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Dispositivos de Memoria
Sistemas Digitales
Dr. Andrés David García García
Departamento de Mecatrónica
1
Dispositivos de Memoria
Terminología
2
 Memoria: Elemento o dispositivo que tiene como
objetivo almacenar, guardar o retener de forma
permanente y/o temporal una cantidad de
información.
 Retener el nivel lógico que corresponda al bit que se desea
almacenar.
 Almacenar palabras de varios bits dentro de una localidad de
la memoria específica.
Terminología
3
 Célula de memoria: Se le llama célula de memoria al circuito
más pequeño que es capaz de almacenar la información de un bit.
 El dispositivo más simple, el Flip-Flop D :
Terminología
4
 Palabra de memoria: Es un
grupo de bits (ó células de
memoria) que representan un
dato o una instrucción.
 El ancho de la palabra puede ser de
uno hasta N bits.
 Ejemplos:
 El primer micro-procesador tenía un ancho
de palabra de 4 bits (4004).
 El primer procesador comercial con un bus
de datos de 8 bits fue el 8086
001101001
11001001
00110
1
101011001
0011010011
0101101
10
Nibble
Byte
Terminología
5
 Byte: La mayoría de las memorias comerciales usan palabras de 8
bits, a esta palabra se le llama Byte (esto debido a la popularidad de
los micro-procesadores de 8 bits como el 8086-8088).
 Nibble: Se denomina así a la mitad de un Byte, es decir, a una palabra
de 4 bits (herencia de los procesadores de 4 bits como el 4004).
01101001
11001001
10100110
10000111
10101100
00110011
01011010
00110011
0011
0011
Byte
nibble+
nibble -
Palabras
de 8 bits
Terminología
6
 Capacidad de memoria: Se llama así a la cantidad de
información que se puede almacenar en una memoria. La
notación más común para la capacidad de memoria es : M
palabras de N bits.
 Ejemplo : Una memoria de 16 x 8 es capaz de almacenar 16 palabras de 8
bits, es decir 128 bits ó 16 Bytes.
01101001
11001001
10100110
10000111
10101100
00110011
01011010
Memoria de M
palabras de 8 bits
Terminología
7
 Densidad: Otra forma de definir la capacidad de una
memoria es la densidad. Una memoria tiene mas
densidad que otras si puede almacenar más bits
 Mapa de memoria: Se llama así a la distribución de
una memoria. Un bloque de memoria se puede dividir
en diferentes secciones para ser usadas de forma
diferente.
 Direcciones de memoria: Es un número que identifica
la localización de una palabra dentro de la memoria.
Cada palabra almacenada en una memoria tiene una
dirección única ligada a ella.
Terminología
8
 Lectura: Se llama así a la operación que permite
recuperar los datos almacenados en una o varias
direcciones de memoria. También se le llama “fetch”.
 Escritura: Es la operación que permite almacenar una
serie de palabras dentro de la memoria, estos pueden
ser datos o instrucciones. También se le llama
“programar” la memoria.
 Tiempo de acceso: Medida de velocidad de respuesta
de la memoria. Es el tiempo que transcurre entre que
la memoria recibe una dirección y en que el dato sea
válido en la salida.
Capacidad de Retención
9
 Memoria volátil: Memoria que requiere la
aplicación de una corriente eléctrica para
almacenar o grabar la información y además para
mantener esos datos válidos dentro de las células
de memoria.
 Memoria no volátil: Memoria que no necesita de
una corriente eléctrica para mantener válidos los
datos dentro de las células de memoria.
Modo de Acceso
10
 RAM (Random-Access Memory) : Memoria de acceso
aleatorio. Dispositivo en el cual la localidad actual de
memoria no tiene efecto sobre el tiempo que toma la
lectura o escritura.
 SAM (Sequential-Access Memory): Memoria de
acceso secuencial. Dispositivo de memoria en el cual el
tiempo de acceso depende de la localidad de memoria.
 DAM (Direct Access Memory): Memoria de acceso
directo o semi-aleatorio, es un tipo de memoria que
combina el acceso RAM y SAM.
Modos de Lectura y Escritura
11
 RWM (Read-Write Memory): Memoria que puede
ser leída y grabada con igual facilidad. Los tiempos de
acceso para lectura y escritura son los mismos.
 ROM (Read-Only Memory): Memoria de sólo
lectura. Este dispositivo es programado una sola vez
y sólo se tiene acceso a él en modo de lectura.
Memoria Volátil
12
 Memoria estática: Dispositivo en el cual los datos
seguirán válidos mientras se aplique una tensión de
alimentación.
 Memoria dinámica: Dispositivo en el cual los datos
no permanecen siempre válidos aún cuando se
aplique de forma constante la alimentación. Los
datos deben ser re-escritos periódicamente en cada
célula de memoria.
Clasificación
13
Memorias
Volatil
No Volatil
Aleatorio
Secuencial
Directo
Tecnologías
Semiconductor Burbuja
Magnética
}Acceso
{
Reten-
ción
Ópticas
Funcionamiento de una memoria de acceso
aleatorio (RAM)
14
• Cada localidad tiene una dirección física señalada por el
bus de Direcciones.
• La señal de control R/W indica el tipo de función a
realizar.
Funcionamiento de una memoria de acceso
aleatorio (RAM)
15
 Bus de datos: Designado como D0 á Dn, donde n+1 es el
número de bits de la palabra de memoria.
 Bus de direcciones: Designado como A0 á Am, donde m es
el número máximo de bits de direcciones de una memoria
de 2m+1 palabras. A0 (al igual que D0) es el bit menos
significativo.
 Señales de control: Estas señales especifican cuando una
dirección es válida, cuando un dato es válido y el tipo de
operación que se va a efectuar (lectura o escritura).
 Señal de Read/Write
 Señal de Output Enable (Output Control)
 Señal de Chip Sellect (Chip Enable)
Funcionamiento de una memoria de acceso
aleatorio (RAM)
16
A. Seleccionar la dirección de memoria a la cual se va
a acceder.
B. Seleccionar la función de lectura o escritura.
C. Proporcionar la palabra a almacenar durante un
lapso mínimo de tiempo.
