UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Facultad de Ingeniería de Ingeniería de sistemas e Informática
“Evolución de las memorias memorias principales RAM, ROM, PROM y otros aportes”
Informe Para el curso de Computación e Informática a cargo de Mg. Carlos A. Cánepa Huarez Arévalo Diego Inche Arzápalo Álvaro Jiménez Huerta Jack Alexander López Ochoa Nikol Marquina Mora Milagros Julisa Lima-Perú 2017
Evolución y clasificación de las memorias principales RAM, ROM, PROM y otros aportes
1.- Dispositivos primarios: Los Dispositivos primarios también conocidos como memoria principal de las computadoras, incluyen las memorias semiconductoras y la caché. Las memorias semiconductoras forman un grupo muy importante de las memorias primarias porque es la tecnológica que usan las memorias RAM y ROM que son las memorias más utilizadas hoy en día en las computadoras, igual que las memorias Caché de nivel I, II y III para almacenar datos de instrucciones.
Tipos de memorias semiconductoras y sus características generales (Pasi, 2006).
1.1.- Memorias semiconductoras: Las memorias semiconductoras son llamadas así porque hacen uso de circuitos integrados de dos tipos de transistores con características semiconductoras. Los transistores que usan son de dos tipos, transistores bipolar y unipolar. Los circuitos integrados de transistores unipolares usan transistores MOS o CMOS y el bipolar usan los transistores TTL, ECL o Schottky TTL (Pardo Collantes, 2006). De los dos tipos de circuitos integrados el de transistores bipolares es el más rápido ya que usan transistores TTL y tienen baja (Packing density ) densidad con bajo tiempo de acceso. La característica más notable de las memorias semiconductoras es que son muy pequeñas, tienen alta velocidad, alrededor de 4.5ns para las memorias SRAM. Se operan con baja alimentación y pueden ser no-volátil (ROM) y volátil (RAM).
1.1.1.-Memoria RAM (Random-Access Memory): Es una de las partes más significativas de la computadora, ya que nos permite ejecutar programas y acceder aleatoriamente a los datos. Las memorias RAM son aquellas que permiten accesos de lectura y escritura de datos e instrucciones por parte del procesador o cualquier otr o dispositivo con capacidad para ello. Tienen la particularidad de que mantienen el dato mientras tienen energía, y lo pierden si esta falla, por lo que también se les llama Volátiles (Ricardo, 2003). Las primeras memorias RAM se fabricaron con elementos toscos basados en medios magnéticos; con la aparición de los semiconductores surgieron las RAM transistorizadas. Estas se componen de una matriz de elementos de almacenamiento (flip-flop o biestables) más una lógica combinacional de acceso. Son memorias bastante rápidas, pero limitadas en el aspecto de la integración. Debido a esta limitación aparecieron las memorias RAM llamadas dinámicas, en las cuales los elementos de almacenamiento se simplifican mucho a cambio de que la persistencia del dato almacenado que tiene un límite si no es reescrito con cierta periodicidad (refresco). La simplificación de la celda implica mayor capacidad de integración lo que permite fabricar m emorias de mayor capacidad al mismo costo (con el mismo número de transistores), pero a cambio presentan un mayor tiempo de acceso; en parte por la necesidad de refrescamiento, que obliga a detener todo acceso durante el tiempo que dura este proceso, y en parte por el método de acceso que varía ligeramente (Pardo Collantes, 2006). .
A.-Módulos de Memorias RAM: Los computadores modernos implementan sus sistemas de memoria principal en base a módulos de memoria. Estos módulos son pequeñas tarjetas de circuito impreso que disponen de los chips de memoria en cantidad y organización adecuada para el tamaño de palabra soportado por la arquitectura del procesador utilizado. Estas tarjetas de circuito se insertan en zócalos (memory
sockets) previstos en las placas principales (motherboards) de los computadores a tales efectos (UDELAR, 2014). Algunos ejemplos de estos módulos son:
SIMM
Estos fueron los primeros módulos en imponerse en la industria del PC. La sigla significa Single In-line Memory Module, ya que si bien la placa de circuito tenía contactos en ambas caras estos eran en realidad redundantes. Existieron en dos variantes: - 30 contactos o pines (para buses de memoria de 8 bits)
Figura 1.5 Un SIMM de 30 contactos con sus dimensiones en pulgadas y milímetros (Plano frontal (izquierda) plano lateral (derecha) (Mueller, 2011).
