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PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE
MASTER DEGREE: Industrial Systems Engineering
ASIGNATURA ISE3: Electrónica para Sistemas Industriales (EIS) MÓDULO 2: Memorias TAREA 2-1: MEMORIAS DIRECCIONABLES ELÉCTRICAMENTE
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MEMORIAS DIRECCIONABLES ELÉCTRICAMENTE 2
Contenido TAREA 2-1: MEMORIAS DIRECCIONABLES ELÉCTRI-CAMENTE........................... 3
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS (Formato Título 2) ........................................... 3
2. CONTENIDO (Formato Título 2) .............................................................................. 3
2.1 APARTADO 1: Funcionamiento de las memorias volátiles eléctricamente direccionables RAM ......................................................................... 3
2.1.1 SRAM ....................................................................................................................... 4
2.1.2 DRAM ....................................................................................................................... 9
2.1.3 Memoria FRAM ................................................................................................... 12
2.2 APARTADO 2: Funcionamiento de las memorias no volátiles eléctricamente direccionables ROM ....................................................................... 13
2.2.1 EPROM ................................................................................................................... 14
2.2.2 EEPROM ................................................................................................................ 16
2.2.3 NVRAM Memoria de acceso aleatorio no volátil .................................... 17
2.2.4 Memoria Flash .................................................................................................... 18
2.3 APARTADO 3: Funcionamiento de los discos de memoria .................... 19
2.3.1 Disco Duro ........................................................................................................... 19
2.3.2 Discos ópticos .................................................................................................... 23
3. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 26
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ....................................................................... 26
Índice de figuras Figura 1. Diagrama de bloques lógicos de una SRAM típica. ........................................................ 5 Figura 2. SRAM de 6 transistores. ................................................................................................. 6 Figura 3. Estructura de una celda DRAM de un transistor. ......................................................... 10 Figura 4. Celda DRAM de 3 transistores. ..................................................................................... 11 Figura 5. Chip de una memoria EPROM, dónde se aprecia la ventana para el borrado. ............ 15 Figura 6. Diferentes muestras de memorias EEPROM. ............................................................... 17 Figura 7. Diferentes formatos de memorias FLASH. ................................................................... 19 Figura 8. Partes de un Disco Duro. .............................................................................................. 21 Figura 9. Partes de un lector de CD. ............................................................................................ 24 Figura 10. Diferencia de dimensiones entre CD y DVD. ............................................................. 24 Figura 12. Estructura de un disco holográfico versátil ................................................................ 25
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TAREA 2-1: MEMORIAS DIRECCIONABLES ELÉCTRI-CAMENTE 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS (Formato Título 2) Las memorias son un elemento importantísimo en los tiempos modernos, ya que otorgan funcionalidad a una cantidad enorme de aplicaciones, permitiéndoles mantener información sin perderla. El punto más significativo de utilización de las memorias es en el mundo de la informática y particularmente en los ordenadores. Existen multitud de tipos distintos de memorias en el mercado, y nosotros nos centraremos en los subtipos más comunes en la actualidad. Éstas son las memorias direccionables eléctricamente.
El objetivo de este proyecto es el de explicar cómo funcionan los diferentes tipos de memorias direccionables eléctricamente, para ello profundizaremos en los diferentes tipos existentes de memorias. Los tipos principales de memorias direccionables eléctricamente que existen son básicamente tres: memorias RAM, ROM y los discos de memoria.
Para empezar atenderemos a los principales rasgos característicos y al funcionamiento general de las memorias RAM, y nos detendremos en los diferentes subtipos de este tipo de memoria que existen.
En segundo lugar exploraremos las memorias de solo lectura ROM y sus principales subtipos.
Finalizaremos adentrándonos en los diferentes tipos de discos de memoria que existen, los discos duros, y los discos ópticos. 2. CONTENIDO (Formato Título 2) 2.1 APARTADO 1: Funcionamiento de las memorias volátiles eléctricamente direccionables RAM
Las memorias de acceso aleatorio (en inglés: random acces memory) se
utilizan como memoria de trabajo para el sistema operativo, los programas y la mayoría del software, lo que las convierte en un tipo de memorias altamente importantes. Es allí donde se cargan todas las instrucciones que ejecutan el procesador y otras unidades de cómputo. Se denominan “de acceso aleatorio” porque se puede leer o escribir en una posición de memoria con un tiempo de espera igual para cualquier posición, no siendo necesario seguir un orden para acceder a la información de la manera más rápida posible. Durante el encendido del computador, la rutina POST verifica que los
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módulos de memoria RAM estén conectados de manera correcta. En el caso que no existan o no se detecten los módulos, la mayoría de tarjetas madres emiten una serie de pitidos que indican la ausencia de memoria principal. Terminado ese proceso, la memoria BIOS puede realizar un test básico sobre la memoria RAM indicando fallos mayores en la misma.
Una particularidad de las memorias RAM es que son de contenidos volátiles, esto quiere decir que al desconectarlas de la fuente de energía, todo el contenido que figuraba en ellas se pierde.
Existen multitud de tipos de memorias RAM, nosotros nos detendremos en tres tipos distintos: DRAM, SRAM y FRAM.
2.1.1 SRAM
Static Random Access Memory (SRAM), o Memoria Estática de Acceso Aleatorio es un tipo de memoria basada en semiconductores capaz de mantener datos sin necesidad de utilizar un circuito de refresco, como es el caso de las memorias DRAM que estudiaremos más adelante. Sin embargo este tipo de memorias, como todas las memorias RAM, pierde la información una vez se interrumpe la alimentación eléctrica, al ser memorias volátiles.
Las memorias SRAM son de acceso aleatorio, lo que significa que las posiciones en la memoria pueden ser escritas o leídas en cualquier orden, independientemente de cual fuera la última posición de memoria accedida.