D. Mantener la información recuperada de la memoria
durante un lapso mínimo de tiempo.
E. Habilitar o deshabilitar la memoria para determinar
cuando es válida una dirección y/o un dato.
Funcionamiento Memoria RAM
17
Ciclo de Escritura Ciclo de Escritura
Tiempo de acceso
Memoria Semiconductor ROM (acceso
RAM)
18
 Líneas de entrada y salida :
ROM
16 x 4
A0
A1
A2
A3
CS
D0
D1
D2
D3
Memoria Semiconductor ROM
19
 Líneas de entrada y salida (otra notación):
ROM
16 x 4
A3-A0
CS
D3-D0
4 4
Memoria Semiconductor ROM
20
 Diagrama de estados :
CS
A3-A0
D3-D0
Address
Data
tacceso
Memoria Semiconductor RAM (Volátil)
21
 Líneas de entrada y salida
RAM
16 x 4
A3-A0
CS
D3-D0
OE
R/W
4
4
Memoria Semiconductor RAM
22
 Diagrama de estados ciclo de escritura:
CS
A3-A0
D3-D0
Address
Data
tacceso
R/W
OE
Memoria Semiconductor RAM
23
 Diagrama de estados ciclo de lectura:
CS
A3-A0
D3-D0
Address
Data
tacceso
R/W
OE
Estructura Interna de una memoria
semiconductor
24
 Modelo “bit slice”  2n-1 direcciones, 1 dato
RAM cell
RAM cell
RAM cell
2n-1
Din
/w-r
CS
FF
D_out
Word select 0
Word select 1
Write
logic
Read
logic
Ejemplo: RAM 16x1
25
RAM
16x1
A3
A0
A2
A1
Din
R/W
CS
D_out
A3
A1
A2
A0
Decod
4-16
RAM
cell
RAM
cell
RAM
cell
Din
R/W
CS
D_out
Word select
0
1
15
Selección Coincidente
26
 Motivación:
– Decodificador: k entradas  2k AND gates de k entradas
cada una.
– Implementación directa muy costosa si el número de
direcciones es muy grande (hardware y tiempo de
acceso).
 Solución: Selección coincidente
– Reducción en complejidad del decodificador, en número
de entradas a cada compuerta y en tiempo de acceso
(lectura y escritura)
Selección Coincidente: Principio
27
 Dos decodificadores de k/2 entradas
 Decodificador 1 controla las líneas “word select”
 Decodificador 2 controla las líneas “chip select”
 esquema de selección bidimensional
• Decodificador 1: “Selector de línea”
• Decodificador 2: “Selector de columna”
• Selección de la célula que resulta de la
intersección de la línea “word select” con la
columna “chip select”
Selección coincidente: RAM 16x1
28
Deco de columna 2-4
RAM
Cell 0
RAM
Cell 4
RAM
Cell 8
RAM
Cell 12
RAM
Cell 1
RAM
Cell 5
RAM
Cell 9
RAM
Cell 13
RAM
Cell 2
RAM
Cell 6
RAM
Cell 10
RAM
Cell 14
RAM
Cell 3
RAM
Cell 7
RAM
Cell 11
RAM
Cell 15
Deco
de
línea
2-4
A2
A3
Din
R / W
CS CS CS CS
Dout Dout Dout
0 1 2 3
0
1
2
3
A1
A0
CS
Dout
Selección Coincidente: Funcionamiento
29
 Si CS = ‘0’, ninguna columna es
seleccionada
 Ejemplo:
– Acceso a la celda 1001
 Los dos MSBs (10) seleccionan la línea 2
 Los dos LSBs (01) seleccionan la columna 1
 Celda accesada: 9
 Lectura y escritura de forma normal
Selección Coincidente: RAM 8x2
30
Deco de columna 1-2
RAM
Cell 0
RAM
Cell 4
RAM
Cell 8
RAM
Cell 12
RAM
Cell 1
RAM
Cell 5
RAM
Cell 9
RAM
Cell 13
RAM
Cell 2
RAM
Cell 6
RAM
Cell 10
RAM
Cell 14
RAM
Cell 3
RAM
Cell 7
RAM
Cell 11
RAM
Cell 15
Deco
de
línea
2-4
A1
A2
Din0
R / W
CS CS CS CS
Dout Dout Dout
0 1
0
1
2
3
A0
CS
Dout
Din1
Selección Coincidente: RAM 8x2
31
 3 bits de direcciones (2 seleccionan línea y 1
selecciona columna –dos columnas-)
 Dos bits de datos que se almacenan o leen gracias al
bit de selección de columna
 Ejemplo:
 Direccion 011
 2 MSBs seleccionan línea 1
 1 LSB selecciona columna 2 (dos últimas columnas)
 Celdas accesadas: 6 y 7
Selección Coincidente: Ventajas
32
 Ejemplo:
– RAM 32K x 8  256K bits
 Sin selección coincidente
– Decodificador 15 entradas 215 = 32768 salidas
– ¡ 32768 AND gates de 15 entradas cada una !
