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Diseño de Sistemas I: Sistemas de Memoria

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SISTEMAS DE MEMORIA

1. Introducción. Los sistemas digitales tienen la ventaja sobre los analógicos de poder almacenar fácilmente grandes cantidades de información digital durante periodos de tiempo largos o cortos, de esto nace la adaptabilidad de los mismos a toda clase de situaciones, y por eso su campo de aplicación es cada vez mayor. Dicho almacenamiento se realiza en los diversos tipos de memorias existentes, las cuales se construyen en su mayoría de elementos semiconductores (del tipo bipolares y MOS) y donde gracias a las tecnologías LSI (alta escala de integración) y VLSI (muy alta escala de integración), se dispone de circuitos integrados que poseen grandes cantidades de elementos de este tipo en forma de FF, los cuales se usan extensamente por su alta velocidad de operación. Las memorias de semiconductores se usan como la memoria principal interna de una computadora, donde se requiere de alta velocidad. Esta memoria se comunica constantemente con la unidad central de procesamiento (CPU) mientras esta ejecuta algún programa, pues el mismo así como los datos, se encuentran en ella. Entre sus funciones se destaca lo siguiente:

• La memoria contiene los programas que se ejecutan en el computador o sistema programado, y los datos sobre los que trabajan dichos programas.

• La memoria es un elemento sencillo, sin embargo, presenta una gran diversidad de tipos, tecnologías, estructuras, prestaciones y costos.

• Un computador dispone de una jerarquía de elementos de memoria donde algunos están localizados internamente en el propio microprocesador, y otros están localizados externamente.

2. Definiciones y conceptos. Celda de memoria: circuito eléctrico utilizado para almacenar un solo bit, puede ser un FF o un capacitor. Byte: Este es un término muy común y que representa un grupo de 8 bits. Palabra de memoria: Grupo de bits o celdas en una memoria y que representan datos o instrucciones de algún tipo y que pueden ser 4,8 o 16 bits. Actualmente se especifica una palabra como una agrupación de 16 bits (2 bytes), también hay dobles palabras (Double-Word) de 32 bits. Hay también palabras cuádruples (Quad-Word) de 64 bits. Dirección: Es un número que identifica la localidad de una palabra en la memoria. Cada palabra almacenada posee una única dirección. Esta Dirección se suele dar con un número binario, aunque por facilidad se hace en octal o hexadecimal. Operación de lectura: Es el proceso en el cual la palabra binaria de cierta dirección de memoria es captada y transferida a otro dispositivo. Se le conoce también como extracción (fetch). Operación de escritura: Proceso en el cual se coloca una palabra en cierta posición de memoria. Siempre que se escribe una palabra nueva, esta reemplaza a la que estaba con anterioridad. Tiempo de acceso: Es una medida de la velocidad del dispositivo, es el tiempo requerido para realizar una operación de lectura, suele ser de nanosegundos y se simboliza como T acc. Dispositivos de memoria estática: memorias de semiconductores donde los datos almacenados se quedan permanentemente en tanto se aplique energía, no se necesita reescribir periódicamente los datos. Dispositivos de memoria dinámica: En estos se necesita reescribir los datos porque de otra forma se pierden, aún con la energía aplicada. Memoria volátil: Es la memoria que requiere el suministro de energía para almacenar la información, cuando se retira la energía los datos se pierden. Muchas de las memorias de semiconductores son volátiles mientras que las memorias del tipo magnético no lo son


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2.1. Requisitos de las memorias. Un sistema de memoria debe disponer de los siguientes elementos: • Medio o soporte. Deberá disponer de un elemento donde se almacenen estados diferentes

que codifiquen la información. • Transductor. Es un elemento que permite convertir una energía en otra, es decir, transformar

magnitudes físicas a eléctricas (sensor) o magnitudes eléctricas a físicas (actuador) para poder realizar las operaciones de escritura o lectura.

• Mecanismo de direccionamiento. Dispone de un procedimiento para L/E (lectura y escritura) de información en el lugar y tiempo deseados.

2.2. Características de las memorias. Las características más importantes de las memorias son: • Localización. • Capacidad. • Unidad de transferencia. • Método de acceso.

