Así es como la CPU accede a la memoria RAM tan rápidamente

Así es como la CPU accede a la memoria RAM tan rápidamente

Josep Roca

Sí alguna vez te has preguntado cual es el proceso que sigue un procesador y la RAM que tiene asignada para obtener los datos y las instrucciones que ha de ejecutar entonces estas de suerte, porque en este artículo te vamos a explicar en que consiste este proceso de comunicación entre los que son los dos elementos más importantes de un PC se comunican entre si.

En este articulo no os vamos a explicar que tipo de memoria RAM es mejor ni tampoco las especificaciones de cada una, pero se comunica un procesador con esta para poder ejecutar los programas.

El motivo por el cual utilizamos memoria externa es porque la cantidad de transistores necesarios para almacenar la información no cabrían en el espacio de un procesador, es por ello que es necesario el uso de memorias RAM externas al procesador que almacenen las instrucciones y los datos que se van a ejecutar.

¿Por qué un procesador necesita comunicación con la RAM?

Fetch Process

La etapa en la que la CPU toma la siguiente instrucción a ejecutar desde la memoria RAM se le llama “Fetch” y es una de las tres etapas que componen un ciclo de instrucción: Fetch-Decode-Execute, de las cuales solo hablaremos en este artículo de la primera, mientras que las otras dos las dejaremos para otra ocasión ya que en ellas no interviene la memoria RAM, excepto para escribir de vuelta el resultado.

Todo procesador dispone de una serie de registros conectados entre si que sirven para captar la siguiente instrucción, son los siguientes:

  1. Program Counter: El PC apunta a la siguiente línea de memoria donde se encuentra la siguiente instrucción del procesador. Se incrementa en 1 su valor cada vez que se termina un ciclo completo de instrucción o cuando una instrucción de salto cambia el valor del contador de programa.
  2. Memory Address Register: El MAR copia el contenido del PC y lo envía a la RAM a través de los pines de direccionamiento de la CPU, los cuales están cableados con los pines de direccionamiento de la RAM.
  3. Memory Data Register: Si la instrucción es de lectura, entonces la RAM transmitirá a través de su bus de datos el contenido de la dirección de la memoria a la que apuntaba el MAR.
  4. Instruction Register: La instrucción es copiada al registro instrucción, desde donde la unidad de control la descifrará para saber como ha de ejecutar la instrucción.

¿Qué es la memoria DRAM?

bitcell

El tipo de memoria utilizada para la RAM, tanto como RAM del sistema como RAM de video o VRAM, es la memoria DRAM o 1T-DRAM. En este tipo de memoria cada bit se almacena en la combinación producto de un condensador y un transistor, en vez de hacerlo en varios transistores como la SRAM, de ahí el nombre de 1T-DRAM.

Todas las memorias RAM que se utilizan actualmente en el PC: DDR4, GDDR6, HBM2e, LPDDR4, etc. Son memorias del tipo DRAM, mientras que las memorias internas de los procesadores, caches registros y scratchpads, son del tipo SRAM.

Dicha combinación de un condensador y un transistor es llamada bitcell, cuando el condensador del bitcell esta cargado entonces se interpreta que la información que contiene ese bit cell es un 1, cuando no esta cargado entonces se interpreta que es un 0.

DRAM Array

Los bitcells se organizan en una matriz donde para acceder a ellos se utiliza los pins de direccionamiento de la siguiente manera:

  • La primera mitad de los bits seleccionan la fila a la que queremos acceder
  • La segunda mitad de los bits de direccionamiento contienen la columna a la que queremos acceder,

Para ello entre la matriz de bitcells y el bus de direccionamiento existe un decodificador binario que permite seleccionar el bitcell adecuado.

Los pines de contacto para la comunicación con la RAM

modulo memoria RAM

Para acceder a la RAM, la CPU utiliza una serie de pines que le permiten acceder al contenido de la misma e incluso modificarlo. Para ello primero necesita localizar donde se encuentran los datos o donde queremos manipularlos, y luego transmitir esta en una dirección concreta. Para ello se utilizan dos tipos de pines distintos.

  • Pines de direccionamiento: Normalmente marcado de la A0 a AN, donde N es la cantidad de pines y equivale a la cantidad de bits de direccionamiento, el cual es siempre de 2^N.
  • Pines de datos: Es por donde los datos se transmiten desde y hacía la memoria RAM.
  • Write Enable: Si el pin esta activo la transferencia de datos se hace en dirección hacía la memoria, escritura, en cambio si no esta activo se hace en sentido al procesador, lectura.