-
72 contactos o pines (para buses de memoria de 32 bits)
Figura 1.6 Un SIMM de 72 contactos con sus dimensiones en pulgadas y milímetros (Plano frontal (izquierda) plano lateral (derecha) (Mueller, 2011) .
DIMM
Fueron la evolución de los SIMM asociados con la aparición de las SDRAM y la arquitectura de memoria de 64 bits (aun para procesadores de 32 bits). La sigla significa Dual In-line Memory Module. Existen variantes con distinta cantidad de contactos.
-
168 contactos o pines (utilizado con memorias SDRAM)
Figura 1.7 SDRAM DIMM de 168 contactos con sus dimensiones en pulgadas y milímetros (Plano frontal (izquierda) plano lateral (derecha) (Mueller, 2011).
Memorias RAM tipo DIMM. Imagen de: Dsimic. Bajo licencia: CC BY-SA 4.0.
RIMM
Son los módulos utilizados para memorias con tecnología Rambus. También hay variantes con distinta cantidad de contactos. - 184 contactos o pines (utilizado en sistemas de memoria con buses de 16 bits)
Módulo del RIMM de 184 contactos con sus dimensiones en pulgadas y milímetros (Plano frontal (izquierda) plano lateral (derecha) (Mueller, 2011).
B.- Desarrollo evolutivo de tipos de Memoria DRAM (Memoria de acceso aleatorio dinámica): Se puede hacer un breve resumen de los varios tipos de memoria DRAM. Como se puede observar las memorias DRAM empezaron su desarrollo en el año 1987 y mientras que fueron mejorando, la característica en que más se mejoró fue la velocidad del reloj. Esto fue gracias a los diferentes modos de acceso implementado en los procesadores como por ejemplo el “Modo de Ráfaga” y mejor uso de cada ciclo de transferencia. B.1.-SDRAM (Synchronous DRAM de Estándar JEDEC): Las S ynchronous DRAM utilizan un reloj para marcar los tiempos de los ciclos de lectura o escritura y mantener en sincronismo la memoria con el resto del sistema (en particular con la CPU). Este sincronismo le permite mejorar los tiempos de acceso a un 20% con respecto a las memorias EDO, ya que permite un modo de ráfaga de 5-1-1-1. Además de ser más rápida el SDRAM puede suportar sistemas de 133MHz (7.5ns), casi todas las computadoras de 19982002 tenía el SDRAM incluido. El SDRAM se vende en forma del módulo DIMM de 168-pin (Mueller, 2011). Las SDRAM se sub-clasifican en función de la frecuencia del reloj para la que están diseñadas, para lo que se utiliza una clasificación propuesta por Intel en su especificación del computador tipo PC, como son: 66 MHz, 100 MHz y 133 MHz.
B.2.-DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM): Estas memorias también son del estándar JEDEC, utilizan ambos flancos del reloj para realizar las operaciones, de allí que reciben el nombre de D ouble D ata R ate (Transferencia de Datos Doble). En vez de realizar una sola transferencia de datos por cada ciclo, como el SDRAM el DDR SDRAM realice 2 transferencias. Una de ellos en la cabeza del ciclo y el otro en el trasero. Esto proceso hace que se duplique la razón de reloj y también la razón de transferencia.
Figura 1.12 SDR vs DDR (Mueller, 2011).
B.3.-DDR2 SDRAM: Son la evolución tecnológica de las DDR, con un diseño pensado en aumentar la frecuencia de trabajo. Son técnicamente incompatibles (trabajan a otro voltaje de alimentación y poseen un encapsulado totalmente distinto).