• Velocidad. • Dispositivo físico. • Aspectos físicos

2.2.1. Localización. Dependiendo de dónde esté ubicada físicamente la memoria se distinguen tres tipos: • Memoria interna del procesador. Memoria de alta velocidad utilizada de forma

temporal, por ejemplo, en el banco de registros del propio microprocesador. • Memoria interna. Es la Memoria Principal y es más rápida que la secundaria, por

ejemplo, y es donde se guardan las instrucciones y datos con los que el CPU trabaja, y está constituida por dispositivos semiconductores

• Memoria externa. Es la Memoria Secundaria y es más lenta que la principal, y no es volátil pues emplea dispositivos como cintas y discos magnéticos (va vía elementos de I/O y periféricos); se emplea para almacenar grandes cantidades de información, por ejemplo, unidades zip, CD’s y DVD’s.

2.2.2. Capacidad. La capacidad es la cantidad de información que puede almacenar el sistema de memoria y se mide en múltiplos de bit, así se especifican cuántos bits pueden almacenarse en un dispositivo de memoria, o en un sistema completo.

Suponga que una memoria almacena 4096 palabras de 20 bits cada una, en total se van a almacenar 81 920 bits. También se puede expresar la capacidad como 4096 X 20, donde el primer término es el número de palabras y el segundo los bits por palabra. A menudo se usa la expresión de estas palabras en múltiplos de 1024, lo que en digital se llama 1K y que representa 2 10. Por tanto una memoria de 4K X 20 es una de 4096 X 20. Los distintos múltiplos y unidades de capacidad son los siguientes: 1 bit 1 Mb = 1024 Kb = 220 bits 1 nibble = 4 bits 1 Gb = 1024 Mb = 230 bits 1 byte = 1 octeto = 8 bits 1 Tb = 1024 Gb = 240 bits 1 Kb = 1024 bits = 210 bits

2.2.3. Unidad de transferencia. Es igual al número de líneas de datos de entrada y salida del módulo de memoria. • Palabra. El tamaño de la palabra es generalmente igual al número de bits utilizados

para representar un número entero y la longitud de una instrucción. Depende del número de líneas con el que esté trabajando en la memoria.


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2.2.4. Método acceso. Es la forma de localizar la información en memoria. Existen diversos tipos: • Acceso secuencial (SAM: Sequencial Access Memory). Se emplea por ser de gran

capacidad de almacenamiento, por ejemplo, cintas de audio. El tiempo de acceso variable.

• Acceso directo (DAM: Direct Access Memory). Es una memoria en la que primero se produce un acceso directo a un bloque y luego uno secuencial hasta la posición deseada, por ej. los discos magnéticos.

• Acceso aleatorio (RAM: Random Access Memory). Acceso directo a cada posición con igual tiempo de reacción.

• Acceso asociativo (CAM: Content Addressable Memory). Acceso directo a cada posición con el mismo tiempo de reacción buscando por coincidencias (ο... aleatorio) tiempo de acceso constante, por ej. memoria cache.

2.2.5. Velocidad. Para medir el rendimiento se utilizan tres parámetros: • Tiempo de Acceso (TA). Según el tipo de memoria que se trate Se tienen dos tipos

de TA: - Si se trata de una aleatoria como la RAM: tiempo que transcurre desde el instante

en el que se presenta una dirección a la memoria hasta que el dato, o ha sido memorizado, o está disponible para su uso (es decir, desde que se da la dirección hasta que se realiza la operación de L/E en memoria).

- Si es otra memoria como la CAM o la SAM: tiempo que se emplea en situar el mecanismo de L/E en la posición deseada, es decir, tiempo que tarda en el registro.

• Tiempo de Ciclo de memoria (TC). Tiempo que transcurre desde que se da la orden de una operación de L/E hasta que se puede dar otra orden de L/E porque sino no se le da tiempo a responder, crearía un “tiempo muerto” que debe ser lo menor posible.

Gráficamente el TA y el TC se pueden representar cómo funcionan a través del tiempo de la siguiente figura:

TC tiempo

TA

petición lectura información disponible próxima petición • Velocidad de Transferencia (VT). Es la velocidad a la que se pueden transferir datos

a, o desde, una unidad de memoria. Según el tipo de memoria existen dos casos de velocidad:

- En el caso de acceso aleatorio : VT = 1 / TC - En el caso de acceso de no aleatorio: TN = TA + ( N / VT ) Donde:

TN : Tiempo medio de L/E de N bits: tiempo de disponibilidad de datos. TA : Tiempo de acceso. N: número de bits. VT : Velocidad de transferencia (bits / segundo).

