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Memorias
INTRODUCCION
Una parte importantísima en la mayoría de los sistemas digitales es la dedicada a
contener la información que está tratando dicho sistema.
Los datos e instrucciones del programa de un sistema microcomputador son
almacenados en la memoria. Cada "celda" de la memoria puede almacenar un bit,
estando las memorias constituidas por varios miles de estas celdas. El conjunto de
celdas en las que se almacena una palabra se llama "Posición de memoria"
Se han desarrollado numerosos sistemas capaces de almacenar o memorizar una
información digital. Todos ellos, persiguen como objetivo conseguir:
Alta velocidad
Bajo precio
Gran capacidad de almacenamiento
Bajo consumo
Cada uno de estos objetivos se conseguirá en mayor o menor medida dependiendo del
medio físico empleado, su organización, tecnología, etc.
Por ejemplo, desde la década de los años 1950, las memorias de núcleos de ferrita han
predominado como memorias principales en los ordenadores. Sin embargo gracias al
desarrollo tecnológico de los semiconductores en forma integrada y más concretamente
LSI, ha permitido a partir de 1975 se sustituyeran las memorias de ferritas por memorias
de tipo semiconductor, por sus ventajas tanto en rapidez como en precio y espacio.
Hoy en día las memorias de tipo semiconductor, constituyen el sector más expansivo
dentro de la tecnología de los semiconductores.
Antes de proceder al estudio de las memorias de tipo semiconductor, expondremos ls
características más importantes de las memorias y una clasificación general, que dará a
su vez paso a una segunda clasificación de las de tipo semiconductor en forma
integrada.
CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES DE LAS MEMORIAS
Al estudiar los flip-flops o biestables ya se definieron los términos de lectura y escritura
por tratarse de elementos de memoria.
Las características más importantes de las memorias son:
Tiempo de escritura
Es el tiempo que transcurre entre el momento en que se presenta la información a
almacenar en la memoria y el momento en que la información queda realmente
registrada.
Tiempo de lectura
Es el que transcurre entre la aplicación de la orden de lectura, y el momento en que la
información está disponible en la salida.
Tiempo de acceso
Es a menudo, la media de los dos tiempos de lectura y escritura definidos
anteriormente.
Es la medida del tiempo transcurrido desde que se solicita un dato a la unidad de
memoria hasta que esta lo entrega.
Tiempo de ciclo
Después de una operación de lectura o escritura, es posible que la memoria necesite un
tiempo de reinscripción (memorias de núcleos de ferrita, por ejemplo), o de
recuperación. El tiempo de ciclo es entonces la suma de este tiempo y del tiempo de
acceso.
También denominado ciclo de memoria, es el tiempo transcurrido desde que se solicita
un dato a la memoria hasta que ésta se halla en disposición de efectuar una nueva
operación de lectura o escritura.
Acceso aleatorio
Una memoria es de acceso aleatorio cuando el tiempo de acceso a cualquier posición de
memoria es siempre el mismo.
Cadencia de transferencia
Es la velocidad a la cual la memoria acepta informaciones de lectura o escritura (Bits
por segundo)
Capacidad
Es el número de palabras o de bits que la memoria puede almacenar. Se denomina
también volumen.
Densidad de información
Es el número de informaciones por unidad de volumen físico.
Volatilidad
Es el defecto de una memoria que pierde la información almacenada, si se produce un
corte de alimentación
MEMORIAS. CLASIFICACION GENERAL
Las memorias pueden clasificarse atendiendo a diversos parámetros:
Por el modo de acceso:
Acceso Aleatorio (RAM)
Acceso Secuencial
Asociativas
Por el modo de almacenamiento:
Volátiles
No volátiles
Por el tipo de soporte:
Semiconductoras
Magnéticas
De papel
Por su función o jerarquía
Tampón o borrador: (LIFO,FIFO)
Central o Principal
De masas
POR LA FORMA DE ACCESO
Memorias de Acceso Aleatorio. Denominadas usualmente RAM (Ramdon Access
Memory), son memorias en las que cualquier información puede leerse o escribirse con
el mismo tiempo de acceso, cualquiera que sea la célula de memoria elegida.