B.4.-DDR3 SDRAM: Son el siguiente paso en la evolución tecnológica de las DDR, con mayor frecuencia de trabajo y menor consumo (basado en un voltaje de tr abajo menor). También son técnicamente incompatibles con las DDR2 y las DDR.
Memoria RAM. Imagen de: Tobias b köhler. Bajo licencia: CC BY-SA 3.0.
C.- Problemas de las memorias RAM: A veces las problemas de la RAM pueden ser causados por la fluctuación en la fuente de alimentación, o cuando se apaga la computadora quitando la alimentación y no por la vía recomendable del “start menu”. Algunos de los síntomas de los dispositivos de memoria RAM con deficiencias se muestran a continuación: La computadora se congela mientras se está trabajando Se reinicia el dispositivo sin recibir el comando de reiniciar Problemas para arrancar el sistema operativo BSOD (Blue Screen Stop Error ), la pantalla se queda en azul La pantalla se queda completamente negra en el “start up” No es tan fácil diagnosticar un problema de la computadora como problema de la RAM. La mayoría de los sistemas de computadora de hoy en día llevan más de una tarjeta RAM, puede fallar una y las otras estar en perfecto funcionamiento. Cuando en una computadora se comiencen a observar los síntomas
mencionados anteriormente, será recomendable para el usuario que realicé algunos análisis y pruebas para saber en qué estado está la memoria RAM.
1.1.2.- Memoria ROM: La memoria ROM (Read Only Memory ), se refiere a la memoria especial generalmente usada para almacenar programas que realizan tareas de arranque de la máquina y de diagnósticos (Batista et al., 2010). La mayoría de los computadores personales tienen una pequeña cantidad de ROM de algunos Kbytes. Las memorias ROM son difíciles de sobrescribir y modificar. Además, las ROM son usadas de forma generalizada en calculadoras y dispositivos periféricos tales como impresoras láser, cuyos 'fonts' están almacenados en ROM. Una ROM de m x n es un arreglo de celdas binarias organizadas en m palabras de n bits cada una. Tienen k líneas de entrada de dirección para seleccionar una de 2 = m palabras de memoria, y n líneas de salida, una para cada bit de la palabra.
A.- Tipos de Memoria ROM: - PROM Las PROM son Programmable ROM. Una PROM es una ROM cuyo contenido puede ser definido posterior a su construcción, mediante la programación que se realiza utilizando un circuito electrónico especial (Programador de PROM). En esencia son ROM que tienen conexiones realizadas mediante fusibles, que se queman al momento de "programar" el contenido de la PROM. Si se quiere grabar un 0 se quema el fusible de la conexión a Vcc y si se quiere grabar un 1, se quema el fusible de la conexión a tierra. Estos fusibles no pueden reconstruirse. Cuando se graba una PROM con un cierto contenido no hay marcha atrás. La memoria PROM permite una sola grabación y es más cara que la ROM. - EPROM Una EPROM es una ROM que puede ser borrada. El mecanismo de borrado es totalmente distinto al de programación e implica un proceso de exposición del circuito a luz ultravioleta por varios minutos. La gran ventaja es que se puede reutilizar las EPROM muchas veces borrando su contenido y grabando uno nuevo. Para ello las EPROM disponen de una ventana transparente en el encapsulado cerámico o plástico del circuito integrado. Su capacidad de desde algunos kilobits hasta del orden de 8 Megabits. Muchas veces están organizadas en palabras de 8 bits (byte). Este tipo de memoria es más cara que la memoria PROM.
- EEPROM Las EPROM si bien solucionan el problema de la re-usabilidad de este tipo de memorias, todavía tienen el inconveniente que este proceso es sumamente lento, complejo y requiere retirar la EPROM del sistema para realizar el borrado. Es así que surgieron las EEPROM (Electrical EPROM), o sea una EPROM cuyo proceso de borrado se hace eléctricamente y puede efectuarse sin retirar el
circuito integrado del sistema. Posee otra diferencia importante con la EPROM: una EEPROM normalmente tiene la capacidad de borrar cada bit en forma individual (también hay implementaciones que borran una palabra completa en cada operación de borrado). Típicamente se utilizan para almacenar los datos de configuración de un sistema. Tienen una capacidad de hasta del orden de 128 kbits. Es frecuente que estén organizadas en palabras de un solo bit.