2.2.5. Dispositivo físico. Los sistemas de memorias empleados en sistemas computacionales utilizan diferentes dispositivos físicos. Actualmente los tipos más usados son: • Para la memoria principal se utilizan memorias semiconductoras.


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• Como memoria secundaria, ya que responden a la necesidad de almacenar grandes cantidades de información, se emplean: Memorias magnéticas, cintas, discos, etc., y sistemas ópticos.

2.2.6. Aspectos físicos. Las principales características físicas a tener en cuenta para trabajar con determinados tipos de memoria son: • Permanencia de la información. Relacionado con la duración de la información

almacenada en memoria: - Lectura destructiva. Memorias de lectura destructiva DRO (Destructive Read

Out) y memorias de lectura no destructiva NDRO (Non Destructive Read Out). - Volatilidad. Esta característica hace referencia a la posible destrucción de la

información almacenada en un cierto dispositivo de memoria cuando se produce un corte en el suministro eléctrico. Hay memorias volátiles y no volátiles.

- Almacenamiento estático/dinámico. Una memoria es estática SRAM (Static Random Access Memory) si la información que contiene no varía con el tiempo. Una memoria es dinámica DRAM (Dynamic Random Access Memory) si la información almacenada se va perdiendo conforme transcurre el tiempo; para que no se pierda el contenido habrá que recargar o refrescar la información.

2.3. Jerarquía de las memorias. Una serie de parámetros fundamentales caracterizan los tipos de memorias del computador: • Costo monetario. • Velocidad. La memoria no debería provocar estados de espera al procesador. • Capacidad. La configuración ideal de una memoria sería: memoria rápida, de gran capacidad y poco costo. No hay que utilizar un solo tipo de memoria, sino emplear diferentes tipos de memoria, es decir, utilizar una jerarquía de memoria. Ésta podría representarse en la siguiente pirámide: + Costo Memoria Velocidad Interna Nº accesos - - Memoria Capacidad Externa + Si bajamos hacia los niveles inferiores de la jerarquía ocurre que: • El costo por unidad de información (bit) disminuye. • La capacidad aumenta. • El tiempo de acceso aumenta. • La frecuencia de accesos a la memoria por parte de la CPU disminuye.

Registros del CPU

Memoria Cache

Memoria Principal

Memoria Cache de Disco

Unidad de Disco

Cinta / Zip drive / etc.


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3. Memoria principal semiconductora.

3.1. Tipos de memorias. Dependiendo del tipo de operación que se puede realizar en una memoria distinguimos los siguientes tipos: • Memorias de sólo lectura:

Están constituidas de semiconductores y están diseñadas para retener datos permanentes o que no cambian con frecuencia. En algunas ROM los datos se colocan de fábrica, otras no pueden alterar los datos que están en ellas, y otras pueden borrarse y reprogramarse. Las ROM se usan principalmente para almacenar programas de arranque en las microcomputadoras, y como todas son no volátiles no se pierde información cuando se apaga el dispositivo: En una computadora, la memoria ROM la constituye el BIOS, que es donde se configuran partes básicas, como la cantidad y configuración de discos duros y otros, y es la que se encarga de inicializar y verificar el sistema en general. Además se usan para almacenar tablas de datos (como las trigonométricas), o en convertidores de códigos. El mismo principio se aplica en otros sistemas controlados por microprocesador, en sistemas de seguridad, procesos industriales, etc

Arquitectura básica de una ROM

A continuación se detallan varios tipos de memorias ROM.


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MASK ROM (Read Only Memory). Son las programadas de fábrica, según especificaciones del cliente. Su adquisición es por grandes cantidades y su utilidad radica en ciertas computadoras y dispositivos para almacenar programas básicos de operación.

PROM (Programmable Read Only Memory). El proceso de escritura se lleva a cabo

eléctricamente y puede realizarlo el suministrador o el cliente con posteridad a la fabricación del chip original, a diferencia de la ROM que se graba cuando se fabrica. La memoria PROM permite una sola grabación y es más cara que la ROM.

