UD.-9. Análisis y diseño de circuitos con memorias. José Gorjón JOSE GORJON 1-1 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Índice Índice Objetivos. Introducción. Clasificación de las memorias. Características generales de una memoria. Estructura y organización de un chip integrado de memoria. Tiempos y cronogramas. Memorias RAM comerciales. Memorias ROM comerciales. Expansión de memorias integradas. Mapas de memoria. JOSE GORJON 1-2 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Introducción. Introducción. ¿Qué es una memoria? Es un dispositivo que es capaz de proporcionar un medio físico para almacenar la información procesada por un sistema digital En nuestro caso sólo nos interesan las memorias de semiconductores ¿Para qué se emplean? Para almacenar programas ( ejecutables y residentes) y datos (tabla de datos y vectores de interrupciones) en Sistemas Microprocesadores (90%) Registros, pila de memoria (stack), memoría cache. Para implementar circuitos combinacionales ¿Qué es una palabra? Es un grupo de bits a los que se puede acceder de manera simultánea ¿Qué es una dirección? Es la posición de identificación de una palabra en memoria JOSE GORJON 1-3 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Clasificación Clasificación de de las las Memorias Memorias Memoria Caché (Tipo RAM) Memoria Principal (Control directo) Memorias de ferrita (obsoletas) Memorias Integradas Memorias RAM (Random Access Memory) Memoiras ROM (Read Only Memory) Memorias de Masa (a través de I/O) Memoria en Disco Duro Memorias en Disco óptico o disco CD-ROM Memorias en Disquete y Cinta (obsoletas) JOSE GORJON 1-4 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Clasificación Clasificación de de las las Memorias. Memorias. Por las Operaciones RWM (RAM): Memorias de Lectura/Escritura; las operaciones de lectura y de escritura son rápidas y habituales en el funcionamiento del µP ROM: Sólo Lectura; la información es leída de manera rápida pero la escritura es más lenta y no es habitual en el funcionamiento del sistema µP Por el Interfaz Exterior Síncronas: con señal de reloj CLK para la sincronización. Las señales de direcciones, datos y control se almacenan en registros internos en los flancos activos de la señal CLK Asíncronas: no disponen de señal de reloj JOSE GORJON 1-5 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Asíncrona Asíncrona versus versus síncrona. síncrona. JOSE GORJON 1-6 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria de de núcleo núcleo de de ferrita ferrita JOSE GORJON 1-7 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Características Características de de las las Memorias.Memorias.- Capacidad Capacidad Capacidad: Es la cantidad de información que puede almacenar una memoria. Su unidad es el bit. Son múltiplos: Byte: Es la palabra de información compuesta por 8 bits Kilobyte (KB): Equivale a 210bytes, es decir 1024 bytes Megabyte (MB): Equivale a 220bytes, es decir 1.048.576 bytes Gigabyte (GB): Equivale a 230bytes, es decir 1.048.576 kB Terabyte (TB): Equivale a 240bytes, es decir 1.048.576 MB JOSE GORJON 1-8 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. POTENCIAS Factor MULTIPLOS Nombre Símbolo Factor 210 1024 exa EB 260 *1024 PB 29 512 peta PB 250 *1024 TB 28 256 tera TB 240 *1024 GB 27 128 giga GB 230 *1024 MB 26 64 mega MB 220 *1024 KB 25 32 kilo KB 210 *1024 B 24 16 Byte B 23 bits *8 b 23 8 22 4 21 2 20 1 JOSE GORJON 23 * 210 * 210 = 223 1-9 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Características Características de de las las Memorias: Memorias: Tiempo Tiempo de de Acceso Acceso Tiempo de acceso: Es el tiempo transcurrido desde que se pide o se envía una información a la memoria, hasta que ésta se recibe o transmite. JOSE GORJON 1-10 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Características Características de de las las Memorias: Memorias: Volatilidad Volatilidad Volatilidad: Es la propiedad que tiene la memoria de retener o no la información que posee cuando se le desconecta la alimentación. Memorias No volátiles: ejemplo las ROM Memorias Volátiles: ejemplo las RAM Estáticas: se mantiene la