B.- Otros Tipos de Memorias ROM: Además de las memorias ROM mencionada anteriormente existen diferentes memorias de tipo ROM que contienen datos esenciales para iniciar el ordenador, entre ellas están: - El BIOS, es un programa que permite controlar las principales interfaces de entrada-salida, de ahí el nombre BIOS ROM que a veces se le da al chip de la memoria de sólo lectura de la placa madre que lo aloja. - El cargador de Bootstrap; programa para cargar memorias (de acceso aleatorio) al sistema operativo y ejecutarlas; generalmente busca el sistema operativo de la unidad de disquetes y luego el disco duro, lo que permite que el sistema operativo se ejecute desde el sistema de disquetes en el caso de que ocurra algún desperfecto en el sistema instalado en el disco duro. - La Configuración CMOS, es la pantalla que se visualiza al iniciarse el ordenador. Se utiliza para modificar los parámetros del sistema (a menudo erróneamente llamada BIOS). - La Auto-prueba de Encendido (POST), es un programa que se ejecuta automáticamente cuando arranca el sistema, permitiendo de esta manera probar dicho sistema “testear” (razón por la cual el sistema "cuenta" la RAM en el inicio).
1.2.- Memoria Caché: La memoria SRAM caché opera por encima o a la velocidad de procesador y es la memoria de donde el procesador normalmente escribe o lee directamente. Esto permite que se comporte como un buffer entre la el procesador y la memoria DRAM que es más lenta. El controlador del cache lo que se hace es prever las necesidades de la memoria del procesador y realiza una pre-carga de la cache de alta velocidad, con datos. Entonces cuando el procesador hace una llamada para la dirección de una memoria, el dato se retira de la cache de alta velocidad en vez de la memoria principal que es de tipo DRAM y más lenta. La efectividad del caché se mide en “hit ratio”. Esto es la proporción de acceso exitoso al caché comparado a la cantidad de accesos intentados. Un acceso exitoso (“hit ”) ocurre cuando el dato que necesita el procesador esta precargado de la memoria principal al cache y el procesador puede leer ese dato directo del cache. Un fallo en acceso (‘miss’) ocurre cuando el controlador del cache es incapaz de prever lo que necesita el procesador y como resultado el dato no fue
precargado en el cache de alta velocidad. En este caso el procesador tiene que retirar el dato de la memoria principal que será, en la mayoría de los caso más lenta. Para minimizar los fallos de acceso (“miss”) los sistemas modernos emplean dos o tres niveles de cache, L1, L2 y L3. Los tres niveles actúan como apoyo para cada cual, es decir si el dato necesario para el procesador no está en la cache L1 el procesador lo busca en el L2 y así sucesivamente.
A . C aché Interna L1: La cache de L1 es también conocida como cache interna porque siempre está integrada en el procesador. Por esta razón opera a la misma velocidad del procesador y es la cache más rápida de los 3 niveles. Esto significa que el procesador puede acceder a la cache sin ningún estado de espera (“wait ”). Sin una cache interna el procesador que es evidentemente más rápida que la memoria principal de los sistemas, será forzado más frecuente, a esperar a las memorias tipo DRAM, las más lentas del sistema. Los sistemas modernos que llevan este tipo de cache son los de procesador 486 hacia arriba.
B .- Caché L2: La caché L2 es muy similar a la L1, en el sentido que operan a la misma velocidad del procesador. La cache L2 elimina cualquier demora adicional cuando hay un fallo en la cache L1. Tiene el m ismo funcionamiento que la caché L1 y viene con la mayoría de los sistemas modernos.