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) Mediante corriente

eléctrica permite su escritura varias veces. Sin embargo, mediante rayos ultravioleta se elimina todo su contenido. Este tipo de memoria es más cara que la memoria PROM. Puede programarse por el usuario, así como borrarse y reprogramarse las veces necesarias. Una vez programada los datos permanecen indefinidamente, pues es memoria no volátil. Para programar estas memorias se requiere de un sistema aparte de la memoria, que aplica voltajes especiales, durante tiempos preestablecidos (cerca de 50 ms) y que se encarga de colocar además, los datos que van a ser grabados: este dispositivo es un programador que generalmente se opera desde una computadora.

En esta memoria las celdas de almacenamiento son transistores especiales del tipo MOSFET, que tienen una compuerta (GATE) de silicio sin ninguna conexión eléctrica, o sea flotante. El estado normal del transistor es apagado, es decir guardando un 1 lógico. El transistor puede encenderse con un pulso de programación de alto voltaje (10v -25v) el cual inyecta electrones de alta energía en la región formada por la compuerta flotante. Dichos electrones permanecen en esta región una vez finalizado el pulso, ya que no existe un camino de descarga, permaneciendo el transistor encendido por lo que la celda tiene ahora un 0 lógico. Estas memorias tienen una ventana de vidrio por la cual entra luz, si es luz ultravioleta se produce una fotocorriente que descarga la compuerta de cada transistor a tierra con lo que se apaga. Este proceso dura de 10 a 20 minutos. Hay que aclarar que el proceso de borrado es total, no se puede seleccionar alguna celda en particular. Hasta hace muy poco, e incluso aún se usan en muchas tarjetas madre nuevas, se emplea la EPROM para colocar en ella el BIOS, pero los últimos desarrollos llevan a usar otro tipo de memoria ROM, la Flash, que luego se verá. En el mercado hay una gran variedad disponible en diversas capacidades y tiempos de acceso (de 128 K X 8 y Tacc de 4 ns). Las EPROM se distinguen por el número 27, por ejemplo la 2732, la cual es una memoria de 4K X 8 NMOS. Puede ser una 2716 que equivale a una de 2K X 8, o una 2764 o 27128. Retomando la 2732 es una memoria de +5v de alimentación, y su diagrama de patillas es el siguiente:

El tiempo de programación es de 50 ms. La lectura se hace colocando primero la dirección en la memoria (bus), luego se habilita el chip (CE = 0), así como el Output Enable (OE), y luego de algunos ns aparece el dato en la salida (bus).Para la programación, primero se aplica la dirección en que se desea programar,


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al mismo tiempo se aplica en la terminal OE/Vpp el pulso de 21v e inmediatamente se pone el dato a escribir en las terminales Do - D7. Por último se aplica un pulso bajo en CE con una duración de 50 ms.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). El principio es el mismo de las EPROM (compuerta flotante), o sea la inducción de un alto voltaje (21v por ej.) entre G y S del MOSFET, que produce la corriente que antes se explicó.

La inversión del alto voltaje produce la eliminación de las cargas capturadas de la G flotante con lo que se borra la celda. Esta memoria se inventó como mejora de la EPROM en 1980 pues tiene ventajas sobre ella: • Rapidez de borrado (aprox. 1s) • Se pueden seleccionar determinadas posiciones de memoria para ser borradas • Requiere un pulso de programación de 10 ms El número con el que se identifican estas memorias es el 28, por ejemplo la 2816 es una 2K X 8, o la 2864 cuyo diagrama de patillas es el siguiente:

• Memorias de Acceso aleatorio para L/E:

Esta es una memoria en la que se puede escribir y leer datos donde el acceso ellos es totalmente aleatorio. Su uso principal es el de almacenar datos o programas en forma temporal ya que se trata de una memoria volátil. El contenido de muchas localidades de la memoria es leído o escrito con forme la computadora ejecuta el programa. Su ventaja radica en los procesos de escritura y lectura los que se pueden realizar con gran rapidez y facilidad. Principalmente las hay de dos tipos, la RAM estática (SRAM) y la RAM dinámica (DRAM):

SRAM (Static Random Access Memory). Es una memoria de R/W (Lectura/Escritura) cuyo dispositivo básico de construcción es el FF, se le denomina SRAM y almacena los datos siempre que se aplique energía al circuito. Estas memorias están disponibles tanto en tecnología bipolar como MOS. Las bipolares tienen la ventaja de la velocidad y los MOS tienen la ventaja del bajo consumo de potencia.

