Memorie a Stato Solido

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1 Memorie a Stato Solido Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 1

2 Introduzione Ogni sistema di elaborazione contiene dispositivi per la memorizzazione di dati ed istruzioni. L insieme di tali dispositivi, e degli algoritmi per la loro gestione, costituisce il sotto-sistema di memoria. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 2

3 Introduzione L obiettivo di tale sotto-sistema è quello di far sì che il processore non debba mai attendere quando accede a dati o istruzioni. Poichè d altro canto il costo delle memorie è proporzionale alla loro velocità, si deve cercare un compromesso tra il costo del sistema e le sue prestazioni. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 3

4 Criteri di Classificazione (1) Posizione: nella CPU, all interno del sistema, all esterno Capacità: numero di parole, dimensione delle parole Unità di Trasferimento: parola, blocco Modalità di Accesso: sequenziale, diretto, casuale, associativo Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 4

5 Criteri di Classificazione (2) Prestazioni: tempo di accesso, di ciclo, di trasferimento Tipo: a semiconduttore, a superficie magnetica Caratteristiche Fisiche: volatile/nonvolatile, cancellabile/non-cancellabile Organizzazione Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 5

6 Livelli di memoria (1) La memoria di un calcolatore è normalmente organizzata in livelli. Ogni livello è caratterizzato da un tipo di memoria (in termini di velocità, costo e dimensione). In tal modo si raggiungono prestazioni comparabili con quelle della memoria più veloce, a prezzi comparabili con quelli della memoria più lenta. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 6

7 Introduzione Lo schema di indirizzamento determina la dimensione massima della memoria utilizzabile da un calcolatore. Indirizzi 16 bit 32 bit 40 bit Dimensione della memoria 2 16 = 64K locazioni di memoria 2 32 = 4G locazioni di memoria 2 40 = 1T locazioni di memoria La memoria e organizzata in parole di lunghezza fissata, solitamente 2 o 4 byte. I moderni calcolatori consentono di indirizzare i singoli byte: Parola Bytes Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 7

8 Organizzazione degli indirizzi di memoria I byte sono ordinati all interno delle parole secondo due modalita : Big-Endian Little-Endian Indirizzo di parola Indirizzo di byte Indirizzo di byte L organizzazione dei byte nelle parole e significativa solo per il programmatore assembler. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 8

9 Introduzione Esempio: Ipotizziamo di memorizzare il numero esadecimale 0x alla locazione di indirizzo 0x184. Big Endian ha il MSB all indirizzo più basso, Little Endian ha il LSB all indirizzo più basso. BIG ENDIAN LITTLE ENDIAN MSB LSB LSB MSB Little Endian : usato dai Motorola 680x0, DEC RISC. Big Endian: usato dagli Intel 80x86, Mips Rx000, SUN SPARC Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 9

10 Introduzione Le memorie sono caratterizzate in prestazioni da due misure di tempi caratteristici: Il tempo tra l inizio e la fine di una operazione di lettura o scrittura e detto tempo di accesso alla memoria. Il tempo tra due accessi successivi alla memoria e detto tempo di ciclo della memoria. Nelle memorie ad accesso casuale, dette RAM (Random Access Memory), il tempo di accesso ed il tempo di ciclo non dipendono dall indirizzo della locazione cui si accede. I dispositivi di memorizzazione sequenziale hanno tempi dipendenti dalla posizione dei dati. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 10

11 Introduzione La memoria e connessa alla CPU secondo lo schema seguente: CPU MEMORY MAR Bus indirizzi a k bit MDR Bus dati a n bit 2 k parole di n bit Linee di controllo Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 11

12 Introduzione Nei moderni calcolatori il tempo le memorie costituiscono il collo di bottiglia nel flusso di elaborazione. Una soluzione consiste nell utilizzo di memorie cache connesse secondo il seguente schema: CPU MEMORY CACHE Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 12

13 Livelli di memoria (2) Tempi di accesso Memoria interna Memoria principale Memoria secondaria Capacità Costo Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 13