C .- Caché L3: La cache L3 solo aparece en los sistemas de alto rendimiento, por ejemplo en los servidores. El funcionamiento no cambia en esta cache, es como apoyo adicional a los otros dos niveles de cache que pueden tener fallos aunque sea la probabilidad muy pequeña. No era muy popular en los procesadores anteriores pero hoy en día se está haciendo más popular en los sistemas más rápidos como son los procesadores Intel Core i7 y el AMD Phenom II.
2.- Dispositivos secundarios: Los dispositivos secundarios no son Volátiles. La computadora y otros dispositivos de computación normalmente acceden a estos tipos de dispositivos por canales de input/output donde se pueden transferir los datos deseados utilizando áreas intermedias de almacenamiento primario. Entre los dispositivos secundarios utilizados en la actualidad están las memorias magnéticas, los ópticos, y las memorias que son de tecnología FLASH que está basada en las memorias EEPROM de los dispositivos semiconductoras.
2.1.- Memoria Flash: Son más baratas que las memorias EEPROM. Este tipo de memoria es una variante de las EEPROM que se desarrolló con el objetivo de mejorar el tiempo de borrado, de forma de habilitar su uso para aplicaciones de
almacenamiento masivo, son más pequeñas y por lo tanto fáciles de transportar. Además la velocidad es mucho mayor con respecto a las otras memorias existentes debido a su capacidad de borrar y escribir en una misma operación. Si bien el nombre está asociado al concepto de velocidad (lo que se corresponde con lo antedicho), el nombre se origina en la similitud que uno de sus creadores veía entre el proceso de borrado y el destello del Flash de una cámara de fotos. Su aplicación más difundida es la de almacenamiento masivo (reemplazo de discos duros o disquetes), ya que su tiempo de acceso es en varias órdenes de magnitud menor que la de dichos dispositivos. Las capacidades de los chips llega en la actualidad al orden de 256 Gbits, y están organizados en palabras de 8 o, más habitualmente, 16 bits.
A.-Principios de Funcionamiento: Las memorias Flash están fabricadas con compuertas lógicas NOR y NAND para almacenar los 0’s ó 1’s correspondientes.
Tabla de verdad de las compuertas NOR y NAND (Castañeda Centeno, 2010)
Contienen una matriz de filas y columnas con celdas que tienen dos transistores en cada intersección. Tradicionalmente sólo almacenan un bit de información, pero las más actuales memorias Flash, pueden almacenar más de un bit por celda variando el número de electrones que almacenan. Los dos transistores están separados por una fina capa de óxido. Uno de los transistores recibe el nombre de floating gate. El otro es el control gate. Las compuertas de tipo NOR permiten una lectura y escritura más lenta que NAND, pero archiva muy rápido las rutas de acceso aleatorias. Esto hace que NOR sea más adecuado para la ejecución y almacenamiento de comandos, mientras que NAND es más indicado para el almacenamiento masivo de datos. En cuanto a la arquitectura, NAND puede almacenar más datos en un espacio de silicio más pequeño, lo que ahorra el costo por bit (Castañeda Centeno, 2010).
En el pasado, cuando el almacenamiento de datos era más bajo, NOR tuvo mayor influencia en el mercado. Hoy, debido al gran incremento de la necesidad de guardar más datos, el consumo de la electrónica y el negocio de los dispositivos, NAND ha superado a los NOR.
B.- Tipos de memoria Flash: Hay dos formas de clasificar las memorias Flash, según su funcionamiento interno (NAND y NOR) y según su formato físico y su utilización (tarjetas de memoria y pen drives).
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Tarjetas de memoria. Debido a su tamaño de aproximadamente 24 a 37mm en largo, 36 a 50mm en ancho y altura de aproximadamente 1mm o menos, son dispositivos pensados para estar dentro de otro dispositivo electrónico (cámara, PDAS, móvil) Ejemplos: Memory S tick , Tarjetas S D (Secure Digital), Flas h Compacto (Compact Flash)
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USB Flash Drive: Es un tipo de memoria que lleva una memoria Flash en su interior y un conector USB que nos permite conectarlos directamente al ordenador. Son dispositivos removible y pueden ser reescrito. Cuando se conecta una memoria USB Flash el dispositivo le reconociese como un dispositivo de almacenamiento masivo y le asigna una letra (drive letter ). Las memorias Flash son pensados para ser usados como discos duros portátiles pero de tamaño reducido que permite llevarlos "encima" sin problemas. Se pueden usar de llaveros ya que son bastante resistentes a caídas y golpes. La ventaja de estos dispositivos es que se conectan directamente al ordenador y no requieren instalación de software adicional.