Si nuestro sistema tiene varios chips de memoria RAM entonces los primeros bits del direccionamiento se utilizan para seleccionar a cual de los chips de memoria queremos acceder dentro del módulo de memoria DIMM. También han existido casos donde los pines de direccionamiento y datos son los mismos. Esto es debido a que el direccionamiento y el acceso a los datos no se realiza simultaneamente.

Pero para entender como funciona el direccionamiento de manera más precisa entonces hemos de dar un repaso a una pieza básica de la electrónica, el decodificador binario.

El decodificador binario y su papel en la comunicación con la RAM

Decodificador BinarioEl decodificador binario es una pieza de electrónica muy común, consisten en que a partir de una entrada de n bits se selecciona una entrada entre 2^n posibilidades distintas. Se construye colocando n puertas NOT a 2^n puertas AND.

En la memoria RAM el direccionamiento se transmite en dos ciclos: primero se envía la fila a la que se quiere acceder y luego la columna, en vez de hacerlo simultáneamente.

El motivo de esto esto tiene una explicación muy simple: imaginad que tenéis un procesador con 16 bits de direccionamiento conectado a un solo chip de memoria RAM. Si el decodificador binario fuese de 16 bits entonces serían necesarios 16 puertas NOT y 65536 puertas AND. En cambio, un decodificador binario de 8 bits tiene 8 puertas NOT y 256 puertas AND, mucho más fácil de implementar.

Este es el motivo por el cual el direccionamiento a la RAM se hace en dos étapas.

Bancos de Memoria

Bancos Memoria

Los datos en la RAM no se almacenan de manera sucesiva, sino en diferentes bancos dentro del mismo chip, cada uno de los bancos contiene una matriz de bitcells, pero si queremos transmitir por ejemplo n bits de datos necesitaremos n matrices de bitcells donde cada una de ellas está conectada a un pin del bus de datos.

El uso de múltiples bancos, en un mismo chip de memoria, permite seleccionar varios bits al mismo tiempo con un solo acceso a la memoria, ya que todos los bancos comparten el direccionamiento. Por lo que si tenemos 8 bancos de memoria seleccionar un bitcell en concreto acabará haciendo que se transmitan los datos hacía y desde los 8 bancos de memoria al mismo tiempo.

El tamaño estándar de los bancos en las memorias RAM es de 8 bits, de ahí a que la memoria máxima en el direccionamiento siempre se cuente como 2^n bytes. En realidad los buses de 16, 32, 64 bits, etc. Lo que hacen es transmitir los datos de varias direcciones de memoria sucesivas empezando desde la primera.

Comunicación entre la RAM y la CPU

Pistas PCB

La comunicación entre la CPU y la RAM depende de que se haga de manera correcta, es decir, que se envien los datos correctos, en la dirección correcta y en el banco de memoria correcto. Por lo tanto, toda memoria RAM tiene una ventana de oportunidad, la cual es el tiempo en el cual se pueden realizar las diferentes operaciones, estas se tienen que realizar en unos tiempos concretos y siguiendo este proceso:

  1. Seleccionar columna (Direccionamiento)
  2. Seleccionar fila (Direccionamiento)
  3. Transmisión de los datos.

Para ello se utilizan una serie de pines especiales, uno de ellos ya lo hemos visto y es Write Enable pero los otros dos son los siguientes:

  • Column Access Strobe: Este pin se activa cuando le indicamos a la memoria RAM que le estamos indicando la columna a la que queremos acceder.
  • Row Access Strobe: : Este pin se activa cuando le indicamos a la memoria RAM que le estamos indicando fila a la que queremos acceder.

Ambas operaciones se pueden resumir de la siguiente manera:

  • La operación de lectura es muy sencilla, para ello se ha de tener el pin WE inactivo, para indicar que los datos van desde la RAM al procesador, indicar la fila y y luego la columna para que la información fluya en dirección al procesador desde la memoria RAM.
  • La operación de escritura es algo distinta, para ello el pin WE ha de estar activo, pero los datos no se transmiten después de seleccionar la columna de datos sino una vez seleccionada la fila y de manera simultánea a la selección de la columna donde se encuentra el dato.

Con esto ya os podéis hacer una idea aproximada de como funciona la comunicación entre un procesador y su memoria RAM.