información permanentemente siempre que exista alimentación Dinámicas: además de la alimentación se necesitan operaciones periódicas de refresco de información Por la Tecnología de Semiconductores Bipolares: con dispositivos bipolares (diodos o transistores) MOS: con transistores MOSFET JOSE GORJON 1-11 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Características Características de de las las Memorias: Memorias: Modo Modo de de Acceso Acceso Modo de acceso: Es el método que la memoria emplea para acceder a una información almacenada en ella. Los métodos más utilizados son: Acceso aleatorio Acceso secuencial Acceso cíclico Acceso por pila o acceso LIFO Acceso por cola o acceso FIFO Acceso por contenido JOSE GORJON 1-12 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Modo Modo de de acceso acceso aleatorio. aleatorio. JOSE GORJON 1-13 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Modo Modo de de acceso acceso secuencial. secuencial. JOSE GORJON 1-14 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Modo Modo de de Acceso Acceso cíclico cíclico Acceso cíclico: Este modo de acceso es una combinación entre el acceso secuencial y el acceso aleatorio. Los dispositivos de memoria que utilizan este tipo de acceso son los discos duros y los disquetes, en los cuales la información viene grabada en pistas concéntricas. JOSE GORJON 1-15 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Modo Modo de de Acceso Acceso por por Pila Pila oo LIFO LIFO Las siglas LIFO (Last in, first out) significan: último en entrar, primero en salir. JOSE GORJON 1-16 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Modo Modo de de Acceso Acceso por por Cola Cola oo FIFO FIFO El significado de las siglas FIFO (First in, first out) es: primero en entrar primero en salir. Utilizada para adaptar la velocidad de trabajo entre dispositivos. JOSE GORJON 1-17 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Acceso Acceso por por Contenido Contenido oo Asociativo Asociativo (CAM) (CAM) Se suministra un dato y la respuesta es si está o no almacenado y la dirección en la que se encuentra. JOSE GORJON http://thinkdifferent.typepad.com/edulog/computer_architecture/index.html 1-18 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Patillaje Patillaje Patillas de alimentación Patillas del bus de direcciones Patillas del bus de datos (D0Dn) Patilla de selección de Lectura/Escritura (R/W) Patilla de selección de pastilla (CS= Chip Select o CE = Chip Enable) JOSE GORJON 1-19 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Organización Organización interna interna de de la la memorias memorias (1) (1) JOSE GORJON 1-20 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Organización Organización interna interna de de la la memorias memorias (2) (2) JOSE GORJON 1-21 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Organización Organización interna interna de de la la memorias memorias (3) (3) JOSE GORJON 1-22 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. SIMBOLOGÍA(1) SIMBOLOGÍA(1) Información y cambio de información en un bus: Cuando una información está compuesta por varias señales, como en el caso de los buses de direcciones y de datos, se utiliza la representación simplificada. El cruce de las líneas superior e inferior indica que se ha producido un cambio en una o varias de las líneas que forman el conjunto. Cuando las líneas permanecen paralelas, se está representando que la totalidad de la señal permanece sin variación. JOSE GORJON 1-23 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. SIMBOLOGÍA(2) SIMBOLOGÍA(2) Estado de alta impedancia en un bus: Se indica con una tercera línea intermedia, tal y como aparece en la Figura. JOSE GORJON 1-24 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. SIMBOLOGÍA(3) SIMBOLOGÍA(3) Información no útil o irrelevante en un bus: Cuando la información presente en un conjunto de líneas es irrelevante, es decir, no tiene interés para el fenómeno que se describe, se utiliza el símbolo indicado en la Figura JOSE GORJON 1-25 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. SIMBOLOGÍA(4 SIMBOLOGÍA(4)) Cambio de estado en una