Tipos de Discos Magnéticos:

• Discos Flexibles:
  • Intercambiables, platos flexibles de plástico.
  • Velocidad de rotación: 300-600 rpm (giran solo al acceder).
  • La cabeza de lectura/escritura está en contacto con la superficie (solo durante la operación).
  • Sensibles a campos magnéticos.
  • Velocidad de acceso: ~250ms.
• Discos Duros:
  • Dos o más platos metálicos en una caja hermética.
  • Los cabezales no tocan el disco.
  • Giran continuamente.
  • Capacidad: GB a TB.
  • Tiempo de acceso: 3-13 ms.

Características de los Discos Magnéticos:

• Tipo de disco
• Capacidad: Contenido en octetos.
• Tamaño (diámetro del plato)
• Tiempo medio de acceso: Tiempo para acceder a un sector.
• Velocidad de transferencia: Bytes transferidos por unidad de tiempo.
• Velocidad de rotación
• Número de superficies
• Número de cabezas
• Número de pistas
• Densidad máxima: Densidad de grabación en las pistas.

2. Memoria Óptica

Sistema de almacenamiento masivo basado en la técnica láser. Tiene una capa interna protegida donde se guardan los bits.

Características Generales:

• Mayor capacidad y menor costo que los discos magnéticos.
• Vida útil de unos 30 años.
• Más seguros.
• La cabeza no toca el disco.

Tipos:

• CD-ROM y DVD-ROM: Grabados por el fabricante, solo lectura.
• CD-R y DVD-R: Grabables una vez por el usuario (lectura/escritura).
• CD-RW y DVD-RW: Grabables múltiples veces.
• Formatos de CD.
• Formatos de DVD (+, – y Blu-ray Disc).

Conceptos Adicionales y Componentes de Circuitos Digitales

Parámetros de Tiempos en Memorias DRAM:

• tRC (Tiempo de Ciclo Aleatorio): Tiempo mínimo entre dos lecturas sucesivas.
• tRAC (Tiempo de Acceso desde RAS): Desde la activación de RAS hasta que el dato está en las salidas.
• tCAC (Tiempo de Acceso desde CAS): Desde la activación de CAS hasta que el dato está en las salidas.
• tASR (Tiempo de Set-up de Fila): Tiempo desde que la dirección de fila está en los terminales hasta que se activa RAS.
• tASC (Tiempo de Set-up de Columna): Tiempo desde que la dirección de columna está en los terminales hasta que se activa CAS.
• tRP (Tiempo de Precarga): Tiempo desde que se desactiva RAS hasta que se puede activar de nuevo.
• TRC (Tiempo de Ciclo): Duración de una transacción (incluye TRP).
• TRCD (Intervalo entre RAS y CAS): Intervalo mínimo entre las señales RAS y CAS.
• TRAD (Intervalo entre RAS y el depósito de la columna): Intervalo entre la activación de RAS y la colocación de la dirección de columna.
• TCRP (Intervalo entre CAS y RAS): Intervalo entre la desactivación de CAS y una nueva activación de RAS.
• TRAS (Duración Mínima de RAS).
• TCAS (Duración Mínima de CAS).

Componentes de Circuitos:

• Codificador: Circuito combinacional con ‘n’ entradas y ‘m’ salidas. Genera un patrón de salida específico cuando se activa una entrada. Pueden ser con o sin prioridad.
• La unión de un multiplexor con un demultiplexor permite establecer uniones punto a punto con una sola línea en común.
• Multiplexor: Circuito combinacional con ‘n’ entradas, 1 salida y líneas de control para seleccionar la entrada que se muestra en la salida.
• Demultiplexor: Tiene 1 entrada, ‘n’ salidas y líneas de control para especificar la salida por la que se transmite la entrada.
• Modelo de Huffman: Describe sistemas secuenciales. Incluye variables de entrada (e), salida (s) y variables retardadas y realimentadas (rk) que le dan el carácter secuencial.