De este tipo de memoria RAM es de la que se constituye la memoria caché, en las computadoras actuales, y es la que se encuentra entre la memoria principal y el microprocesador. La caché se encarga de mantener copias de datos y códigos que son frecuentemente solicitados a la memoria principal, por el microprocesador, y como se encuentra tan cercana a él, la caché actúa como un acelerador en la ejecución de un programa. Se organiza internamente como una matriz de celdas de memoria de n x m, donde n es el número de palabras que puede almacenar el chip de memoria y m es el número de bits por palabra.


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Un ejemplo: Diseñe una memoria de 4K x 8 RAM ( 4K palabras cuyo ancho de palabra es de 8 bits) La memoria tiene en total: • 4K = 4 · 210 = 4 · 1024 = 4096 palabras = n palabras que son 4096 direcciones o posiciones de memoria y • 8 bits = m bits de ancho de palabra • Necesita por tanto un bus de direcciones de 12 líneas y un bus de datos 8 bits. Gráficamente el chip de memoria tendría esta distribución:

Contenido de la palabra 0 de

Direcciones Contenido memoria la memoria

Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

.... .... .... .... .... .... .... ....

m bits

Memoria de 4K x 8

La interconexión de un chip de memoria se realiza a través de sus patillas: • n patillas para el bus de direcciones, donde se podrá direccionar 2n palabras. • m patillas para el bus de datos indicando que en cada acceso se trabajará con un ancho de palabra de

m bits. • W/R (Write/Read). Esta patilla indica el tipo de operación a realizar: lectura o escritura. También

existen chips que disponen de una patilla para escritura WE (Write Enable) y otra para la lectura OE (Output Enable).

• CS (Chip Select) o CE (Chip Enable). Selecciona el chip de memoria al cual se accede. • Vcc Alimentación del chip y Vss Conexión a tierra.

La pastilla tiene la siguiente configuración: Vcc

Vss n

BUS DATOS BUS DIRECCIONES m

CS R/W

Para el correcto funcionamiento de la memoria, que se rige por una tabla de verdad, es necesario incorporar una circuitería adicional como son decodificadores, multiplexores, buffers, etc. En las siguientes figuras se muestran estos bloques combinacionales así como la tabla de verdad de la memoria:

ENTRADAS SALIDA

___ CE

___ WE

___ OE

Chip

H X X Z L H L Lectura L L X Escritura L H H Power Down / Z

0 1

.... 4094 4095

n palabras

Chip de

Memoria


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___ CE ___ ······················ WE ___ OE

······················

A12 A11 D7 ···· ······ ···· ···· ······ ···· D0 A5 A4 ·············· ···· A0

CIRCUITO DE LA MEMORIA

Otro ejemplo de una arquitectura simplificada de una RAM de 64 palabras de 4 bits:

LÓGICA DE

CONTROL

DE CO DI FI CA FI DO LA R S

DECO –DIFICA-DOR COLUMNAS

BUFFER ENTRADA

MATRIZ

DE MEMORIA

DE 256x32x8

B U S F A F L E I R D S A


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Posee direcciones desde O a 63, por lo que se ocupa un código de selección de 6 dígitos. Cada código activa una determinada salida del decodificador que a su vez habilita el registro que le corresponde. Con R/W y CS se dispone la lectura o escritura de cualquier posición de la memoria. Si el CS está activo la memoria se puede usar, de otra forma se encuentra en tercer estado (stand by). Cuando el R/W es 1 el circuito de salida se activa, permitiendo que el contenido del registro elegido esté en la salida de datos de la memoria, de lo contrario se activa el circuito de escritura. Tiempos en las terminales para la operación de lectura:

Tiempos en las terminales para la escritura:

Entre las memorias SRAM se encuentran la memoria CMOS 6264, que es una memoria de 8Kx8 (donde la nomenclatura es igual a la empleada en las memorias EPROM), con ciclos de lectura y escritura de 100ns. Posee dos CS (uno activo en bajo y el otro en alto) y salidas de tercer estado. Otra memoria es la TSM4016 de 2Kx8 o la 62256 que es una memoria de 32Kx8.