14 Il passato Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 14

15 Tempi di accesso Registri Cache Memoria principale Cache del Disco Dischi Magnetici Capacità Costo Nastri Magnetici Dischi ottici Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 15

16 Memoria interna al processore Corrisponde ai registri interni del processore. È caratterizzata da: alta velocità (comparabile con quella del processore) limitate dimensioni (al più qualche migliaio di byte). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 16

17 Memoria Principale Ha dimensioni molto maggiori (fino a qualche Gbyte) ma tempi di accesso più elevati. È accessibile in modo diretto tramite indirizzi. È normalmente realizzata sotto forma di circuito integrato. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 17

18 Memoria Secondaria Ha dimensioni e tempi di accesso ancora maggiori. Viene usata per memorizzare dati e programmi non immediatamente richiesti dal processore L accesso è gestito da appositi programmi di interfaccia. È normalmente realizzata sotto forma di nastri o dischi magnetici. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 18

19 Memoria Cache Le cache sono memorie estremamente veloci che si interpongono tra il processore e la memoria principale. All interno di una cache risiedono temporaneamente i dati/programmi utilizzati in quel momento. Il loro uso è trasparente al programmatore. Le cache permettono di aumentare la velocità di accesso ai dati nella memoria principale senza ricorrere per essa a memorie di tipo più costoso. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 19

20 Classificazione delle memorie È basata su vari parametri: costo tempo di accesso modi di accesso alterabilità durevolezza del contenuto velocità di trasferimento caratteristiche fisiche. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 20

21 Capacità (quantità di bit) nastro magnetico Costo (in $ per bit) disco magnetico rigido 100 Gbit 1 Gbit Memorie elettroniche memoria centrale disco ottico 10 Mbit cache di 2 livello 100 Kbit cache di 1 livello 1 Kbit banco dei registri disco magnetico flessibile Memorie di massa 1 bit bistabile < 1 ns 1 ns 5 ns 10 ns 50 ns 10 ms 1 sec Tempo di accesso Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 21

22 Costo Comprende anche il costo della circuiteria ed eventualmente del software per la gestione delle interfacce necessarie all uso della memoria. È normalmente misurato in dollari/bit. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 22

23 Tempo di accesso Tempo di accesso È il tempo che intercorre tra l istante in cui all unità di memoria giunge la richiesta di un dato, e quello in cui tale dato viene fornito. Il Tempo di Accesso è di solito inversamente proporzionale al costo della memoria. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 23

24 Modi di accesso (1) Modi di accesso Sono principalmente: sequenziale: le informazioni possono essere lette/scritte solo in un ordine prefissato; è il caso delle memorie ottiche, di quelle a bolle e dei nastri. diretto: ogni blocco ha un indirizzo, e la ricerca nel blocco è sequenziale; è il caso dei dischi. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 24

25 Modi di accesso (2) random: ogni unità di dato ha un indirizzo, e le informazioni possono essere lette/scritte in qualsiasi ordine; il tempo di accesso è uguale per tutte le locazioni di memoria; è il caso delle memorie a nuclei di ferrite e di quelle a semiconduttore; associativo: l accesso avviene tramite un confronto tra il contenuto di ogni cella e quello specificato in una maschera; è il caso di taluni tipi di cache. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 25

26 Alterabilità Alterabilità Vi sono memorie il cui contenuto può essere scritto una volta sola (Read Only Memory - ROM). È il caso delle schede e delle ROM a semiconduttore. In alcuni casi il contenuto di una memoria ROM può essere modificato off-line (Programmable ROM - PROM). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 26

27 Durevolezza del contenuto Vi sono alcune tecnologie particolari, nelle quali l operazione di lettura causa la cancellazione del dato memorizzato (Destructive Readout). In tal caso dopo ogni lettura è necessario eseguire un operazione di riscrittura del dato. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 27

28 Altre tecnologie (memorie dinamiche) sono tali per cui dopo un certo tempo i bit a 1 si trasformano in 0. Questo effetto si ha ad esempio quando il bit è memorizzato sotto forma di carica all interno di un condensatore, a causa delle correnti di scarica. È quindi necessario che periodicamente si provveda a leggere ogni bit e a riscrivere gli 1 ( refreshing). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 28

29 Infine, alcune memorie, come quelle a semiconduttore, perdono il loro contenuto quando non sono alimentate (memorie volatili). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 29

30 Velocità di trasferimento Misura la velocità con cui si può accedere ad un blocco di dati contigui. Il tempo medio T N per la lettura o scrittura di un blocco di N bit è dato da: T N =T A +N/R dove T A è il tempo di accesso medio, ed R la frequenza di trasferimento, in bit al secondo ( bps). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 30

31 Caratteristiche fisiche Tipo della memoria (elettronica, magnetica, meccanica, ottica) Consumo (può comportare la necessità di sistemi di raffreddamento) Densità di immagazzinamento Affidabilità; è di solito misurata dal tempo medio tra 2 guasti (Mean Time Between Failure -MTBF). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 31

32 Evoluzione delle memorie (1) L evoluzione della tecnologia presenta 2 tendenze: riduzione del costo: si è mantenuto costante il costo per circuito integrato, mentre il costo per bit è diminuito: per le memorie a semiconduttore si è passati da circa 0.01 $/bit nel 1975 a $/bit nel 1985 and so on... riduzione (meno marcata) del tempo di accesso. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 32

33 Evoluzione delle memorie (2) Anno Dimensione chip Tempo di ciclo Kbit 250nsec Kbit 220nsec Mbit 190nsec Mbit 165nsec Mbit 140nsec Gbit??? Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 33

34 Tempi di accesso Registri Cache RAM FLASH EPROM EEPROM Dischi Magnetici CD-ROM, DVD Costo Nastri Magnetici Dischi ottici Capacità Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 34

35 Memorie di tipo ROM La CPU durante l esecuzione di un programma può effettuare solo la lettura. L informazione permane anche se viene meno la tensione di alimentazione. La scrittura può essere effettuata con modalità e tempi diversi. ROM: scrittura eseguita dal costruttore PROM: scrittura eseguita a valle del processo di produzione tramite speciali attrezzature denominate programmatori Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 35

36 Memorie di tipo ROM (2) EPROM: può essere riprogrammata, ma prima deve venire cancellata tramite esposizione prolungata (~20 min) a luce ultravioletta EEPROM: può essere riprogrammata byte per byte anche dopo il montaggio sulla scheda, ma l operazione richiede più tempo di quella di lettura Memorie-Flash: hanno tempi di scrittura minori delle EEPROM, ma sono riprogrammabili solo a blocchi. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 36

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38 Memorie di tipo RAM (1) Memorie a semiconduttore ad accesso casuale che sono sia leggibili che scrivibili dal programmatore. L informazione scompare se viene meno la tensione di alimentazione. Sono di 2 tipi: memorie statiche memorie dinamiche Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 38

39 Memorie di tipo RAM (2) memorie statiche: la singola cella corrisponde ad un Flip-Flop (6 transistor di tipo MOS) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 39

40 Memorie di tipo RAM (3) memorie dinamiche: la singola cella corrisponde ad un condensatore e ad un transistor; l informazione è memorizzata sotto forma di carica del condensatore; l informazione tende a diminuire e dunque richiedono un rinfresco periodico dell informazione. La semplicità della cella elementare consente capacità molto elevate (milioni di bit per chip). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 40

41 Memorie di tipo RAM (4) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 41

42 SRAM: Static RAM (1) Linea indirizzi La cella elementare è costituita da 6 transistori MOS che formano un FLIP-FLOP. L'informazione permane stabile in presenza della tensione di alimentazione. Tempi di accesso rapidi. Linea dati Costi elevati Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 42

43 SRAM: Static RAM (2) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 43

44 SRAM: Static RAM (3) SRAM: Static RAM Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 44

45 RAM Dinamica (1) Linea dati Linea indirizzi La cella di DRAM è composta da un condensatore C ( Storage Capacitor) e da un transistor MOS (Pass gate); la carica contenuta in C dipende dall informazione presente nella cella. Quando la riga (Address) viene selezionata si apre il transistor e la carica del condensatore viene portata sulla linea di dato (Bit Line). La tensione sul condensatore tende a diminuire (millisecondi) e quindi deve essere ripristinata o rinfrescata. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 45

46 RAM Dinamica (2) L'operazione di refresh di una memoria dinamica avviene leggendo il contenuto e riscrivendo immediatamente lo stesso valore appena letto, in modo che questo possa essere mantenuto per una ulteriore frazione di secondo. L'operazione di refresh deve essere ovviamente ripetuta periodicamente per tutti i bit memorizzati in un modulo RAM, ed il ciclo di refresh di tutte le celle deve completarsi in un tempo inferiore al tempo necessario ad una cella per "dimenticare" il proprio contenuto. Moduli RAM dinamici vengono prodotti già completi con la logica necessaria a realizzare il refresh di tutte le celle. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 46

47 RAM Dinamica (3) Linea dati Linea indirizzi Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 47

48 RAM Dinamica (4) 16 Mb DRAM (4M x 4) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 48

49 RAM: Il passato Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 49

50 ROM: Read Only Memory Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 50

51 Le vere e proprie ROM I contatti vengono realizzati dal costruttore nell ultimo stadio del processo di fabbricazione del circuito su ordine dell acquirente: Le ROM sono programmabili una sola volta (OTP: one time programmable). memorie a sola lettura (Read Only). memorie non volatili Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 51

52 PROM (Programmable ROM) i La programmazione viene effettuata dall utente mediante un apposita apparecchiatura che consente di bruciare selettivamente i fusibili inseriti dal costruttore. Convenienti per bassi-medi volumi di produzione Dispositivi programmabili una sola volta Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 52

53 PROM (Programmable ROM) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 53

54 Memorie non volatili a sola lettura devono permanere quando il sistema non è alimentato e non cambiano durante il funzionamento. Esempi: il programma di un sistema embedded, il BIOS del PC.. Limitazioni delle ROM Costi fissi elevati Grossi volumi di produzione. Non adatte allo sviluppo (OTP) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 54

55 EPROM S Wordl Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 55

56 EPROM (Erasable PROM) Q Q Programmazione effettuata dall utente mediante una apposita apparecchiatura che consente di inviare impulsi elettrici che provocano accumulazione di carica sul terminale di comando. Cancellazione ottenuta convogliando luce ultravioletta sui terminali di comando attraverso una finestra di quarzo presente sul contenitore. Costo superiore a quello delle PROM Dispositivi riprogrammabili Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 56

57 EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory) La M27128 è una memoria a 131,072 bit cancellabile con raggi UV e pro_ grammabile elettricamente. E orga nizzata in words di 8 bit. E alloggiata in un case da 28 pin dual in line. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 57

58 EEPROM(Electical Erasable Programmable Read Only Memory) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 58

59 Flash (Flash Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) Flash electrically erasable PROM Programmazione similare alla EPROM Cancellazione utilizzando l effetto tunnel di Fowler-Nordheim 12-20V. Bulk erase flash cancella tutto il chip o blocchi/settori in una sola passata lenta può richiedere da 100 ms ad 1 s Erase/program in system: chip has internal voltage generator and program/erase logic Limited lifetime: limited to 10K-100K erase/program cycles - oxide wears out Usage - solid state disk, etc. cheaper than battery-backed SRAM Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 59

60 Tipo Categoria Canc. Scrittura Volatilità RAM ROM Read/ write read/only Elettr. No Elettr. Maschere Volatile Non Vol. Prom read/only No Elettr. Non Vol. Eprom read/ U.V. Elettr. Non Vol. EEprom read/ Elettr. Elettr. Non Vol. Flash read/ Elettr. Elettr. Non Vol. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Memorie a stato solido, 60