Este tipo de memorias no deben ser confundidas con las SDRAM (Syncronous DRAM). 2.1.1.1 Diseño
Estas memorias basan su diseño en la utilización de un biestable (flip-flop) conectado a la circuitería interna por dos transistores de acceso. Cuando no se accede a la celda, los dos transistores permanecen cerrados, manteniendo el dato capturado en el flip-flop de una forma estable, permitiendo así el almacenamiento de datos y por lo tanto, a diferencia de las memorias RAM dinámicas, no existe la necesidad de actualizar periódicamente el contenido de la memoria.
Las celdas de memoria varían su configuración dependiendo del método de construcción utilizado y del número de transistores que se han empleado para realizar el biestable, a continuación detallamos los tipos de celdas SRAM que existen en el mercado.
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Figura 1. Diagrama de bloques lógicos de una SRAM típica. Celda de memoria
Los diferentes tipos de celdas SRAM se basan en el tipo de carga utilizada en el convertidor elemental de la celda flip-flop. Actualmente, existen tres tipos de celdas de memoria SRAM:
- La celda 4T (cuatro transistores NMOS y dos resistencias de carga). Este tipo es el más común de celdas SRAM se compone de cuatro transistores NMOS y de dos resistencias de carga. Este diseño recibe el nombre celda SRAM 4T. Dos de los transistores NMOS actúan de transistores de paso. Los otros dos actúan de pull-downs de los inversores flip-flop. Las cargas de los inversores consisten en una gran resistencia de polisilicio. Las celdas 4t poseen varias limitaciones. Éstas incluyen el hecho de que cada una de ellas posee una corriente fluyendo en una resistencia (por ejemplo, las SRAM poseen una corriente en reposo muy elevada), la celda es sensible al ruido y a los errores débiles debido a la posesión de una resistencia tan alta, y además estas celdas no son tan rápidas como las 6T.
- La celda 6T (seis transistores: cuatro transistores NMOS y dos transistores PMOS). Éste es un diseño de celda diferente que elimina las limitaciones anteriores es el uso de un flip-flop CMOS. En este caso, la carga se sustituye por un transistor PMOS. Esta celda SRAM se compone de seis transistores, un transistor NMOS y PMOS un transistor por cada inversor, además de dos NMOS transistores conectados a la
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línea de fila. Esta configuración se denomina una celda 6T. Esta celda ofrece mejores prestaciones eléctricas (velocidad, inmunidad al ruido, corriente en reposo) que una estructura de 4T. La principal desventaja de esta celda es su gran tamaño.
- La celda TFT (cuatro transistores NMOS y dos cargas de llamadas TFT). Los fabricantes han tratado de reducir la corriente que fluye en la resistencia de carga de una celda 4T. Como resultado, los diseñadores han desarrollado una estructura para cambiar, durante el funcionamiento, las características eléctricas de la resistencia de carga mediante el control del canal de un transistor. Esta resistencia está configurada como un transistor PMOS y recibe el nombre de transistor de película fina (TFT). Se forma mediante la deposición de varias capas de polisilicio por encima de una superficie de silicio. La estructura fuente/canal/drenaje se forma en la carga de polisilicio.
Un menor número de transistores por celda, hará posible reducir el
tamaño de esta, reduciendo el coste por bit en la fabricación, al poder implementar más celdas en una misma oblea de silicio.
Es posible fabricar celdas que utilicen menos de seis transistores, pero en los casos de tres transistores o uno solo se estaría hablando de memoria DRAM, no SRAM. 2.1.1.2 Funcionamiento SRAM
El acceso a la
celda es controlado por un bus de control (WL en la figura), que controla los dos transistores de acceso M5 y M6, quienes controlan si la celda debe ser conectada a los buses BLy BL. Ambos son utilizados para transmitir datos tanto
para las operaciones Figura 2. SRAM de 6 transistores.
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de lectura como las de escritura, y aunque no es estrictamente necesario disponer de ambos buses, se suelen implementar para mejorar los márgenes de ruido.
A diferencia de la DRAM, en la cual la señal de la línea de salida se conecta a un capacitador, y este es el que hace oscilar la señal durante las operaciones de lectura, en las celdas SRAM son los propios biestables los que hacen oscilar dicha señal, mientras que la estructura simétrica permite detectar pequeñas variaciones de voltaje con mayor precisión. Otra ventaja de las memorias SRAM frente a DRAM, es que aceptan recibir todos los bits de dirección al mismo tiempo.
El tamaño de una memoria SRAM con m líneas de dirección, y n líneas de datos es 2m palabras, o 2m × n bits. Modos de operación de una SRAM
Una memoria SRAM tiene tres estados distintos de operación: standby, en el cual el circuito está en reposo, reading o en fase de lectura, durante el cual los datos son leídos desde la memoria, y writing o en fase de escritura, durante el cual se actualizan los datos almacenados en la memoria. Reposo
Si el bus de control (WL) no está activado, los transistores de acceso M5 y M6 desconectan la celda de los buses de datos. Los dos biestables formados por M1 – M4 mantendrán los datos almacenados, en tanto dure la alimentación eléctrica. Lectura
Se asume que el contenido de la memoria es 1, y está almacenado en Q. El ciclo de lectura comienza cargando los buses de datos con el 1 lógico, y luego activa WL y los transistores de control. A continuación, los valores almacenados en Q y Q se transfieren a los buses de datos, dejando BL en su valor previo, y ajustando BL a través de M1 y M5 al 0 lógico. En el caso que el dato contenido en la memoria fuera 0, se produce el efecto contrario: BL será ajustado a 1 y BL a 0. Escritura
El ciclo de escritura se inicia aplicando el valor a escribir en el bus de datos. Si se trata de escribir un 0, se ajusta BL a 1 y BL a 0, mientras que
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para un 1, basta con invertir los valores de los buses. Una vez hecho esto, se activa el bus WL, y el dato queda almacenado. 2.1.1.3 Características
La memoria SRAM es más cara, pero más rápida y con un menor consumo (especialmente en reposo) que la memoria DRAM. Es utilizada, por tanto, cuando es necesario disponer de un menor tiempo de acceso, o un consumo reducido, o ambos. Debido a su compleja estructura interna, es menos densa que DRAM, y por lo tanto no es utilizada cuando es necesaria una alta capacidad de datos, como por ejemplo en la memoria principal de los computadores personales. Frecuencia de reloj y potencia
El consumo eléctrico de una SRAM varía dependiendo de la frecuencia con la cual se accede a la misma: puede llegar a tener un consumo similar a la DRAM cuando es usada en alta frecuencia, y algunos circuitos integrados pueden consumir varios vatios durante su funcionamiento. Por otra parte, las SRAM utilizadas con frecuencia baja, tienen un consumo bastante menor, del orden de micro-vatios. 2.1.1.4 Tipos de SRAM SRAM no volátiles
Las memorias SRAM no volátiles (NVRAM) presentan el funcionamiento típico de las RAM, pero con la característica distintiva de que los datos almacenados en ellas son preservados aun cuando se interrumpe la alimentación eléctrica. Se utilizan en situaciones donde se requiere conservar la información almacenada sin necesidad de alimentación alguna, normalmente donde se desea evitar el uso de baterías (o bien no es posible).6 SRAM asíncrona
Las SRAM asíncronas están disponibles en tamaños desde 4Kb hasta 32Mb.7 Con un tiempo reducido de acceso, son adecuadas para el uso en equipos de comunicaciones, como switches, routers, teléfonos IP, tarjetas DSLAM, y en electrónica de automoción.