DRAM (Dynamic Random Access Memory). Es una memoria que mantiene los datos durante un tiempo determinado (2ms), luego del cual se pierden, por eso requieren un proceso refrescamiento periódico para no perder la información. Se constituye de pequeños capacitores MOS de unos cuantos picofaradios. Posee una densidad de información cuatro veces mayor que las estáticas, aunque poseen una velocidad media menor que la SRAM.


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La memoria principal de las computadoras actualmente es de este tipo. Al igual que los otros tipos de memorias, se constituyen de un arreglo matricial de celdas con capacidad de un bit, cada una. El circuito interno de las DRAM automáticamente refresca los contenidos de las celdas. Organización de una DRAM:

Se aprecia una matriz de celdas así como dos señales de control importantes, provenientes del microprocesador: RAS (Row (fila) Addres Strobe) y CAS (Column Addres Strobe). El contenido de la dirección correspondiente a la celda que se quiere leer o escribir, forma los datos de filas y columnas, que el procesador envía.

Esta es una vista tridimensional de la matriz de celdas, además se ve como la dirección (address) es la que genera el dato de fila y columna, para seleccionar la celda requerida.

Las memorias RAM, que se usan en la actualidad en las computadoras con microprocesadores de 64 bits en el bus de datos, se construyen en pequeñas tarjetas denominadas DIMM (Dual In-line Memory Module), que sustituyeron a las memorias SIMM (Single In-line Memory Module). Los DIMM, traen diversas capacidades y tiempos de acceso. Con la aparición del microprocesador Pentium, las memorias centrales evolucionaron de forma notable. Como resultado es que se desarrollaron los módulos DIMM (168 contactos) de 64 bits. A continuación tenemos una tabla resumen:

TIPO CLASE BORRADO ESCRITURA VOLATILIDAD RAM Lectura / Escritura Eléctricamente por bytes Eléctricamente Volátil ROM Sólo lectura No Mediante

máscaras No volátil

PROM Sólo lectura No Eléctricamente No volátil EPROM Sobre todo lectura Luz violeta, chip

completo No volátil

FLASH Sobre todo lectura Eléctricamente por bloques

Eléctricamente ´´

EEPROM Solo todo lectura Eléctricamente por byte ´´


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3.2. Mapa de memoria. Es el espacio que puede direccionar un computador. Con el mapa de memoria se indica al procesador dónde empieza y dónde acaba la memoria así como el tipo de memoria empleado. Para saberlo en la memoria he de saber por el chip: • ¿Cuántas líneas se necesitan para el bus de direcciones? Determinando la capacidad total de direccionamiento del microprocesador, si son m líneas se tienen las posiciones de memoria desde 0 hasta 2m –1 (en hexadecimal o binario). Ej: Un computador con memoria de 64K x 8 → 64K palabras cuyo ancho de palabra es de 8 bits. La memoria tiene en total: • 64K = 64 · 210 = 26 · 210 = 216 palabras → n = 16 bits para el bus de direcciones. • 2n = 216 posiciones de memoria, codificadas en hexadecimal, que van desde la 0 hasta la 216 - 1 bit, o bien en hexadecimal desde la 0000h hasta la FFFFh. La implementación física del mapa de memoria se realiza utilizando uno o varios chips de memoria. En el mercado se encuentran diferentes configuraciones de chips de memoria: zKx1, zKx4, zKx8, zKx16, zKx32, zMx1, zMx4, zMx8, zMx16, zMx32, etc. donde z es un múltiplo de 2. Así, por ejemplo, un chip de 1Kx8 indica que puede almacenar 1024 palabras de 8 bits cada una, o bien, 1024 posiciones de memoria cada una con una longitud o ancho de palabra de 8 bits. Para diseñar una memoria de n bits disponiendo de chips de t bits, se necesitan n / t chips en paralelo para alcanzar el ancho de palabra deseado. Por ejemplo, para diseñar una memoria de 64Kbytes (n = 8) y sólo se dispone de chips de 64Kx4 (t = 4), entonces se necesitan 2 chips (8 / 4). Un arreglo de esos chips sería tal y como se muestra en las figuras siguientes:


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