 Con selección coincidente
– 256K = 5122 = 29  9 bits seleccionan línea y 6 bits seleccionan
columna
– Decodificador de línea 9 – 512 ( 512 AND gates )
– Decodificador de columna 6 - 64 ( 64 AND gates )
– Total: 576 AND gates
! Reducción material en un factor 57 ¡
Arquitectura de una ROM
33
Decodi-
ficador
1 a 4
(LSb)
Registro 0 Registro 4 Registro 8 Registro 12
Registro 1 Registro 5 Registro 9 Registro 13
Registro 2 Registro 6 Registro 10 Registro 14
Registro 3 Registro 7 Registro 11 Registro 15
Decodi-
ficador
1 a 4
(MSb)
A2
A3
A0
A1
Buffer
de
salida
Dn-D0
/CS
Expansión de Memoria
34
 Memoria comerciales
– SRAM, DRAM
– PROM, EPROM, EEPROM
 Memorias disponibles en diferentes tamaños
 Sin embargo, hay aplicaciones cuya unidad de
memoria requiere una capacidad mayor que la
capacidad de memorias comerciales
 Solución: combinación de CIs para formar el
tamaño requerido  expansión de memoria
Expansión de Memoria
35
 Dos parámetros:
– Número de palabras (capacidad)
– Número de bits por palabra (datos)
 Tres tipos de expansión
– Capacidad (número de palabras)
– Palabras (número de bits por palabra)
– Capacidad y palabras (número de palabras y
número de bits por palabra)
Expansión de capacidad:
36
 Construir un bloque de memoria 256K x 8 a partir de
memorias 64K x 8:
 Número de memorias 64K x 8 requeridas
256K / 64K = 4
 Bits de direcciones: log2 256K = 18 bits
– 16 LSB entran al bus de direcciones de todas las memorias
– 2 MSB entran a un decodificador 2-4 y las salidas van a la
entrada CS de las memorias
 El número de bits de datos no cambia  el bus de
datos de entrada y salida es común a todas las
memorias
Expansión de capacidad:
37
Deco
2-4
R / W
Memory enable
A17
A16
A0-15 D0-7
D0-7
RAM
64 x 8
RAM
64 x 8
RAM
64 x 8
RAM
64 x 8
CS
CS
CS
Expansión de palabra:
38
 Construir un bloque de memoria 64K x 32 a partir de
memorias 64K x 8
 Número de memorias 64K x 8 requeridas
32 / 8 = 4
 Bits de direcciones: log2 64K = 16 bits
– Los 16 bits entran al bus de direcciones de todas las
memorias
 El número de bits de datos cambia  el bus de datos
de entrada y salida se dividirá en el número de
columnas (4) del arreglo de memorias
Expansión de palabra:
39
A0-15
D0-7
RAM
64 x 8
RAM
64 x 8
RAM
64 x 8
RAM
64 x 8
D8-15 D16-23 D24-32
CE
R / W
D0-7 D8-15 D16-23 D24-32
Expansión de palabra y de capacidad
40
 Construir un bloque de memoria 256K x 32 a partir de
memorias 64K x 8
 Número de memorias 64K x 8 requeridas
256K / 64K = 4 ; 32 / 8 = 4 : Total 16 memorias
 Bits de direcciones: log2 256K = 18 bits
– 16 LSB entran al bus de direcciones de todas las memorias
– 2 MSB entran a un decodificador 2-4 y las salidas van a la
entrada CS de las memorias
 El número de bits de datos  el bus de datos de
entrada y salida se dividirá en 4 columnas
Expansión de palabra y de capacidad
41
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
RAM
64x8
Deco
2 a 4
A16
A17
A0-A15
Datos
Fabricación de Memorias
Semiconductor
42
 Construidas a partir de uno o varios transistores
acompañados de elementos pasivos (R, C).
 Según el tipo de arreglo, pueden ser:
 PROM (EPROM, EEPROM)
 SRAM
 DRAM
 Anti Fusible
 Flash
Memorias Semiconductor
43
 Los transistores que mas se usan en la construcción
de memorias son BJT y MOS:
Colector Colector
Base Base
Emisor Emisor
Tipo
N
Tipo
P
n
p
n
p
p
n
Memorias Semiconductor
44
C
B
E
Vb = Vc
C
B
E
Tipo
N
Vb = 0
C
B
E
C
B
Tipo
P
E
Vb = 0 Vb = Vc
Saturación
Corte
•Tipo N:
•Corte: Vb = ‘0’
•Saturación: Vb = Vc
•Tipo P:
•Corte: Vb = Vc
•Saturación: Vb = ‘0’
Memorias Semiconductor
45
 El circuito de base para la construcción de una
célula de memoria es el inversor:
VDD
Vout
Vin
Vin 0 1
Vout 1 0
Resistencia de
Pull-Up
Memorias Semiconductor
46
 Otra forma de construir un inversor es mediante el
uso de lógica complementaria:
Vin 0 1
Vout 1 0
VDD
Vout
Vin
Memorias Magnéticas
47
 Las memorias magnéticas basan
su funcionamiento en las
propiedades de los materiales
ferro-magnéticos como el acero,
el cobalto y el níquel.
 Para ello utilizan un circuito
como el que se muestra en la
figura, el cual puede generar un
campo magnético a partir de una
corriente eléctrica.
~ V(t)
Entrehierro
campo
magnético
i(t)
Memorias Magnéticas
48
 La cabeza de grabación se compone de un electro-imán de
nucleo de alta permeabilidad.
Superficie Magnética (oxido ferroso)
15 ´´ por segundo
1 Hz
15 pulgadas
Memorias Magnéticas
49
 Escritura : Se alimenta el embobinado del electro-imán con
una corriente que provoca un campo magnético en el
entrehierro que magnetiza la cinta.
 Lectura : La cinta en movimiento induce una señal débil en
la bobina que es traducida en una señal de corriente.
 El embobinado está formado de varias espiras de hilo fino,
el núcleo está formado de ferrita. La cabeza completa mide
entre 1/8 y 1/16 de pulgada.
Memorias Magnéticas
50
 Disco Flexible: dispositivo en forma de oblea redonda con
un recubrimiento de óxido metálico, el tamaño del disco
estándar es:
 10’’ (hace 25 años)
 5’’1/4 (hace 15 años)
 3’’1/2 (hace 5 años)
 El disco magnético viene recubierto por una protección de
plástico que lo aísla del intemperie.
 Este dispositivo es sensible a campos electromagnéticos
intensos.
Memorias Magnéticas
51
 El dispositivo cuenta con motores a pasos, servo
motores y sensores ópticos.
Sensor
Emisor
Servo Motor
cabeza
magnética
Memorias Magnéticas
52
 El disco flexible se organiza en pistas y sectores:
Pistas
Sectores
Doble Densidad:
•750 KB
•80 pistas por cara
•9 sectores por pista
Alta Densidad:
•1.4 MB
•80 pistas por cara
•18 sectores por pista
Memorias Magnéticas
53
 La intersección entre una pista y un sector es una
región que se organiza de la siguiente forma:
 A: Marca de Sincronización
 B: Cabecera de campo de datos
 C: Hueco previo de separación
 D: Datos (512 Bytes)
 E: Código detector de errores
 F: Separación entre sectores
A B C D E F
Memorias Magnéticas
54
 Disco Duro: Este dispositivo está formado por una
serie de obleas recubiertas por óxido férrico
apiladas una sobre de otra.