línea: Puesto que el tiempo de cualquier cambio de estado no es nulo, las subidas y bajadas de las señales, que en la realidad serían cercanas a una función exponencial, se representan mediante los trazos incluidos que aparecen en la Figura. JOSE GORJON 1-26 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. SIMBOLOGÍA(5) SIMBOLOGÍA(5) Cambio de estado en una línea en momento indeterminado: Si el instante de paso de cero (0) a uno (1) o de uno (1) a cero (0) no está determinado o es irrelevante, se señala el margen de tolerancia mediante un rayado, tal y como aparece en la Figura. JOSE GORJON 1-27 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Proceso Proceso de de lectura lectura de de una una memoria memoria RAM RAM JOSE GORJON 1-28 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Proceso Proceso de de Escritura Escritura JOSE GORJON 1-29 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria RAM RAM 2112 2112 (1) (1) Bus de direcciones A0-A7; el número de direcciones será: 28= 256 direcciones Bus de datos I/O0-I/O3;luego la longitud de la palabra es 4 Nº de bit capaz de almacenar 256x4=1.024 2 patillas típicas de alimentación Vcc - GND /CE :patilla de selección de chip R/W :patilla de lectura escritura que indica que es una memoria RAM JOSE GORJON 1-30 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria RAM RAM 2112 2112 (2) (2) Tipo RAM estática Organización 256x4 Tecnología NMOS Alimentación 5V Encapsulado:DIL 16 pines Compatible con tecnología TTL Disipación típica de potencia: 2112A = 225 mW 2112a-L = 150 mW Tiempo de acceso máximo: 2112A = 350 ns JOSE GORJON 1-31 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Tipos Tipos de de RAM RAM RAM estáticas (SRAM) RAM dinámicas (DRAM) Elemento de almacenamiento. Flip-flop Condensador Dimensión de la celúla Pequeña Muy Pequeña Grado de integración (Celdas por chip) Alto Muy alto Necesidad de refresco No Sí Velocidad de respuesta Muy Alta Media Precio JOSE GORJON Más bajo 1-33 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. SRAM SRAM bipolar bipolar Las células de memoria están constituidas por transistores multiemisor Tiene un alto consumo Alta velocidad JOSE GORJON 1-34 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. SRAM SRAM MOS MOS Ventajas Bajo consumo debido a los transistores MOS Alta densidad de integración Inconvenientes Velocidad de trabajo lenta Sensibilidad a la electricidad estática JOSE GORJON 1-35 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Tipos Tipos de de Memorias Memorias SRAM SRAM SRAM Burst (ráfaga) Permite trabajar a muy alta velocidad sobre bloques de direcciones. Posee un circuitería interna que direcciona la siguiente posición de memoria sin que la solicite el µP. Esto es válido solo para un bloque de posiciones de memoria consecutivas JOSE GORJON SRAM Pipeline (tubería) Mejora el modelo anterior. Posee un buffer especial que permite que la memoria reciba una nueva dirección antes de terminar el acceso anterior. 1-36 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria RAM RAM MCM514256A MCM514256A (1) (1) Pines de alimentación Vcc y Vss Patilla de /W, de donde podemos deducir que es RAM /CAS y /RAS se utilizan para el refresco, de donde deducimos que es una DRAM Bus de direcciones A0-A8, pero como las memorias DRAM tienen multiplexado el bus de direcciones , las 9 líneas equivalen A0-A17 ,es decir 218=262.144 direcciones Bus de datos D0-D3 es decir 4 bits 262.144x4 = 1.048.576 bits JOSE GORJON 1-37 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria RAM RAM MCM514256A MCM514256A (2) (2) Datos del Catálogo RAM dinámica Organización 256Kx4 Tecnología CMOS Alimentación +5V Encapsulado DIL 20 pines Compatible con tecnología TTL Consumo típico 80 mA Direccionamiento multiplexado Tiempo de acceso máximo 80 ns Período de refresco máximo 8 ms JOSE GORJON 1-38 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria RAM RAM MCM514256A MCM514256A (3) (3) Célula: • Si T1 se activa, la capacidad parásita de C se podrá cargar o no a través de la entrada, dependiendo que esta sea “1” o “0”. Si se carga T2 conduce • Para leer se activa T3, de manera que la tensión de C permitirá que T2 conduzca o no y por lo tanto sabemos si hay almacenado un “0” o un “1”. JOSE GORJON 1-39 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Tipos Tipos de de memorias memorias DRAM DRAM (1) (1) FPM RAM (Fast Page Mode RAM) Esta memoria DRAM esta diseñada para trabajar en modo paginado, es decir para accesos a bloques de memoria consecutivos. Su estructura solo difiere de las memorias DRAM convencional en que el decodificador de filas, mantiene validada la última dirección sobre la que se trabajo, de esta forma el acceso a direcciones de memoria consecutivas es muy rápido ya que solo hay que esperar la respuesta del multiplexor de columnas JOSE GORJON Memorias EDO RAM (Extended Data Out RAM) Son una variante de las memorias FPM RAM, que mediante la utilización de un buffer especial en su salida, las permite, por ejemplo, estar finalizando la lectura de un dato de la matriz y simultáneamente estar decodificando la dirección del siguiente dato a leer. 1-40 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Tipos Tipos de de memorias memorias DRAM DRAM (2) (2) Memorias BEDO (Burst EDO RAM): Es una variante de las memorias EDO RAM que mejora su velocidad mediante la inclusión, en el propio chip, de un contador de direcciones. Como en todos los tipos de DRAM estudiados solo mejoran su respuesta en accesos a direcciones de memoria consecutivas. JOSE GORJON Memorias SDRAM (Synchonous DRAM): Es el tipo de memoria DRAM mas moderno de los empleados hoy. Su estructura consta de dos o mas matrices, cuyo funcionamiento se organiza de forma que, mientras se esta realizando el acceso a una matriz, otra está preparando el siguiente acceso. Incorporan en su estructura todas las mejoras de las memorias DRAM estudiadas y son las más rápidas de las memorias DRAM. 1-41 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Asíncrona Asíncrona versus versus síncrona. síncrona. JOSE GORJON 1-42 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria ROM ROM 6830 6830 (1) (1) Dos pines de alimentación VDD y VSS. Cuatro pines de selección CS0, CS1, CS2 y CS3. No posee pin de R/W 10 líneas de bus de direcciones A0-A9 210 = 1.024 direcciones 8 líneas de bus de datos D0D7 1.024x8 = 8.192 bits JOSE GORJON 1-45 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria ROM ROM 6830 6830 (2) (2) Información del catálogo Tipo : ROM Organización 1.024x8 Tecnología NMOS Alimentación +5V Compatible con lógica TTL Consumo máximo 130 mA Tiempo de acceso máx: 68B30A = 250 ns JOSE GORJON 1-46 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Tipos Tipos de de memoria memoria ROM ROM JOSE GORJON 1-47 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-48 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-49 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-50 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-51 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-52 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-53 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-54 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-55 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-56 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria EPROM EPROM 27C64A 27C64A (1) (1) Dos pines de alimentación VCC y GND. Cuatro pines especiales: Vpp, /PCG, /OE y /CE. Al no poseer patilla de R/W podemos asegurar que es un tipo de memoria ROM La patilla PGM delata que es una memoria EPROM o PROM. Bus de direcciones A0-A12 213 = 8.192 direcciones Bus de datos 8 bits, D0-D7 8.192x8 = 65.536 bits JOSE GORJON 1-58 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memoria Memoria EPROM EPROM 27C64A 27C64A (2) (2) Información del catálogo Tipo EEPROM Organización 8.192 x 8 Tecnología NMOS Alimentación 5V Encapsulado DIL 28 pines Compatible con tecnología TTL Consuma máximo 20 mA JOSE GORJON 1-59 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Memorias Memorias “habituales” “habituales” en en los los Sistemas Sistemas Microprocesadores Microprocesadores JOSE GORJON 1-60 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Expansión Expansión de de la la longitud longitud de de palabra palabra almacenada almacenada :: Memoria Memoria de de 1K 1K xx 8 8 bits bits con con pastillas pastillas de de 1Kx4 1Kx4 bits bits JOSE GORJON 1-62 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Expansión Expansión del del número número de de posiciones: posiciones: Memoria Memoria de de 4K 4K x4 x4 bits bits con con pastillas pastillas de de 1Kx4 1Kx4 bits bits JOSE GORJON 1-63 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Expansión Expansión del del número número de de posiciones posiciones yy del del tamaño tamaño de de palabra: palabra: Memoria Memoria de de 2K 2K x8bits x8bits con con pastillas pastillas de de 1Kx4 1Kx4 bits bits JOSE GORJON 1-64 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Mapa Mapa de de memoria memoria de de un un sistema sistema microprogramado microprogramado JOSE GORJON 1-65 Actividad Implementación con decodificadores el mapa de memoria anterior. JOSE GORJON 1-66 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Decodificador Decodificador de de 3 3 aa 8 8 líneas líneas yy las las posiciones posiciones de de memoria memoria que que direcciona direcciona JOSE GORJON 1-67 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Doble Doble decodificador decodificador de de 2 2 aa 4 4 líneas líneas yy las las posiciones posiciones de de memoria memoria que que direcciona direcciona JOSE GORJON 1-68 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Implementación Implementación con con decodificadores decodificadores del del mapa mapa de de memoria memoria JOSE GORJON 1-69 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-70 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-71 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-72 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. JOSE GORJON 1-73 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Supongamos una PDA que puede direccionar hasta 8GB, y que disponemos de los siguientes tipos de bloques de E/S (Entrada/salida o I/O) y/o memorias: 64kB en dispositivos de E/S, situado en las primeras posiciones, 256MB de memoria principal SDRAM, hasta 4GB memoria externa a través de tarjeta SD, y 512MB de memoria FLASH donde se instala el SO que estará situado en las ultimas direcciones de memoria. JOSE GORJON 1-74 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Recursos: Recursos: Si se utilizan los siguientes chips de memoria y circuitos combinacionales: Chip SDRAM de 128MB. Chip FLASH de 128MB. JOSE GORJON 1-75 UD-9 Análisis y diseño de circuitos con memorias. Se Se pide: pide: Dibuja el mapa de memoria detallado (2ptos). Calcula y refleja en el mapa donde empiezan y acaban cada bloque y cada una de las memorias. (4ptos) Diseña el circuito de selección (4 ptos) utilizando los siguientes dispositivos lógicos y puertas lógicas discretas. JOSE GORJON 1-76 Mapa de Memoria 8GB Direcciones (Hex) A32 A31 A30 Contenido Direcciones Componentes (Hex) 1GB 0 0000 0000h 000 E/S (64KB) 0 0000 0000h 0 0000 FFFFh 0 3FFF FFFFh 1GB 0 4000 0000h A29 A28 Libre 001 0 7FFF FFFFh RAM1 (128MB) 0 4000 0000h 0 47FF FFFFh 00 RAM2 (128MB) 0 4800 0000h 0 4FFF FFFFh 01 Libre 1GB 0 8000 0000h 0 BFFF FFFFh 010 1GB 0 C000 0000h 0 FFFF FFFFh 011 1GB 1 0000 0000h 1 3FFF FFFFh 100 1GB 1 4000 0000h 1 7FFF FFFFh 101 1GB 1 8000 0000h 1 BFFF FFFFh 110 Libre 1 8000 0000h 1 BFFF FFFFh 1GB 1 C000 0000h 111 Libre 1 C000 0000h ROM1 (128MB) 1 E000 0000h 1 E7FF FFFFh 00 ROM1 (128MB) 1 E800 0000h 1 EFFF FFFFh 01 ROM1 (128MB) 1 F000 0000h 1 F7FF FFFFh 10 ROM1 (128MB) 1 F800 0000h 1 FFFF FFFFh 11 SD (Hasta 4GB) 0 8000 0000h 1 7FFF FFFFh 1 FFFF FFFFh U4 E/S CE D[7-0] A[16-0] E/S U3 CE OE WE 2 3 1 U1 A32 A31 A30 1 2 3 6 4 5 A B C G1 G2A G2B Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 A B G D[7-0] A[27-0] SDRAM U5 U2A A29 A28 SDRAM Y0 Y1 Y2 Y3 4 5 6 7 74LS139 U11 2 3 1 4 5 CE OE WE SDRAM D[7-0] A[27-0] SDRAM U6 CE OE WE SD D[7-0] A[32-0] AND4 SD U7 74LS138 1 CE OE FLASH U12 NAND2 D[7-0] A[27-0] 3 2 FLASH U8 CE OE FLASH D[7-0] A[27-0] #WR FLASH U9 #RD CE OE FLASH D[7-0] A[27-0] U2B A29 A28 14 13 15 A B G Y0 Y1 Y2 Y3 12 11 10 9 FLASH U10 CE OE FLASH 74LS139 FLASH D[7-0] A[27-0]