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Por tipo de transistor
- Transistor Bipolar de Unión o BJT (de tipo TTL o ECL) — muy rápidos, pero con un consumo muy alto.
- MOSFET (de tipo CMOS) — consumo reducido, los más utilizados actualmente.
Por función
- Asíncronas — independientes de la frecuencia de reloj. - Síncronas — todas las operaciones son controladas por el reloj del
sistema. 2.1.2 DRAM
DRAM (Dynamic Random Access Memory) es un tipo de tecnología de memoria RAM. La memoria dinámica de acceso aleatorio se usa principalmente en los módulos de memoria RAM y en otros dispositivos, como memoria principal del sistema. Se denomina dinámica, ya que para mantener almacenado un dato, se requiere revisar el mismo y recargarlo, cada cierto período, en un ciclo de refresco. Su principal ventaja es la posibilidad de construir memorias con una gran densidad de posiciones y que todavía funcionen a una velocidad alta: en la actualidad se fabrican integrados con millones de posiciones y velocidades de acceso medidos en millones de bits por segundo. Es una memoria volátil, es decir cuando no hay alimentación eléctrica, la memoria no guarda la información. Inventada a finales de los sesenta, es una de las memorias más usadas en la actualidad. 2.1.2.1 Diseño
El diagrama de bloques de las memorias de acceso aleatorio dinámicas no difiere del de las memorias estáticas. Como ya se mencionó, la principal diferencia consiste en el tipo de celda de memorización. En el inicio de su desarrollo, las DRAM empleaban 4 transistores, y celdas de memorización de 3 transistores.
Con el aumento de la capacidad de las memorias se impuso el uso de la celda de memorización de un transistor. Para la formación de celdas de memorización, se emplea normalmente un transistor de canal N, aunque en ocasiones se pueden utilizar transistores de canal P.
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Cada celda DRAM de un bit utiliza un condensador MOS para el almacenado de datos. Debido a que los condensadores tienen pérdidas, se necesita refrescar el contenido de la memoria periódicamente (por lo general una vez en T = 0,5 ÷ 2 ms).
La figura 3 muestra el corte transversal de una celda de un transistor plano con polisilicio doble, en el papel de estructura capacitiva, formado a partir de un bus de poli-silicio, aislado del sustrato por una delgada capa de óxido de silicio.
Para esta celda es característico tener un bajo valor de capacidad, lo que la convierte en inadmisible para una grande DRAM. Las celdas de memorización tridimensionales son típicas para ello (Ejemplos de tales celdas son la celda ce capacitancias apiladas y las celdas de capacitancia de foso. Observaciones celda DRAM
- 1T DRAM requiere un amplificador de detección para cada línea de bits,
debido a la redistribución de carga en la lectura/salida. - Las celdas de memoria DRAM tienen configuración single-ended en
contraste con las celdas de SRAM. - La lectura/salida de la celda DRAM 1T es destructiva; las operaciones
de lectura y refresco son necesarias para el funcionamiento correcto. - A diferencia de la celda 3T, la celda 1T requiere de la presencia de
una capacidad adicional que debe ser explícitamente incluida en el diseño.
- Al escribir un “1” en una celda DRAM, se pierde una tensión de umbral. Esta pérdida de carga puede eludirse aplicando bootstrapping a las líneas de información hacia un valor mayor que Vdd.
2.1.2.2 Funcionamiento Escritura
La celda de memoria es la unidad básica de cualquier memoria, capaz
de almacenar un Bit en los sistemas digitales. La construcción de la celda
Figura 3. Estructura de una celda DRAM de un transistor.
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define el funcionamiento de la misma, en el caso de la DRAM moderna, consiste en un transistor de efecto de campo y un condensador. El principio de funcionamiento básico, es sencillo: una carga se almacena en el condensador significando un 1 y sin carga un 0. El transistor funciona como un interruptor que conecta y desconecta al condensador. Este mecanismo puede implementarse con dispositivos discretos y de hecho muchas memorias anteriores a la época de los semiconductores, se basaban en arreglos de celdas transistor-condensador.
Figura 4. Celda DRAM de 3 transistores.
Las celdas en cualquier sistema de memoria, se organizan en la forma de matrices de dos dimensiones, a las cuales se accede por medio de las filas y las columnas. En la DRAM estas estructuras contienen millones de celdas y se fabrican sobre la superficie de la pastilla de silicio formando áreas que son visibles a simple vista. En el ejemplo tenemos un arreglo de 4x4 celdas, en el cual las líneas horizontales conectadas a las compuertas de los transistores son las llamadas filas y las líneas verticales conectadas a los canales de los FET son las columnas.