C.- Memorias Flash en la actualidad: En la actualidad el desarrollo de las memorias Flash es mucho más rápido en comparación con otras memorias. Esto es posible gracias al uso personal que se le dan a estas memorias tanto en los reproductores portátiles de MP3 y DVDs como en los teléfonos móviles, que permite seguir invirtiendo en el desarrollo de tecnología para las memorias Flash. Presentado en el año 2008, está en pleno auge la transición de dispositivos USB 2.0 a USB 3.0. La principal novedad técnica del puerto USB 3.0 es que eleva a 4,8 Gbit/s (600 MB/s) la capacidad de transferencia que en la actualidad es de 480 Mbit/s. Se mantendrá el cableado interno de cobre para asegurarse la compatibilidad con las tecnologías USB 1.0 y 2.0. Si en USB 2.0 el cable dispone de cuatro líneas, un par para datos, una de corriente y una de toma de tierra, en el USB 3.0 se añaden cinco líneas. Dos de ellas se usarán para el envío de información y otras dos para la recepción, de forma que se permite el tráfico bidireccional, en ambos sentidos al mismo tiempo.
El aumento del número de líneas permite incrementar la velocidad de transmisión desde los 480 Mbit/s hasta los 4,8 Gbit/s.
2.2.- Memoria óptica: Los discos ópticos emplean una luz láser en lugar de un imán para leer y escribir bits de datos en una capa reflectante. Esta capa está protegida por una superficie de plástico transparente que permite que la luz pase. La capacidad de los discos ópticos varía en función de su tipo y del número de capas de datos que contengan. La velocidad de lectura y de escritura depende del dispositivo lector/grabador. Los primeros medios ópticos empleados fueron los CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory). Son discos de sólo lectura, que sólo se pueden escribir una vez. Emplean la misma tecnología que los CD de audio. El CD es un estándar creado en 1985 por Sony y Philips para almacenar audio digital, si bien su uso se ha extendido como soporte de almacenamiento de datos, al ser un método económico y de capacidad similar a los discos duros de la misma época. Además como medio de distribución de contenidos por parte de la industria (discográfica en el caso del CD), también se empezaron a emplear rápidamente (y todavía se sigue haciendo) como medio de distribución de software o incluso como medio para realizar copias de seguridad (Osvaldo Torres, 2012). Hoy en día, esta última ha quedado en desuso por la gran diferencia entre la capacidad de almacenamiento de medios magnéticos y ópticos en general.
3.- Referencias Bibliográficas: -
Navarro Cadavid, A.Rengifo Gómez J. , Orozco Velez, J.L. , Solis, R., Arbelaez, Buenaventura A., N & Cagueñas Rozo, D. (2013). ¿De que hablamos cuando hablamos de memoria?. Santiago de Cali: Universidad Icesi.
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PARDO COLLANTES, D. B. V., LUIS A 2006. Fundamentos de Electrónica Digital Salamanca Universidad de Salamanca
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PASI, M. 2006. Memorias de semiconductores
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- BATISTA, Y. G. M., PRIETO, S. R., SAQUIPOVA, D. Y. T . & FERNANDEZ, S. G. 2010. Curso Optativo Semi-Presencial Arquitectura de Maquinas Computadoras para la Universidad de las ciencias Informáticas .
Aportes: Memoria RAM - como leer la memoria RAM Memoria RAM – Problemas en la memoria RAM y consejos (sugerencia de algunos programas para verificar las memorias RAM) Memoria flash- memoria flash en la actualidad Memoria caché- ¿Es bueno eliminar la memoria caché del Smartphone?