 Entre cada una de ellas existe un espacio que
permite el desplazamiento de las cabezas
magnéticas.
 Estos dispositivos permiten capacidades del orden
de los GB.
 El tamaño de las obleas es de 3’’1/2 y de 5’’1/4.
Memorias Magnéticas
55
 El disco duro se forma de
varios discos similares a los
discos flexibles.
 Las caras expuestas al chasis
no se utilizan.
 Estos discos se organizan en:
Cilindros y Pistas.
 Los discos que forman este
dispositivo pueden tener 300
pistas.
Servo
Memorias Magnéticas
56
 La intersección entre un cilindro y una pista es una
región que se organiza de la siguiente forma:
 A: Número de cilindro
 B: Número de pista
 C: Número de registro
 D: Datos
 E: Código detector de errores
A B C D E
Memorias Magnéticas
57
 Cinta magnética:
0 1 2 3 4 5 6 7 P
Datos
Paridad
Inicio
de
Datos
Datos
barra
de
registros
barra
de
registros
Datos
código
corrector
Final
de
datos
Fin
Inicio
Memorias Ópticas
58
 Existen tres dispositivos de memoria ópticos en el
mercado:
 CD-ROM : Compact Disc Read Only Memory.
 Tipo de memoria óptico no volátil y de acceso directo.
 Dos formatos : CD-R, y CD-RW.
 Originalmente usado como un sistema de respaldo de información.
 DVD : DigitalVersatile Disc.
 Destinado a la reproducción de secuencias de video de alta definición.
 También se utiliza como dispositivo de memoria de datos.
 Blu-Ray.
 Destinado a la reproducción de secuencia video y videojuegos de
alta definición.
Memorias Ópticas
59
 Estructura del lector:
Diodo Laser
(emisor óptico)
Lente
Transconductor
(receptor óptico)
Señal
eléctrica
Disco Compacto
Espejos
Servo-motor
Memorias Ópticas
60
 Operación :
 El diodo laser emite un haz de baja energía hacia un espejo
altamente reflejante que lo hace impactar en la cara
posterior del disco.
 Un servo motor sitúa el haz en la zona (track) a leer.
 Cuando el haz golpea la superficie es refractado y dirigido
hacia un sistema de lentes.
 El haz refractado es convertido en una señal eléctrica por
medio de un transconductor.
Memorias Ópticas
61
 CD-ROM:
 El plato se fabrica a partir de cristal de aluminio o de silicio.
 En su estado puro (sin grabar) el disco se ve del color del aluminio.
 Al grabarse (estado amorfo) la capa de aluminio se desgasta para
guardar la información digital en forma de canales.
Memorias Ópticas
62
 Corte transversal del disco:
Revestimiento reflector de aluminio
Revestimiento protector
Haz laser
Lente
Memorias Ópticas
63
 Estructura del disco:
No existen varias pistas.
 Sólo una pista en forma de
espiral.
 Los pozos de información
se escriben
consecutivamente del
centro hacia el exterior
Capacidad : 682 MB
74 minutos de audio HiFi
Memorias Ópticas
64
 Formato de datos 1 : cada 2,352 Bytes
 Sincronía : 12 Bytes
 Encabezado : 8 Bytes
 Datos : 2,048 Bytes
 Código corrector de errores (ECC) : 284 Bytes.
Sincronía Encabezado Datos ECC
Memorias Ópticas
65
 Formato de datos 2 : cada 2,352 Bytes
 Sincronía : 12 Bytes
 Encabezado : 8 Bytes
 Sub-encabezado : 8 Bytes
 Datos : 2,324 Bytes
 Código detector de errores (EDC) : 4 Bytes.
Sincronía Encabezado Datos ECC
Sub-E
Memorias Ópticas
66
 Proceso de grabación, borrado y reproducción:
 Como se puede observar en el
proceso de grabación la cantidad de
energía es mayor debido al desgaste
que requiere la superficie de
aluminio.
 El voltaje neutro o de borrado es la
referencia.
 El voltaje inferior a la referencia es
la energía resultante en el ciclo de
lectura.
Memorias Ópticas
67
 Los discos marcados como RW permiten re-escribir varias veces la
información.
 Se pueden reutilizar varias veces.
 Al re-escribirse se desgasta una pequeña capa de silicio o de aluminio.
 Cada capa está protegida por un material dieléctrico.
Memorias Ópticas
68
 DVD:
 La diferencia entre el video CD y el DVD radica en que el
primero contiene datos en binario que representan una
secuencia de imagen mas el audio asociado.
 El DVD es básicamente video en formato digital, bajo una
compresión de imágenes de tipo MPEG.
 DVD se define como disco de almacenamiento digital
versátil y su principal uso es el de almacenar secuencias
digitales de vídeo.
Memorias Ópticas
69
 El DVD puede ser doble densidad.
 Un DVD puede almacenar en simple densidad 4.7 GB y 17
GB en doble densidad.
CD-R
CD-RW
DVD
Memorias Ópticas
70
 Existen varios formatos:
 DVD vídeo
 DVD ROM
 DVD R
 DVD Audio
 DVD RAM
Memorias Ópticas
71
 Para los formatos de DVD-ROM, DVD-vídeo y DVD-
audio tenemos:
 Formato DVD-5 que solamente puede ser usado en
simple densidad a 4.7 GBytes.
 Formato DVD-9 en simple y doble densidad con un
máximo de 8.5 GBytes.
 Formato DVD-10 en simple y doble densidad con un
máximo de 9.4 GBytes.
 Formato DVD-18 en simple y doble densidad con un
máximo de 17.0 GBytes.
Memorias Ópticas
72
 El formato DVD-R permite el formato en doble
densidad con una capacidad por lado o cara de 3.8
GBytes.
 El formato DVD-RAM proporciona una capacidad
por lado de 2.6 Gbytes y puede ser usado en doble
densidad.
Blu-Ray
 Se llama de esa forma debido a que utiliza como emisor
óptico un diodo láser de color azul con una longitud de
onda de 405 nanómetros.