Para acceder a una posición de memoria se necesita una dirección de 4 bits, pero en las DRAM las direcciones están multiplexadas en tiempo, es decir se envían por mitades. Las entradas marcadas como a0 y a1 son el bus de direcciones y por el mismo entra la dirección de la fila y después la de la columna. Las direcciones se diferencian por medio de señales de sincronización llamadas RAS (del inglés Row Address Strobe) y CAS (Column Address Strobe) que indican la entrada de cada parte de la dirección.
Los pasos principales para una lectura son: - Las columnas son precargadas a un voltaje igual a la mitad del voltaje
de 1 lógico. Esto es posible ya que las líneas se comportan como grandes condensadores, dada su longitud tienen un valor más alto que la de los condensadores en las celdas.
- Una fila es energizada por medio del decodificador de filas que recibe la dirección y la señal de RAS. Esto hace que los transistores
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conectados a una fila conduzcan y permitiendo la conexión eléctrica entre las líneas de columna y una fila de condensadores. El efecto es el mismo que se produce al conectar dos condensadores, uno cargado y otro de carga desconocida: se produce un balance de que deja a los dos con un voltaje muy similar, compartiendo las cargas. El resultado final depende del valor de carga en el condensador de la celda conectada a cada columna. El cambio es pequeño, ya que la línea de columna es un condensador más grande que el de la celda.
- El cambio es medido y amplificado por una sección que contiene circuitos de realimentación positiva: si el valor a medir es menor que la mitad del voltaje de 1 lógico, la salida será un 0, si es mayor, la salida se regenera a un 1. Funciona como un redondeo.
- La lectura se realiza en todas las posiciones de una fila de manera que al llegar la segunda parte de la dirección, se decide cual es la celda deseada. Esto sucede con la señal CAS. El dato es entregado al bus de datos por medio de la lineo D.O. y las celdas involucradas en el proceso son reescritas, ya que la lectura de la DRAM es destructiva. La escritura en una posición de memoria tiene un proceso similar al de
arriba, pero en lugar de leer el valor, la línea de columna es llevada a un valor indicado por la línea D.I. y el condensador es cargado o descargado. El flujo del dato es mostrado con una línea gruesa en el gráfico. 2.1.3 Memoria FRAM
La RAM ferroeléctrica (FeRAM, F-RAM o FRAM) es una memoria de estado sólido, similar a la memoria RAM, pero que tiene un funcionamiento más parecido a las antiguas memorias de ferrita.
Esta memoria, en lugar de preservar la carga de un condensador microscópico, contiene dentro moléculas que preservan la información por medio de un efecto ferroeléctrico.
El condensador utilizado en la celda está constituido por un dieléctrico de material dipolar, como el cristal Perovskita. Al aplicar un campo eléctrico a este tipo de materiales se produce una polarización, quedando en este estado incluso al eliminar el campo eléctrico. La forma de despolarizar el dieléctrico es aplicándole un campo eléctrico en la dirección opuesta.
La celda FRAM moderna se compone de un único transistor y de un solo condensador siendo muy parecida a una celda DRAM. Durante el proceso de lectura se le aplica un campo eléctrico al condensador y la corriente que circula a través de la celda es percibida por un amplificador de lectura. La información en la celda tiene que ser reescrita después de cada lectura.
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Debido a la alta constante dieléctrica del aislante utilizado, la densidad de carga en una celda FRAM es mucho mayor que la que existe en una DRAM, lo que permite diseñar celdas con menor superficie. El número de ciclos de escritura/lectura de las FRAM es de 1010 a 1012. Características
- Tiempo de acceso corto: debido a su funcionamiento, tienen velocidades (del orden de la centena de nanosegundos) que las habilitan para trabajar como memoria principal con la mayoría de los microprocesadores.
- Lectura destructiva: como todas las memorias ferroeléctricas, la lectura es destructiva. Esto no representa un problema, ya que el chip se encarga de reescribir los datos luego de una lectura.
- No volátiles: su funcionamiento hace prescindibles los refrescos y la alimentación para la retención de datos.
- Encapsulados: se consiguen hoy en día tanto en variedades para trabajo en paralelo (para conectar a un bus de datos) como en serie (como memoria de apoyo).
2.2 APARTADO 2: Funcionamiento de las memorias no volátiles eléctricamente direccionables ROM
Las memorias de solo lectura ROM (read only memories en inglés) son uno de los principales tipos de memoria que se utilizan en los ordenadores. Este tipo de memorias normalmente son de solo lectura, en contraste con las memorias RAM que pueden ser de lectura o de escritura. Hay dos razones principales por las que las memorias de solo lectura son utilizadas: debido a la permanencia de datos y por su seguridad.
Los valores almacenados en una ROM siempre permanecen ahí, esté o no el equipo encendido, y una vez gravada información en una memoria ROM no puede ser fácilmente modificada proporcionando una medida de seguridad contra los cambios accidentales (o maliciosos) de su contenido. Uso para almacenamiento de software
Los ordenadores domésticos a comienzos de los años 1980 venían con todo su sistema operativo en ROM. No había otra alternativa razonable ya que las unidades de disco eran generalmente opcionales. La actualización a una nueva versión significa usar un soldador o un grupo de interruptores DIP y reemplazar el viejo chip de ROM por uno nuevo. Actualmente los sistemas
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operativos en general ya no se instalan en ROM. Todavía los ordenadores pueden dejar algunos de sus programas en memoria ROM, pero incluso en este caso, es más frecuente que vaya en memoria flash. Los teléfonos móviles y los asistentes personales digitales (PDA) suelen tener programas en memoria ROM (o por lo menos en memoria flash). Uso para almacenamiento de datos
Como la ROM no puede ser modificada (al menos en la antigua versión de máscara), solo resulta apropiada para almacenar datos que no necesiten ser modificados durante la vida de este dispositivo. Con este fin, la ROM se ha utilizado en muchos ordenadores para guardar tablas de consulta, utilizadas para la evaluación de funciones matemáticas y lógicas. Esto era especialmente eficiente cuando la unidad central de procesamiento era lenta y la ROM era barata en comparación con la RAM. De hecho, una razón de que todavía se utilice la memoria ROM para almacenar datos es la velocidad, ya que los discos siguen siendo más lentos. Y lo que es aún más importante, no se puede leer un programa que es necesario para ejecutar un disco desde el propio disco. Por lo tanto, la BIOS, o el sistema de arranque oportuno del PC normalmente se encuentran en una memoria ROM.
No obstante, el uso de la ROM para almacenar grandes cantidades de datos ha ido desapareciendo casi completamente en los ordenadores de propósito general, mientras que la memoria Flash ha ido ocupando este puesto. 2.2.1 EPROM
EPROM son las siglas de Erasable Programmable Read-Only Memory (ROM programable borrable). Es un tipo de chip de memoria ROM no volátil inventado por el ingeniero Dov Frohman. Está formada por celdas de FAMOS (Floating Gate Avalanche-Injection Metal-Oxide Semiconductor) o "transistores de puerta flotante", cada uno de los cuales viene de fábrica sin carga, por lo que son leídos como 1 (por eso, una EPROM sin grabar se lee como FF en todas sus celdas). Características
Las memorias EPROM se programan mediante un dispositivo electrónico que proporciona voltajes superiores a los normalmente utilizados en los circuitos electrónicos. Las celdas que reciben carga se leen entonces como un 0.
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Una vez programada, una EPROM se puede borrar solamente mediante exposición a una fuerte luz ultravioleta. Esto es debido a que los fotones de la luz excitan a los electrones de las celdas provocando que se descarguen. Las EPROM se reconocen fácilmente por una ventana transparente en la parte alta del encapsulado, a través de la cual se puede ver el chip
de silicio y que admite la luz ultravioleta durante el borrado.
Como el cuarzo de la ventana es caro de fabricar, se introdujeron los chips OTP (One-Time Programmable, programables una sola vez). La única diferencia con la EPROM es la ausencia de la ventana de cuarzo, por lo que no puede ser borrada. Las versiones OTP se fabrican para sustituir tanto a las EPROM normales como a las EPROM incluidas en algunos microcontroladores. Estas últimas se fueron sustituyendo progresivamente por memorias (para fabricación de pequeñas cantidades donde el coste no es lo importante) y por memorias flash (en las de mayor utilización).
Una EPROM programada retiene sus datos durante diez o veinte años, y se puede leer un número ilimitado de veces. Para evitar el borrado accidental por la luz del sol, la ventana de borrado debe permanecer cubierta. Las antiguas BIOS de los ordenadores personales eran frecuentemente EPROM y la ventana de borrado estaba habitualmente cubierta por una etiqueta que contenía el nombre del productor de la BIOS, su revisión y una advertencia de copyright. Borrado de un EPROM
Una memoria EPROM puede ser borrada con una lámpara de luz UV, del tipo UV-C, que emita radiación en torno a los 2537 Å (Angstrom) o 254nm, a una distancia de unos 2,5 cm de la memoria. La radiación alcanza las celdas de la memoria a través de una ventanilla de cuarzo transparente situada en la parte superior de la misma.
Para borrar una EPROM se necesita que la cantidad de radiación recibida por la misma se encuentre en torno a los 15 W/cm^2 durante un
Figura 5. Chip de una memoria EPROM, dónde se aprecia la ventana para el borrado.
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segundo. El tiempo de borrado real suele ser de unos 20 minutos debido a que las lámparas utilizadas suelen tener potencias en torno a los 12 mW/cm² (12 mW x 20 x 60 s = 14.4 W de potencia suministrada). Este tiempo también depende del fabricante de la memoria que se desee borrar. En este tiempo todos sus bits se ponen a 1.
Es importante evitar la sobreexposición del tiempo de radiación a las EPROM; es decir, la potencia luminosa suministrada a la memoria, pues se produce un envejecimiento prematuro de las mismas.
Debido a que la radiación solar e incluso la luz artificial proveniente de tubos fluorescentes borran la memoria lentamente (de una semana a varios meses), es necesario tapar dicha ventanilla con una etiqueta opaca que lo evite, una vez que son grabadas.
Se debe aclarar que una EPROM no puede ser borrada parcial o selectivamente; de ahí que por muy pequeña que fuese la eventual modificación a realizar en su contenido, inevitablemente se deberá borrar y reprogramar en su totalidad. 2.2.2 EEPROM
EEPROM o E²PROM son las siglas de Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (ROM programable y borrada eléctricamente). Es un tipo de memoria ROM que puede ser programada, borrada y reprogramada eléctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante un aparato que emite rayos ultravioleta. Son memorias no volátiles.
Las celdas de memoria de una EEPROM están constituidas por
un transistor MOS, que tiene una compuerta flotante (estructura SAMOS), su estado normal está cortado y la salida proporciona un 1 lógico.
Aunque una EEPROM puede ser leída un número ilimitado de veces, solo puede ser borrada y reprogramada entre 100.000 y un millón de veces.
Estos dispositivos suelen comunicarse mediante protocolos
como I²C, SPI y Microwire. En otras ocasiones, se integra dentro de chips como microcontroladores y DSPs para lograr una mayor rapidez.
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Figura 6. Diferentes muestras de memorias EEPROM. 2.2.3 NVRAM Memoria de acceso aleatorio no volátil
La memoria de acceso aleatorio no volátil, referida a veces por sus siglas en inglés NVRAM (Non-volatile random access memory) es un tipo de memoria de acceso aleatorio que, como su nombre indica, no pierde la información almacenada al cortar la alimentación eléctrica.
En los routers se utiliza para almacenar un archivo de configuración de respaldo/inicio.
Hoy día, la mayoría de memorias NVRAM son memorias flash ya que son muy usadas para teléfonos móviles y reproductores portátiles de audio.
La necesidad de mantener los datos, incluso cuando cesa la alimentación, motivó el surgimiento de diversos tipos de memorias ROM reprogramables: eléctricamente alterables - EAROM, eléctricamente borrables - EEPROM, programables y borrables - PEROM y flash EEPROM. Cada nuevo tipo mejora la facilidad de grabación y duración de los datos, pero distan de poder utilizarse como memoria RAM.
Para obtener una memoria de escritura rápida y de un número ilimitado de ciclos de escritura existen dos estrategias diferentes: Memoria NVRAM de Dallas Semiconductor.
La primera, propuesta por Dallas Semiconductor, consiste en un circuito híbrido que integra una RAM C-MOS de bajo consumo, una pila de litio y un controlador, que consiste en un monitor de tensión y la lógica necesaria para
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inhibir la escritura y mantener los buses en alta impedancia cuando la tensión está fuera de especificaciones. Esta solución aprovecha las ventajas de las CMOS-RAM: velocidad y bajo consumo, y la larga duración de las pilas de litio (unos diez años). Otros modelos incluyen reloj en tiempo real y otras prestaciones.
La segunda estrategia consiste en superponer una RAM a una EEPROM, bit a bit. En funcionamiento normal los datos se escriben y leen de la RAM, pero ante un pulso de "retención", el contenido de la RAM pasa a la EEPROM en paralelo. Estas EEPROM pueden mantener los datos sin alimentación más de 10 años, superando la vida de pila de litio. El pulso de retención lo puede generar tanto un monitor de tensión interno como una señal generada externamente. Estas memorias necesitan que la alimentación se extinga lo suficientemente despacio como para permitir que se complete la grabación de los datos. En la práctica, los condensadores de la alimentación son suficientes. Cuando la alimentación vuelve a su valor nominal, los datos pasan de la EEPROM a la RAM. 2.2.4 Memoria Flash
La memoria flash —derivada de la memoria EEPROM— permite la lectura y escritura de múltiples posiciones de memoria en la misma operación. Gracias a ello, la tecnología flash, siempre mediante impulsos eléctricos, permite velocidades de funcionamiento muy superiores frente a la tecnología EEPROM primigenia, que solo permitía actuar sobre una única celda de memoria en cada operación de programación. Se trata de la tecnología empleada en los dispositivos denominados pendrive.
En las memorias flash toda la memoria o sectores individuales pueden ser eliminados simultáneamente. Dos tipos diferentes de memorias flash pueden distinguir: con estructura EPROM o con EEPROM. En el primer tipo el proceso de escritura se lleva a cabo mediante el efecto de electrones calientes, y el borrado se lleva a cabo mediante túnel FN. En las memorias flash EEPROM los procesos de escritura y borrado se logran por el mecanismo de túnel FN. La diferencia entre la creación de memorias EEPROM estándar y memorias flash radica en la arquitectura y en la estructura de la celda de memorización. Los productores de memorias flash garantizan más de 104 ciclos de escritura/borrado.
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Figura 7. Diferentes formatos de memorias FLASH.
El incremento de la densidad de información contenido en las memorias flash se obtiene reduciendo las normas topológicas además de con el uso de la tecnología STI. Otra aproximación sería el uso de celdas multinivel (MLC). En este tipo de celda la reducción topológica se logra mediante diferentes cantidades de cargas en la puerta flotante para cada una de las cuatro posibles combinaciones de dos bits que pueden ser presentadas. 2.3 APARTADO 3: Funcionamiento de los discos de memoria 2.3.1 Disco Duro
En informática, un disco duro o disco rígido (en inglés Hard Disk Drive, HDD) es un dispositivo de almacenamiento de datos no volátil que emplea un sistema de grabación magnética para almacenar datos digitales. Se compone de uno o más platos o discos rígidos, unidos por un mismo eje que gira a gran velocidad dentro de una caja metálica sellada. Sobre cada plato, y en cada una de sus caras, se sitúa un cabezal de lectura/escritura que flota sobre una delgada lámina de aire generada por la rotación de los discos.
El primer disco duro fue inventado por IBM en 1956. A lo largo de los años, los discos duros han disminuido su precio al mismo tiempo que han multiplicado su capacidad, siendo la principal opción de almacenamiento secundario para PC desde su aparición en los años 1960.1 Los discos duros han mantenido su posición dominante gracias a los constantes incrementos en la densidad de grabación, que se ha mantenido a la par de las necesidades de almacenamiento secundario.
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Los tamaños también han variado mucho, desde los primeros discos IBM hasta los formatos estandarizados actualmente: 3,5 " los modelos para PC y servidores, 2,5 " los modelos para dispositivos portátiles. Todos se comunican con la computadora a través del controlador de disco, empleando una interfaz estandarizada. Los más comunes hasta los años 2000 han sido IDE (también llamado ATA o PATA), SCSI (generalmente usado en servidores y estaciones de trabajo). Desde el 2000 en adelante ha ido masificándose el uso de los Serial ATA. Existe además FC (empleado exclusivamente en servidores).
Para poder utilizar un disco duro, un sistema operativo debe aplicar un formato de bajo nivel que defina una o más particiones. La operación de formateo requiere el uso de una fracción del espacio disponible en el disco, que dependerá del formato empleado. Además, los fabricantes de discos duros, unidades de estado sólido y tarjetas flash miden la capacidad de los mismos usando prefijos SI, que emplean múltiplos de potencias de 1000 según la normativa IEC y IEEE, en lugar de los prefijos binarios, que emplean múltiplos de potencias de 1024, y son los usados por sistemas operativos de Microsoft. Esto provoca que en algunos sistemas operativos sea representado como múltiplos 1024 o como 1000, y por tanto existan confusiones, por ejemplo un disco duro de 500 GB, en algunos sistemas operativos sea representado como 465 GiB (es decir gibibytes; 1 GiB = 1024 MiB) y en otros como 500 GB. 2.3.1.1 Características de un disco duro
Las características que se deben tener en cuenta en un disco duro son: - Tiempo medio de acceso: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse
en la pista y el sector deseado; es la suma del Tiempo medio de búsqueda (situarse en la pista), Tiempo de lectura/escritura y la Latencia media (situarse en el sector).
- Tiempo medio de búsqueda: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en la pista deseada; es la mitad del tiempo empleado por la aguja en ir desde la pista más periférica hasta la más central del disco.
- Tiempo de lectura/escritura: Tiempo medio que tarda el disco en leer o escribir nueva información: Depende de la cantidad de información que se quiere leer o escribir, el tamaño de bloque, el número de cabezales, el tiempo por vuelta y la cantidad de sectores por pista.
- Latencia media: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en el sector deseado; es la mitad del tiempo empleado en una rotación completa del disco.
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- Velocidad de rotación: Revoluciones por minuto de los platos. A mayor velocidad de rotación, menor latencia media.
- Tasa de transferencia: Velocidad a la que puede transferir la información a la computadora una vez que la aguja está situada en la pista y sector correctos. Puede ser velocidad sostenida o de pico.
Otras características son:
- Caché de pista: Es una memoria tipo Flash dentro del disco duro. - Interfaz: Medio de comunicación entre el disco duro y la computadora.
Puede ser IDE/ATA, SCSI, SATA, USB, Firewire, Serial Attached SCSI. - Landz: Zona sobre las que aparcan las cabezas una vez se apaga
la computadora. Estructura física
Dentro de un disco duro hay uno o varios discos (de aluminio o cristal) concéntricos llamados platos (normalmente entre 2 y 4, aunque pueden ser hasta 6 ó 7 según el modelo), y que giran todos a la vez sobre el mismo eje, al que están unidos. El cabezal (dispositivo de lectura y escritura) está
formado por un conjunto de brazos paralelos a los platos, alineados verticalmente y que también se desplazan de forma simultánea, en cuya punta están las cabezas de lectura/escritura. Por norma general hay una cabeza de lectura/escritura para cada superficie de cada plato. Los cabezales pueden
Figura 8. Partes de un Disco Duro.
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moverse hacia el interior o el exterior de los platos, lo cual combinado con la rotación de los mismos permite que los cabezales puedan alcanzar cualquier posición de la superficie de los platos.
Cada plato posee dos ojos, y es necesaria una cabeza de
lectura/escritura para cada cara. Si se observa el esquema Cilindro-Cabeza-Sector de más abajo, a primera vista se ven 4 brazos, uno para cada plato. En realidad, cada uno de los brazos es doble, y contiene 2 cabezas: una para leer la cara superior del plato, y otra para leer la cara inferior. Por tanto, hay 8 cabezas para leer 4 platos, aunque por cuestiones comerciales, no siempre se usan todas las caras de los discos y existen discos duros con un número impar de cabezas, o con cabezas deshabilitadas. Las cabezas de lectura/escritura nunca tocan el disco, sino que pasan muy cerca (hasta a 3 nanómetros), debido a una finísima película de aire que se forma entre éstas y los platos cuando éstos giran (algunos discos incluyen un sistema que impide que los cabezales pasen por encima de los platos hasta que alcancen una velocidad de giro que garantice la formación de esta película). Si alguna de las cabezas llega a tocar una superficie de un plato, causaría muchos daños en él, rayándolo gravemente, debido a lo rápido que giran los platos (uno de 7.200 revoluciones por minuto se mueve a 129 km/h en el borde de un disco de 3,5 pulgadas). Direccionamiento
Hay varios conceptos para referirse a zonas del disco: - Plato: cada uno de los discos que hay dentro del disco duro. - Cara: cada uno de los dos lados de un plato. - Cabeza: número de cabezales. - Pistas: una circunferencia dentro de una cara; la pista 0 está en el
borde exterior. - Cilindro: conjunto de varias pistas; son todas las circunferencias que
están alineadas verticalmente (una de cada cara). - Sector : cada una de las divisiones de una pista. El tamaño del sector
no es fijo, siendo el estándar actual 512 bytes, aunque la IDEMA ha creado un comité que impulsa llevarlo a 4 KiB. Antiguamente el número de sectores por pista era fijo, lo cual desaprovechaba el espacio significativamente, ya que en las pistas exteriores pueden almacenarse más sectores que en las interiores. Así, apareció la tecnología ZBR(grabación de bits por zonas) que aumenta el número de sectores en las pistas exteriores, y utiliza más eficientemente el disco duro. Así las pistas se agrupan en zonas de pistas de igual cantidad de
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sectores. Cuanto más lejos del centro de cada plato se encuentra una zona, ésta contiene una mayor cantidad de sectores en sus pistas. Además mediante ZBR, cuando se leen sectores de cilindros más externos la tasa de transferencia de bits por segundo es mayor; por tener la misma velocidad angular que cilindros internos pero mayor cantidad de sectores.3 El primer sistema de direccionamiento que se usó fue el CHS (cilindro-
cabeza-sector), ya que con estos tres valores se puede situar un dato cualquiera del disco. Más adelante se creó otro sistema más sencillo: LBA (direccionamiento lógico de bloques), que consiste en dividir el disco entero en sectores y asignar a cada uno un único número. Éste es el que actualmente se usa. Estructura lógica
Dentro del disco se encuentran: - El Master Boot Record (en el sector de arranque), que contiene la tabla
de particiones. - Las particiones, necesarias para poder colocar los sistemas de archivos.
Funcionamiento mecánico
Un disco duro suele tener: - Platos en donde se graban los datos. - Cabezal de lectura/escritura. - Motor que hace girar los platos. - Electroimán que mueve el cabezal. - Circuito electrónico de control, que incluye: interfaz con la
computadora, memoria caché. - Bolsita desecante (gel de sílice) para evitar la humedad. - Caja, que ha de proteger de la suciedad, motivo por el cual suele traer
algún filtro de aire. 2.3.2 Discos ópticos 2.3.2.1 CD-ROM
En los discos compactos (CD) se utiliza una pista en espiral para almacenar los datos. Los datos son almacenados como una serie de hendiduras microscópicas (“pits” hoyos, fosos) que provocan una interferencia
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destructiva a una luz láser causándole una reducción de intensidad al rayo reflejado.
La densidad lineal de datos es constante, lo que significa que la velocidad de rotación del disco es lineal. Tal enfoque requiere de circuitos de lectura/escritura más complicados. La pista se divide en sectores que almacenan 2352 bytes cada uno. Los primeros 12 bytes contienen datos de sincronización y los siguientes cuatro un cabezal de sector. Los siguientes 2kB están predestinados para almacenar datos de usuario y a continuación tenemos: 4 bytes de códigos CRC, 8 bytes rellenos con ceros y 278 bytes de ECC. Características CD-ROM:
- Más lentos que un disco duro - Los datos son codificados grabando hendiduras en miniatura en una
superficie reflectora de la luz; leídos por láser.
- Pueden almacenar hasta 650MB de datos. - La transferencia de datos máxima de un CD-
ROM se expresa en múltiples de 150KB/s - 4X --> 600KB/s - 20X --> 3000KB/s
2.3.2.2 Disco de vídeo digital DVD
Nuevo CD-ROM mejorado; más pequeño, con hendiduras más densas, dos capas de hendiduras grabadas en el mismo disco. Los DVD pueden contener hasta 27GB de datos. 2.3.2.3 Discos ópticos de alta densidad
A pesar de existir hasta hace relativamente poco tiempo dos formatos diferentes de Discos ópticos de alta densidad, Blue-Ray o BD (Sony) y HD-DVD
Figura 9. Partes de un lector de CD.
Figura 10. Diferencia de dimensiones entre CD y DVD.
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(Toshiba y NEC), el formato Blue-Ray ha acabado imponiéndose en el mercado y se ha dejado de fabricar HD-DVD.
Sin embargo ambas tecnologías utilizan un haz láser azul-violeta de 405nm de longitud de onda. La diferencia en la longitud es un prerrequisito para la alta capacidad, que tanto BR como HD-DVD ofrecen. Existen tecnologías que utilizan formatos combinados para hacerlos compatibles con el DVD convencional
2.3.2.4 HVD (disco holográfico versátil)
El disco holográfico versátil (HVD) es una tecnología de disco óptico desarrollado por HVD Alliance entre abril de 2004 y mediados de 2008, en la que se pueden almacenar hasta varios terabytes de datos en un disco óptico de 10 cm de diámetro. La reducción del radio implica una reducción de costes y de materiales empleados. Estos discos emplean una técnica conocida como holografía colineal - en la cual dos láseres, uno rojo y otro verde-azul, se combinan en un único haz. El láser verde-azul lee los datos codificados como crestas de interferencias en una capa holográfica cerca de la superficie del disco, mientras que el láser rojo se utiliza para leer información para el servomecanismo de una capa tradicional de CD de aluminio situada debajo, la cual se usa para controlar la posición de la cabeza de lectura sobre el disco, de forma similar a la información de cabeza, pista y sector utilizada en un disco duro convencional (en un CD o DVD esta información está intercalada entre los datos).
Se emplea una capa de espejo dicroico entre las dos capas anteriores para permitir el paso del láser rojo y reflejar el láser verde-azul, lo cual impide que se produzcan interferencias debidas a la refracción de este haz en los huecos de la capa inferior, técnica que supone un avance con respecto a otras técnicas de almacenamiento holográfico que, o bien sufrían demasiadas interferencias o simplemente carecían por completo de información servomecánica, lo cual las hacía incompatibles con la tecnología actual de CD y DVD. En la figura 12 se muestran las partes que forman un disco holográfico versátil, que son:
Figura 11. Estructura de un disco holográfico versátil
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1. Láser de escritura/lectura verde (532nm) 2. Láser de posicionamiento y direccionamiento rojo (650nm) 3. Holograma (datos) 4. Capa de policarbonato 5. Capa fotopolimérica (la capa que contiene los datos) 6. Capas de distancia 7. Capa dicroica (reflectante de la luz verde) 8. Capa reflectiva de aluminio (reflectante de la luz roja) 9. Base transparente P. PIT 3. CONCLUSIONES
Durante la elaboración del presente trabajo hemos analizado los tipos de memorias direccionables más utilizados en la actualidad. Los citados tipos son básicamente tres: las memorias de solo lectura o ROM por sus siglas en inglés, las memorias RAM y los discos de memoria.
Cada uno de estos tipos tiene su relativamente alta cuota de utilización de cara a cubrir determinadas necesidades cada uno de ellos.
Las memorias ROM son utilizadas para contener datos de vital importancia debido a su mantenimiento de datos, y a que son difícilmente modificables no permitiendo así la manipulación externa de algún agente maligno.
Las memorias RAM son utilizadas sobre todo por su velocidad de escritura y de lectura, y aunque presenta el problema de la volatilidad, es un tipo de memoria omnipresente en casi todos los equipos de la actualidad.
Y por último los discos de datos, son muy utilizados en todo tipo de formatos, especialmente el uso de discos duros.
Las memorias direccionables son un tipo de circuitos y de estructuras físicas sumamente importantes a día de hoy, ya que la funcionalidad que adquieren los equipos electrónicos gracias a la capacidad de almacenar datos es bastante importante. 4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS [1] http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_de_acceso_aleatorio [2] http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_de_solo_lectura [3] http://es.wikipedia.org/wiki/SRAM [4] http://es.wikipedia.org/wiki/DRAM [5] http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_FRAM
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[6] http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_EPROM [7] http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_EEPROM [8] http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_flash [9] http://en.wikipedia.org/wiki/Non-volatile_random-access_memory [10] http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_duro [11] http://es.wikipedia.org/wiki/CD-ROM [12] http://es.wikipedia.org/wiki/DVD [13] http://es.wikipedia.org/wiki/Blu-ray_Disc [14] http://es.wikipedia.org/wiki/HD_DVD [15] http://es.wikipedia.org/wiki/Holographic_Versatile_Disc