Memoria de acceso secuencial o serie.- Para la lectura o escritura de una determinada
célula, es preciso leer todas las células que le preceden físicamente
Memoria asociativa.- Es una memoria direccionable por su contenido, no por una
dirección.
POR EL MODO DE ALMACENAMIENTO
Memoria volátil.- Es aquel tipo de memoria que pierde la información en ella
almacenada, al cortar la alimentación.
Memoria no volátil.- Retienen la información en modo permanente aún después de
eliminar o cortar la alimentación
POR EL TIPO DE SOPORTE
Memorias semiconductoras.- Son aquellas que utilizan dispositivos semiconductores
para registrar la información
Memorias magnéticas.- El registro de la información se realiza por magnetización de un
soporte de este tipo.
Memorias de papel.- No son propiamente memorias. Sin embargo, el papel (cinta
perforada o tarjeta) permite almacenar una información en forma de marca o
perforaciones.
POR SU FUNCION O JERARQUIA
Memorias tampón.- Son generalmente de tipo semiconductor y se caracterizan porque la
información en ellas se almacena durante un corto periodo de tiempo. Puede decirse que
son memorias borrador, de paso o adaptadoras.
Son memorias de baja capacidad y acceso rápido, puesto que normalmente se refieren a
los registros generales incluidos dentro del propio sistema microcomputador. Su función
será, pues, actuar como memorias de trabajo auxiliares en las transferencias de
información entre el sistema y las unidades exteriores.
Las memorias LIFO y FIFO son memorias especiales del tipo tampón cuyo nombre
proviene de la forma de almacenar y extraer la información de su interior.
FIFO (First in-firts out), primero en entrar - primero en salir, es decir, es lo que se
llama una fila de espera
LIFO (Last in-first out), la última información introducida en la memoria es la primera
en extraerse, es lo que se llama una pila o apilamiento.
Memoria Central.- Es la que está incorporada en la Unidad Central de Proceso de un
ordenador. Su misión consiste en almacenar los programas y los datos implicados en la
ejecución de las sucesivas instrucciones.
Hasta hace algunos años, las memorias centrales estaban formadas a partir de núcleos de
ferrita o por hilos plateados. Actualmente, este tipo de memorias ha sido desplazado
definitivamente por las memorias integradas a semiconductores. Y la memoria central
del sistema está formada por la asociación de un número de chips de memoria RAM y
ROM a semiconductores, mayor o menor, según la capacidad de almacenamiento
requerida por el sistema.
Clasificación:
o
Según el modo de lectura
1. Lectura destructiva: al leer el contenido de una posición de memoria, la información
almacenada desaparece. Este tipo de memoria precisa de una regeneración del
contenido, después de efectuada una operación de lectura.
2. Lectura no destructiva: donde la operación de lectura no provoca la pérdida de la
información almacenada. Hay que hacer constar que la casi totalidad de las memorias
centrales modernas pertenecen a este grupo.
o
Según el modo de retener la información
1. Volátiles: para que el contenido permanezca memorizado, es necesario una fuente de
alimentación. Al desconectarla, se pierde la información almacenada. Las memorias
RAM pertenecen a esta categoría.
2. No volátiles: la información persiste aún desconectando la fuente de alimentación de
la unidad de memoria, esto es, el contenido es memorizado sin consumo energético. Las
memorias centrales ROM son ejemplo de lo dicho.
Memoria de masas.- Es la memoria auxiliar de tipo externo de un ordenador.
Son memorias de acceso aleatorio o directo y de elevada capacidad. No son
estrictamente imprescindibles dentro del sistema microcomputador, como ocurre en las
centrales. Se emplean como bloques de almacenamiento auxiliar, con una velocidad de
transferencia de información elevada. Habitualmente este tipo de memorias contiene el
archivo de información que manipula el sistema dentro del conjunto de aplicaciones al
que se halla orientado. Para que el microprocesador pueda procesar la información
almacenada en una memoria de tipo de masas, ésta debe pasar primeramente al interior
de la memoria central del sistema.
En virtud del tipo de transferencia empleado, por bloques, la característica básica de las
memorias de masa es el caudal de transferencia o número de palabras de información
que puede transferirse por unidad de tiempo. El caudal se expresa en Kbytes o Mbytes
por segundo.
Las memorias de masa que alcanzan mayor difusión en el campo de los
microordenadores son los discos magnéticos, más concretamente los discos magnéticos
flexibles o "Floppy disk".
Memorias de fichero
Al igual que las anteriores, este tipo de memorias son auxiliares de la memoria central
de microcomputador. La diferencia radica en que las memorias de fichero están
caracterizadas por una velocidad de transferencia sustancialmente inferior a las de
masa.
El acceso a la información almacenada se efectúa de forma secuencial. Por lo tanto, el
tiempo de acceso a determinada información depende de su emplazamiento sobre el
soporte físico. En definitiva, el acceso a las memorias de fichero no es aleatorio, de ahí
que su velocidad de transferencia sea variable y en general reducida.
Como contrapartida a su baja velocidad de trabajo, las memorias de fichero suelen ser
relativamente económicas (Cintas magnéticas o cassettes)
Por último, cabe precisar que dada su característica de acceso no aleatorio, la velocidad
de una memoria de fichero se define a partir del "Tiempo medio de acceso" respecto a
las posiciones extremas de almacenamiento.
MEMORIAS SEMICONDUCTORAS. CLASIFICACION
Existen una gran variedad de memorias de tipo semiconductor, tanto en tecnología
bipolar como MOS
Las clasificaremos atendiendo al modo de acceso como característica principal,
subdividiéndolas en la forma de almacenamiento y por último en la tecnología
empleada.
MEMORIAS SEMICONDUCTORAS DE ACCESO ALEATORIO (RAM)
Usualmente se reserva el término RAM para aquellas memorias que permiten leer y
escribir en ellas. Para aquellas que siendo del siendo del tipo RAM (Acceso aleatorio),
solo permiten la lectura se reserva el término ROM o RPROM etc. En consecuencia,
una "memoria RAM semiconductora", es una memoria de acceso aleatorio y que
permite leer o escribir indistintamente, una información sobre ella.
32-Word x 8-Bit Static RAM
ESQUEMA DE UNA MEMORIA RAM
Las entradas de control C y R/W permiten inhibir la memoria y leer o escribir (ReadWrite) respectivamente.
Fig. 1
Su funcionamiento es el siguiente:



Situar en los terminales de DIRECCION la combinación adecuada a la célula de
memoria a operar.
En el caso de lectura, poner el terminal R/W a "0", y por último permitir el
funcionamiento de la memoria, es decir, validar el proceso con C="1". En la
salida de datos obtendremos la información almacenada en la dirección de
memoria correspondiente.
En el caso de escritura, además de la dirección adecuada es preciso situar en los
terminales de "entrada de datos", el dato a almacenar o escribir. Ahora el
terminal R/W deberá ponerse a "1". Por último, validar la operación con C="1",
la información a la entrada de datos quedará registrada en la dirección de
memoria indicada.
Veamos un diagrama de los tiempos de las señales que intervienen en la operación
Ciclo de lectura
Ciclo de escritura
CS
AUTORIZACION DE FUNCIONAMIENTO
Una vez expuesto el principio de una memoria RAM en general, vamos a ver cómo
están realizadas las de tipo semiconductor.
Se pueden clasificar en dos grupos:
Las RAM estáticas están basadas en estructuras biestable con un tipo de transistor u
otro.
Las RAM dinámicas están formadas por células dinámicas, (registros de desplazamiento
dinámicos), las cuales están basadas en el aprovechamiento de las capacidades
estructurales de los transistores MOS, para almacenar una carga determinada.