 El estándar fue diseñado con el propósito de grabar, re-
escribir y reproducir video de alta definición y su audio
asociado en multi-canal.
 Permite almacenar una cantidad superior a su antecesor
el DVD.
73
Blu-Ray
 Capacidad de almacenamiento del Blu-ray:
 Single Layer: 27 GB
 Double Layer: 54 GB
74
DVD
75
 Regiones para la protección de la difusión de cintas
cinematográficas definidas:
Blu-Ray
76
 Regiones para la protección de la difusión de cintas
cinematográficas definidas:

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  • 1. Dispositivos de Memoria Sistemas Digitales Dr. Andrés David García García Departamento de Mecatrónica 1
  • 2. Dispositivos de Memoria Terminología 2  Memoria: Elemento o dispositivo que tiene como objetivo almacenar, guardar o retener de forma permanente y/o temporal una cantidad de información.  Retener el nivel lógico que corresponda al bit que se desea almacenar.  Almacenar palabras de varios bits dentro de una localidad de la memoria específica.
  • 3. Terminología 3  Célula de memoria: Se le llama célula de memoria al circuito más pequeño que es capaz de almacenar la información de un bit.  El dispositivo más simple, el Flip-Flop D :
  • 4. Terminología 4  Palabra de memoria: Es un grupo de bits (ó células de memoria) que representan un dato o una instrucción.  El ancho de la palabra puede ser de uno hasta N bits.  Ejemplos:  El primer micro-procesador tenía un ancho de palabra de 4 bits (4004).  El primer procesador comercial con un bus de datos de 8 bits fue el 8086 001101001 11001001 00110 1 101011001 0011010011 0101101 10 Nibble Byte
  • 5. Terminología 5  Byte: La mayoría de las memorias comerciales usan palabras de 8 bits, a esta palabra se le llama Byte (esto debido a la popularidad de los micro-procesadores de 8 bits como el 8086-8088).  Nibble: Se denomina así a la mitad de un Byte, es decir, a una palabra de 4 bits (herencia de los procesadores de 4 bits como el 4004). 01101001 11001001 10100110 10000111 10101100 00110011 01011010 00110011 0011 0011 Byte nibble+ nibble - Palabras de 8 bits
  • 6. Terminología 6  Capacidad de memoria: Se llama así a la cantidad de información que se puede almacenar en una memoria. La notación más común para la capacidad de memoria es : M palabras de N bits.  Ejemplo : Una memoria de 16 x 8 es capaz de almacenar 16 palabras de 8 bits, es decir 128 bits ó 16 Bytes. 01101001 11001001 10100110 10000111 10101100 00110011 01011010 Memoria de M palabras de 8 bits
  • 7. Terminología 7  Densidad: Otra forma de definir la capacidad de una memoria es la densidad. Una memoria tiene mas densidad que otras si puede almacenar más bits  Mapa de memoria: Se llama así a la distribución de una memoria. Un bloque de memoria se puede dividir en diferentes secciones para ser usadas de forma diferente.  Direcciones de memoria: Es un número que identifica la localización de una palabra dentro de la memoria. Cada palabra almacenada en una memoria tiene una dirección única ligada a ella.
  • 8. Terminología 8  Lectura: Se llama así a la operación que permite recuperar los datos almacenados en una o varias direcciones de memoria. También se le llama “fetch”.  Escritura: Es la operación que permite almacenar una serie de palabras dentro de la memoria, estos pueden ser datos o instrucciones. También se le llama “programar” la memoria.  Tiempo de acceso: Medida de velocidad de respuesta de la memoria. Es el tiempo que transcurre entre que la memoria recibe una dirección y en que el dato sea válido en la salida.
  • 9. Capacidad de Retención 9  Memoria volátil: Memoria que requiere la aplicación de una corriente eléctrica para almacenar o grabar la información y además para mantener esos datos válidos dentro de las células de memoria.  Memoria no volátil: Memoria que no necesita de una corriente eléctrica para mantener válidos los datos dentro de las células de memoria.
  • 10. Modo de Acceso 10  RAM (Random-Access Memory) : Memoria de acceso aleatorio. Dispositivo en el cual la localidad actual de memoria no tiene efecto sobre el tiempo que toma la lectura o escritura.  SAM (Sequential-Access Memory): Memoria de acceso secuencial. Dispositivo de memoria en el cual el tiempo de acceso depende de la localidad de memoria.  DAM (Direct Access Memory): Memoria de acceso directo o semi-aleatorio, es un tipo de memoria que combina el acceso RAM y SAM.
  • 11. Modos de Lectura y Escritura 11  RWM (Read-Write Memory): Memoria que puede ser leída y grabada con igual facilidad. Los tiempos de acceso para lectura y escritura son los mismos.  ROM (Read-Only Memory): Memoria de sólo lectura. Este dispositivo es programado una sola vez y sólo se tiene acceso a él en modo de lectura.
  • 12. Memoria Volátil 12  Memoria estática: Dispositivo en el cual los datos seguirán válidos mientras se aplique una tensión de alimentación.  Memoria dinámica: Dispositivo en el cual los datos no permanecen siempre válidos aún cuando se aplique de forma constante la alimentación. Los datos deben ser re-escritos periódicamente en cada célula de memoria.
  • 14. Funcionamiento de una memoria de acceso aleatorio (RAM) 14 • Cada localidad tiene una dirección física señalada por el bus de Direcciones. • La señal de control R/W indica el tipo de función a realizar.
  • 15. Funcionamiento de una memoria de acceso aleatorio (RAM) 15  Bus de datos: Designado como D0 á Dn, donde n+1 es el número de bits de la palabra de memoria.  Bus de direcciones: Designado como A0 á Am, donde m es el número máximo de bits de direcciones de una memoria de 2m+1 palabras. A0 (al igual que D0) es el bit menos significativo.  Señales de control: Estas señales especifican cuando una dirección es válida, cuando un dato es válido y el tipo de operación que se va a efectuar (lectura o escritura).  Señal de Read/Write  Señal de Output Enable (Output Control)  Señal de Chip Sellect (Chip Enable)
  • 16. Funcionamiento de una memoria de acceso aleatorio (RAM) 16 A. Seleccionar la dirección de memoria a la cual se va a acceder. B. Seleccionar la función de lectura o escritura. C. Proporcionar la palabra a almacenar durante un lapso mínimo de tiempo. D. Mantener la información recuperada de la memoria durante un lapso mínimo de tiempo. E. Habilitar o deshabilitar la memoria para determinar cuando es válida una dirección y/o un dato.
  • 17. Funcionamiento Memoria RAM 17 Ciclo de Escritura Ciclo de Escritura Tiempo de acceso
  • 18. Memoria Semiconductor ROM (acceso RAM) 18  Líneas de entrada y salida : ROM 16 x 4 A0 A1 A2 A3 CS D0 D1 D2 D3
  • 19. Memoria Semiconductor ROM 19  Líneas de entrada y salida (otra notación): ROM 16 x 4 A3-A0 CS D3-D0 4 4
  • 20. Memoria Semiconductor ROM 20  Diagrama de estados : CS A3-A0 D3-D0 Address Data tacceso
  • 21. Memoria Semiconductor RAM (Volátil) 21  Líneas de entrada y salida RAM 16 x 4 A3-A0 CS D3-D0 OE R/W 4 4
  • 22. Memoria Semiconductor RAM 22  Diagrama de estados ciclo de escritura: CS A3-A0 D3-D0 Address Data tacceso R/W OE
  • 23. Memoria Semiconductor RAM 23  Diagrama de estados ciclo de lectura: CS A3-A0 D3-D0 Address Data tacceso R/W OE
  • 24. Estructura Interna de una memoria semiconductor 24  Modelo “bit slice”  2n-1 direcciones, 1 dato RAM cell RAM cell RAM cell 2n-1 Din /w-r CS FF D_out Word select 0 Word select 1 Write logic Read logic
  • 26. Selección Coincidente 26  Motivación: – Decodificador: k entradas  2k AND gates de k entradas cada una. – Implementación directa muy costosa si el número de direcciones es muy grande (hardware y tiempo de acceso).  Solución: Selección coincidente – Reducción en complejidad del decodificador, en número de entradas a cada compuerta y en tiempo de acceso (lectura y escritura)
  • 27. Selección Coincidente: Principio 27  Dos decodificadores de k/2 entradas  Decodificador 1 controla las líneas “word select”  Decodificador 2 controla las líneas “chip select”  esquema de selección bidimensional • Decodificador 1: “Selector de línea” • Decodificador 2: “Selector de columna” • Selección de la célula que resulta de la intersección de la línea “word select” con la columna “chip select”
  • 28. Selección coincidente: RAM 16x1 28 Deco de columna 2-4 RAM Cell 0 RAM Cell 4 RAM Cell 8 RAM Cell 12 RAM Cell 1 RAM Cell 5 RAM Cell 9 RAM Cell 13 RAM Cell 2 RAM Cell 6 RAM Cell 10 RAM Cell 14 RAM Cell 3 RAM Cell 7 RAM Cell 11 RAM Cell 15 Deco de línea 2-4 A2 A3 Din R / W CS CS CS CS Dout Dout Dout 0 1 2 3 0 1 2 3 A1 A0 CS Dout
  • 29. Selección Coincidente: Funcionamiento 29  Si CS = ‘0’, ninguna columna es seleccionada  Ejemplo: – Acceso a la celda 1001  Los dos MSBs (10) seleccionan la línea 2  Los dos LSBs (01) seleccionan la columna 1  Celda accesada: 9  Lectura y escritura de forma normal
  • 30. Selección Coincidente: RAM 8x2 30 Deco de columna 1-2 RAM Cell 0 RAM Cell 4 RAM Cell 8 RAM Cell 12 RAM Cell 1 RAM Cell 5 RAM Cell 9 RAM Cell 13 RAM Cell 2 RAM Cell 6 RAM Cell 10 RAM Cell 14 RAM Cell 3 RAM Cell 7 RAM Cell 11 RAM Cell 15 Deco de línea 2-4 A1 A2 Din0 R / W CS CS CS CS Dout Dout Dout 0 1 0 1 2 3 A0 CS Dout Din1
  • 31. Selección Coincidente: RAM 8x2 31  3 bits de direcciones (2 seleccionan línea y 1 selecciona columna –dos columnas-)  Dos bits de datos que se almacenan o leen gracias al bit de selección de columna  Ejemplo:  Direccion 011  2 MSBs seleccionan línea 1  1 LSB selecciona columna 2 (dos últimas columnas)  Celdas accesadas: 6 y 7
  • 32. Selección Coincidente: Ventajas 32  Ejemplo: – RAM 32K x 8  256K bits  Sin selección coincidente – Decodificador 15 entradas 215 = 32768 salidas – ¡ 32768 AND gates de 15 entradas cada una !  Con selección coincidente – 256K = 5122 = 29  9 bits seleccionan línea y 6 bits seleccionan columna – Decodificador de línea 9 – 512 ( 512 AND gates ) – Decodificador de columna 6 - 64 ( 64 AND gates ) – Total: 576 AND gates ! Reducción material en un factor 57 ¡
  • 33. Arquitectura de una ROM 33 Decodi- ficador 1 a 4 (LSb) Registro 0 Registro 4 Registro 8 Registro 12 Registro 1 Registro 5 Registro 9 Registro 13 Registro 2 Registro 6 Registro 10 Registro 14 Registro 3 Registro 7 Registro 11 Registro 15 Decodi- ficador 1 a 4 (MSb) A2 A3 A0 A1 Buffer de salida Dn-D0 /CS
  • 34. Expansión de Memoria 34  Memoria comerciales – SRAM, DRAM – PROM, EPROM, EEPROM  Memorias disponibles en diferentes tamaños  Sin embargo, hay aplicaciones cuya unidad de memoria requiere una capacidad mayor que la capacidad de memorias comerciales  Solución: combinación de CIs para formar el tamaño requerido  expansión de memoria
  • 35. Expansión de Memoria 35  Dos parámetros: – Número de palabras (capacidad) – Número de bits por palabra (datos)  Tres tipos de expansión – Capacidad (número de palabras) – Palabras (número de bits por palabra) – Capacidad y palabras (número de palabras y número de bits por palabra)
  • 36. Expansión de capacidad: 36  Construir un bloque de memoria 256K x 8 a partir de memorias 64K x 8:  Número de memorias 64K x 8 requeridas 256K / 64K = 4  Bits de direcciones: log2 256K = 18 bits – 16 LSB entran al bus de direcciones de todas las memorias – 2 MSB entran a un decodificador 2-4 y las salidas van a la entrada CS de las memorias  El número de bits de datos no cambia  el bus de datos de entrada y salida es común a todas las memorias