Como sabemos, cada célula de memoria es capaz de almacenar 1 bit. Sin embargo, la
forma de trabajo habitual de los sistemas digitales, obliga a almacenar grandes
cantidades de información, bien en forma de bits aislados, o bien en forma de palabras.
Ello da lugar a dos tipos diferentes de organización de las memorias RAM
En la organización por palabras, al direccionar una posición de memoria, se tiene a la
salida una palabra que puede estar constituida por 6, 8, 12, 16, 32, 64 ó incluso más
bits.
Sin embargo, al direccionar una posición de memoria organizada en bits, sólo se obtiene
un bit de salida.
Para poder introducir datos en la memoria, y para poder sacarlos de ella, cada posición
de memoria viene dada por su correspondiente "dirección". La dirección es, pues, una
palabra binaria que define la posición. Es importante distinguir entre lo que es una
dirección de una posición de memoria, y el dato que puede ser almacenado en esa
dirección.
En general a nivel de pastillas de memoria en C.I. los fabricantes, ponen a disposición
del usuario organizaciones de un bit (por ejemplo: 256 X 1 bits, 4096 x 1 bits, etc.) que
asociadas en paralelo permiten obtener palabras de la longitud requerida.
Memoria RAM estática.Las memorias estáticas tiene células de memoria en forma de flip-flops o biestables. Por
tanto, como los flip-flops pueden ser unos más rápidos que otros, así ocurrirá con las
memorias. Si se desea una memoria rápida puede elegirse una RAM a base de flip-flops
en TTL Schottky o ECL. Si se desea una memoria barata aunque lenta, puede realizarse
a partir de flip-flops con MOS. Si el consumo ha de ser extremadamente bajo, deberá
elegirse una RAM CMOS.
RAM estática bipolar
Una célula de memoria en una memoria bipolar está constituida por un flip-flop sencillo
a base de transistores bipolares.
RAM ORGANIZADA EN PALABRAS (Ver Fig. 1)
L
i
n
e
a
s
A0
d
e
A1
P
a
l
a
b
r
a
ENTRADAS / SALIDAS
RAM ORGANIZADA EN BITS
Estos biestables constan de dos transistores multiemisores en acoplamiento cruzado
LINEA DE SELECCION DE PALABRA
En condiciones normales, un transistor se encontrará siempre saturado y el otro en
estado de bloqueo.
- Para leer el estado del biestable, se eleva la tensión de la línea de palabra y el transistor
saturado dejará pasar corriente a través de la línea de bit, lo que a su vez es detectado
para determinar el estado del biestable..
- Para escribir datos, la tensión de la línea de palabra se eleva nuevamente y la tensión
de una de las líneas de bit se baja, provocando que el transistor asociado a esta línea de
bit se sature.
En la matriz de memoria, todas las celdas de una columna comparten la misma línea de
bit, y todas las celdas en una fila tienen la misma línea de palabra.
En cuanto al biestable de una memoria MOS estática, su celda corresponde a la
estructura siguiente, formada utilizando transistores unipolares MOS de acumulación.
LINEA DE SELECCION DE PALABRA
Los transistores T1 y T2 trabajan en conmutación y son los encargados de almacenar el
bit de información. Por su parte T3 y T4 actúan como puerta de intercambio con el
exterior. Cada uno de ellos canaliza una información binaria (0 ó 1) desde la línea de bit
correspondiente hasta el transistor de almacenamiento
Cuando T3 y T4 se hallen en reposo, el biestable permanece aislado del exterior,
preservando la información memorizada.
La escritura de un bit "0" ó "1" se produce al excitar, a través de T3 o T4 , al par T1-T2;
uno de los dos transistores pasará a saturación, mientras que el otro evolucionará hacia
el estado de bloqueo (OFF) Dependiendo de la transición de estados del par T1-T2 , el
punto de memoria almacenará un estado lógico u otro.
Para leer la información almacenada, se introduce un impulso de tensión a través de la
línea de selección, lo que provocará una corriente a través de la rama T1-T3 o T2-T4,
según sea "0" o "1" el bit almacenado.
En definitiva, la lectura se efectúa detectando la presencia de corriente en una u otra
línea de bit.
Para terminar, diremos que el mayor inconveniente de las RAM estáticas lo constituyen
su elevado consumo energético, comparativamente con las dinámicas. Ello se debe,
como hemos visto, a que las resistencias R1 y R2 consumen permanentemente, al
mantener el estado lógico en el que se halla posicionado el biestable.
El hecho de que cada celda de memoria incorpore un notable número de componentes,
también limita las posibilidades de integración de este tipo de memorias.
Algunos ejemplos comerciales de RAM estáticas
Nos referiremos a continuación a modelos reales de memoria de lectura/escritura. Para
cada uno de estos integrados se dan sus características básicas más importantes, así
como su esquema de bloques y relación de patillas.
La primera característica de cada una de ellas es su organización de almacenamiento o
número de palabras de "n" bits que memoriza, extremo importante puesto que
especificando su capacidad podemos deducir el número de líneas de direcciones y datos
que acceden a la memoria en cuestión.
Por ejemplo, una memoria de 128 palabras de 8 bits cada una (128x8), estará dotada de
7 entradas de direccionamiento y poseerá 8 líneas de datos. Esto es lógico ya que para
seleccionar los 128 bytes son necesarias 128 configuraciones de direccionamiento, (
128=27 ), lo que significa que existirán 7 líneas de direcciones.
Al mismo tiempo, puesto que cada palabra es de 8 bits, se requerirán 8 líneas para
canalizar la entrada y salida de datos.
Así pues, observaremos los siguientes tipos de líneas:
A0-An: entradas de direccionamiento.
D0-Dn: entrada/salida de datos
R/W : contro lectura/escritura.
CS0-CSn: selección de chip
Las entradas CS pueden ser una o varias y a su vez pueden activarse por niveles "0" ó
"1" lógicos.
En el caso de existir varias CS, éstas suelen estar cableadas internamente en forma de
puerta "Y". En consecuencia, la selección de chip se conseguirá cuando todas las
entradas reciban simultáneamente sus posicionamientos activos.
RAM estática 6810
Está organizada en 128 palabras de 8 bits y se emplea mucho en los sistemas basados en
el microprocesador 6800 de Motorola, debido a la facilidad de adaptación. Dispone de 6
entradas CS: dos con activación alta y cuatro con nivel bajo.
Sus características más sobresalientes son:
Organización 128 X 8 bits
Tecnología NMOS
Alimentación 5 V
Disipación típica 130 mW
E/S datos Bidireccional y tri-estado
Encapsulado DIL 24 patillas
GND Vcc
D0 A0
D1 A1
D2 A2
D3 A3
D4 A4
D5 A5
D6 A6
D7 R/W
CS0 CS5
CS1 CS4
CS2 CS3
- RAM estática 2114
Tiene una estructura de 1024 palabras de 4 bits
Cada uno de los cuatro bits dato es bidirecional, con lógica tri-estado para permitir su
desconexión virtual del bus de datos.
Las líneas de control son dos:
CS y WE
Esta segunda línea es equivalente a R/W; si WE = 0 la operación efectuada será de
escritura; y si WE = 1 será de lectura.
Sus características más sobresalientes son:
Organización 1024 X 4 bits
Tecnología NMOS
Alimentación 5 V
Disipación típica 300 mW
E/S datos Bidireccional y tri-estado
Encapsulado DIL 18 patillas
Vemos que para direccionar 1024 posiciones necesitamos 10 patillas puesto que
210=1.024
Para los datos, como son palabras de 4 bits necesitaremos 4 patillas
Para indicar Lectura o Escritura (R/W) necesitamos 1 patilla
Para seleccionar el integrado CS (Chip Select) 1 patilla
Para alimentación 2 patillas
El número de patillas del integrado es pues de 18.
A6 Vcc
A5 A7
A4 A8
A3 A9
A0 I/O1
A1 I/O2
A2 I/O3
CS I/O4
GND WE