  • 37. Expansión de capacidad: 37 Deco 2-4 R / W Memory enable A17 A16 A0-15 D0-7 D0-7 RAM 64 x 8 RAM 64 x 8 RAM 64 x 8 RAM 64 x 8 CS CS CS
  • 38. Expansión de palabra: 38  Construir un bloque de memoria 64K x 32 a partir de memorias 64K x 8  Número de memorias 64K x 8 requeridas 32 / 8 = 4  Bits de direcciones: log2 64K = 16 bits – Los 16 bits entran al bus de direcciones de todas las memorias  El número de bits de datos cambia  el bus de datos de entrada y salida se dividirá en el número de columnas (4) del arreglo de memorias
  • 39. Expansión de palabra: 39 A0-15 D0-7 RAM 64 x 8 RAM 64 x 8 RAM 64 x 8 RAM 64 x 8 D8-15 D16-23 D24-32 CE R / W D0-7 D8-15 D16-23 D24-32
  • 40. Expansión de palabra y de capacidad 40  Construir un bloque de memoria 256K x 32 a partir de memorias 64K x 8  Número de memorias 64K x 8 requeridas 256K / 64K = 4 ; 32 / 8 = 4 : Total 16 memorias  Bits de direcciones: log2 256K = 18 bits – 16 LSB entran al bus de direcciones de todas las memorias – 2 MSB entran a un decodificador 2-4 y las salidas van a la entrada CS de las memorias  El número de bits de datos  el bus de datos de entrada y salida se dividirá en 4 columnas
  • 41. Expansión de palabra y de capacidad 41 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 RAM 64x8 Deco 2 a 4 A16 A17 A0-A15 Datos
  • 42. Fabricación de Memorias Semiconductor 42  Construidas a partir de uno o varios transistores acompañados de elementos pasivos (R, C).  Según el tipo de arreglo, pueden ser:  PROM (EPROM, EEPROM)  SRAM  DRAM  Anti Fusible  Flash
  • 43. Memorias Semiconductor 43  Los transistores que mas se usan en la construcción de memorias son BJT y MOS: Colector Colector Base Base Emisor Emisor Tipo N Tipo P n p n p p n
  • 44. Memorias Semiconductor 44 C B E Vb = Vc C B E Tipo N Vb = 0 C B E C B Tipo P E Vb = 0 Vb = Vc Saturación Corte •Tipo N: •Corte: Vb = ‘0’ •Saturación: Vb = Vc •Tipo P: •Corte: Vb = Vc •Saturación: Vb = ‘0’
  • 45. Memorias Semiconductor 45  El circuito de base para la construcción de una célula de memoria es el inversor: VDD Vout Vin Vin 0 1 Vout 1 0 Resistencia de Pull-Up
  • 46. Memorias Semiconductor 46  Otra forma de construir un inversor es mediante el uso de lógica complementaria: Vin 0 1 Vout 1 0 VDD Vout Vin
  • 47. Memorias Magnéticas 47  Las memorias magnéticas basan su funcionamiento en las propiedades de los materiales ferro-magnéticos como el acero, el cobalto y el níquel.  Para ello utilizan un circuito como el que se muestra en la figura, el cual puede generar un campo magnético a partir de una corriente eléctrica. ~ V(t) Entrehierro campo magnético i(t)
  • 48. Memorias Magnéticas 48  La cabeza de grabación se compone de un electro-imán de nucleo de alta permeabilidad. Superficie Magnética (oxido ferroso) 15 ´´ por segundo 1 Hz 15 pulgadas
  • 49. Memorias Magnéticas 49  Escritura : Se alimenta el embobinado del electro-imán con una corriente que provoca un campo magnético en el entrehierro que magnetiza la cinta.  Lectura : La cinta en movimiento induce una señal débil en la bobina que es traducida en una señal de corriente.  El embobinado está formado de varias espiras de hilo fino, el núcleo está formado de ferrita. La cabeza completa mide entre 1/8 y 1/16 de pulgada.
  • 50. Memorias Magnéticas 50  Disco Flexible: dispositivo en forma de oblea redonda con un recubrimiento de óxido metálico, el tamaño del disco estándar es:  10’’ (hace 25 años)  5’’1/4 (hace 15 años)  3’’1/2 (hace 5 años)  El disco magnético viene recubierto por una protección de plástico que lo aísla del intemperie.  Este dispositivo es sensible a campos electromagnéticos intensos.
  • 51. Memorias Magnéticas 51  El dispositivo cuenta con motores a pasos, servo motores y sensores ópticos. Sensor Emisor Servo Motor cabeza magnética
  • 52. Memorias Magnéticas 52  El disco flexible se organiza en pistas y sectores: Pistas Sectores Doble Densidad: •750 KB •80 pistas por cara •9 sectores por pista Alta Densidad: •1.4 MB •80 pistas por cara •18 sectores por pista
  • 53. Memorias Magnéticas 53  La intersección entre una pista y un sector es una región que se organiza de la siguiente forma:  A: Marca de Sincronización  B: Cabecera de campo de datos  C: Hueco previo de separación  D: Datos (512 Bytes)  E: Código detector de errores  F: Separación entre sectores A B C D E F
  • 54. Memorias Magnéticas 54  Disco Duro: Este dispositivo está formado por una serie de obleas recubiertas por óxido férrico apiladas una sobre de otra.  Entre cada una de ellas existe un espacio que permite el desplazamiento de las cabezas magnéticas.  Estos dispositivos permiten capacidades del orden de los GB.  El tamaño de las obleas es de 3’’1/2 y de 5’’1/4.
  • 55. Memorias Magnéticas 55  El disco duro se forma de varios discos similares a los discos flexibles.  Las caras expuestas al chasis no se utilizan.  Estos discos se organizan en: Cilindros y Pistas.  Los discos que forman este dispositivo pueden tener 300 pistas. Servo
  • 56. Memorias Magnéticas 56  La intersección entre un cilindro y una pista es una región que se organiza de la siguiente forma:  A: Número de cilindro  B: Número de pista  C: Número de registro  D: Datos  E: Código detector de errores A B C D E
  • 57. Memorias Magnéticas 57  Cinta magnética: 0 1 2 3 4 5 6 7 P Datos Paridad Inicio de Datos Datos barra de registros barra de registros Datos código corrector Final de datos Fin Inicio
  • 58. Memorias Ópticas 58  Existen tres dispositivos de memoria ópticos en el mercado:  CD-ROM : Compact Disc Read Only Memory.  Tipo de memoria óptico no volátil y de acceso directo.  Dos formatos : CD-R, y CD-RW.  Originalmente usado como un sistema de respaldo de información.  DVD : DigitalVersatile Disc.  Destinado a la reproducción de secuencias de video de alta definición.  También se utiliza como dispositivo de memoria de datos.  Blu-Ray.  Destinado a la reproducción de secuencia video y videojuegos de alta definición.
  • 59. Memorias Ópticas 59  Estructura del lector: Diodo Laser (emisor óptico) Lente Transconductor (receptor óptico) Señal eléctrica Disco Compacto Espejos Servo-motor
  • 60. Memorias Ópticas 60  Operación :  El diodo laser emite un haz de baja energía hacia un espejo altamente reflejante que lo hace impactar en la cara posterior del disco.  Un servo motor sitúa el haz en la zona (track) a leer.  Cuando el haz golpea la superficie es refractado y dirigido hacia un sistema de lentes.  El haz refractado es convertido en una señal eléctrica por medio de un transconductor.
  • 61. Memorias Ópticas 61  CD-ROM:  El plato se fabrica a partir de cristal de aluminio o de silicio.  En su estado puro (sin grabar) el disco se ve del color del aluminio.  Al grabarse (estado amorfo) la capa de aluminio se desgasta para guardar la información digital en forma de canales.
  • 62. Memorias Ópticas 62  Corte transversal del disco: Revestimiento reflector de aluminio Revestimiento protector Haz laser Lente
  • 63. Memorias Ópticas 63  Estructura del disco: No existen varias pistas.  Sólo una pista en forma de espiral.  Los pozos de información se escriben consecutivamente del centro hacia el exterior Capacidad : 682 MB 74 minutos de audio HiFi
  • 64. Memorias Ópticas 64  Formato de datos 1 : cada 2,352 Bytes  Sincronía : 12 Bytes  Encabezado : 8 Bytes  Datos : 2,048 Bytes  Código corrector de errores (ECC) : 284 Bytes. Sincronía Encabezado Datos ECC
  • 65. Memorias Ópticas 65  Formato de datos 2 : cada 2,352 Bytes  Sincronía : 12 Bytes  Encabezado : 8 Bytes  Sub-encabezado : 8 Bytes  Datos : 2,324 Bytes  Código detector de errores (EDC) : 4 Bytes. Sincronía Encabezado Datos ECC Sub-E
  • 66. Memorias Ópticas 66  Proceso de grabación, borrado y reproducción:  Como se puede observar en el proceso de grabación la cantidad de energía es mayor debido al desgaste que requiere la superficie de aluminio.  El voltaje neutro o de borrado es la referencia.  El voltaje inferior a la referencia es la energía resultante en el ciclo de lectura.
  • 67. Memorias Ópticas 67  Los discos marcados como RW permiten re-escribir varias veces la información.  Se pueden reutilizar varias veces.  Al re-escribirse se desgasta una pequeña capa de silicio o de aluminio.  Cada capa está protegida por un material dieléctrico.
  • 68. Memorias Ópticas 68  DVD:  La diferencia entre el video CD y el DVD radica en que el primero contiene datos en binario que representan una secuencia de imagen mas el audio asociado.  El DVD es básicamente video en formato digital, bajo una compresión de imágenes de tipo MPEG.  DVD se define como disco de almacenamiento digital versátil y su principal uso es el de almacenar secuencias digitales de vídeo.
  • 69. Memorias Ópticas 69  El DVD puede ser doble densidad.  Un DVD puede almacenar en simple densidad 4.7 GB y 17 GB en doble densidad. CD-R CD-RW DVD
  • 70. Memorias Ópticas 70  Existen varios formatos:  DVD vídeo  DVD ROM  DVD R  DVD Audio  DVD RAM
  • 71. Memorias Ópticas 71  Para los formatos de DVD-ROM, DVD-vídeo y DVD- audio tenemos:  Formato DVD-5 que solamente puede ser usado en simple densidad a 4.7 GBytes.  Formato DVD-9 en simple y doble densidad con un máximo de 8.5 GBytes.  Formato DVD-10 en simple y doble densidad con un máximo de 9.4 GBytes.  Formato DVD-18 en simple y doble densidad con un máximo de 17.0 GBytes.
  • 72. Memorias Ópticas 72  El formato DVD-R permite el formato en doble densidad con una capacidad por lado o cara de 3.8 GBytes.  El formato DVD-RAM proporciona una capacidad por lado de 2.6 Gbytes y puede ser usado en doble densidad.
  • 73. Blu-Ray  Se llama de esa forma debido a que utiliza como emisor óptico un diodo láser de color azul con una longitud de onda de 405 nanómetros.  El estándar fue diseñado con el propósito de grabar, re- escribir y reproducir video de alta definición y su audio asociado en multi-canal.  Permite almacenar una cantidad superior a su antecesor el DVD. 73
  • 74. Blu-Ray  Capacidad de almacenamiento del Blu-ray:  Single Layer: 27 GB  Double Layer: 54 GB 74
  • 75. DVD 75  Regiones para la protección de la difusión de cintas cinematográficas definidas:
  • 76. Blu-Ray 76  Regiones para la protección de la difusión de cintas cinematográficas definidas: