Architettura dei sistemi di elaborazione: La memoria (parte 1)

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1 Architettura dei sistemi di elaborazione: La memoria (parte 1)

2 CPU e Memoria La tecnologia consente di realizzare CPU sempre più veloci. A partire dal 2006 sono stati messi sul mercato processori con frequenza di clock superiore ai 3GHz. Purtroppo le memorie non sono così veloci, cioè non hanno tempi di accesso paragonabili al periodo di clock delle CPU attuali. ns 200 Tempo di accesso memoria Le prestazioni delle CPU non devono essere troppo negativamente influenzate dal tempo di accesso alle memorie Tempo di ciclo CPU In aiuto al progettista viene la proprietà di località spaziale e temporale esibita dai programmi.

3 La memoria - definizioni La memoria è semplicemente un grande vettore unidimensionale di parole o celle (tipicamente bytes) in sequenza. Ogni parola di memoria ha un indirizzo, (simile all indice di un vettore) Memory[0], Memory[1], Memory[2], 0,1,2 sono gli indirizzi di una parola

4 La Memoria parametri di valutazione Dimensione (nel senso di capacità) data in bit o byte; spesso la dimensione viene riportata in modo da descrivere l organizzazione interna. es. 64K x 8 bit indica una memoria di celle di 8 bit ciascuna. Velocità indicata come tempo di accesso (intervallo di tempo tra la richiesta del dato e il momento in cui viene reso disponibile). Consumo questo parametro indica la potenza media assorbita. Costo il parametro più aleatorio, dipende anche dal volume di acquisto. Integrazione maggiore l integrazione, minore l ingombro e il consumo e i costi di assemblaggio delle parti, dell alimentazione e dello smaltimento del calore. Idealmente un calcolatore dovrebbe avere quanta più memoria possibile, ad alta velocità, basso consumo, basso ingombro e minimo costo.

5 La Memoria Principio di Località La modalità di accesso ai dati in memoria è in genere prevedibile, cioè vale il principio per cui se al tempo t si accede all'indirizzo X è "molto probabile" che l'indirizzo X+appleX sia richiesto fra t e t+ applet. Questo significa che nel breve periodo gli indirizzi generati da un programma sono confinati in regioni limitate (località spaziele) e vengono richiesti in tempi brevi (località temporale) La distribuzione degli accessi alla memoria in un dato intervallo può essere misurato direttamente su un sistema.

6 Gerarchie di memoria Idealmente un calcolatore dovrebbe avere quanta più memoria possibile, ad alta velocità, basso consumo, basso ingombro e minimo costo. Non è possibile avere un unica memoria con tutte queste caratteristiche, ma il principio di località suggerisce di realizzare una gerarchia: - memorie piccole e veloci (e costose) ai livelli alti, vicino alla CPU; - memorie ampie, più lente (e meno costose) ai livelli più bassi. CPU Memoria M1 Memoria M2

7 Gerarchie di memoria A diversi livelli, le memorie sono realizzate con tecnologie diverse. Costo per bit: c 1 > c 2 > Tempi di accesso: t A1 < t A2 < Dimensioni: S 1 < S 2 < Un tipico sistema di memoria è il seguente: memoria interna alla CPU memoria ROM memoria cache memoria principale memoria secondaria c t A S

8 Gerarchie di memoria Registri +lente +capacita`di memorizzazione Cache Memoria principale Dischi magnetici Da 32KB a alcuni MB Da 16MB a decine di GB Da alcuni GB a decine di TB Nastri Dischi ottici Memorizzazione permanente Memorizzazione di archivi

9 Gerarchie di memoria I criteri di gestione si rifanno al principio di località: I dati utilizzati più spesso vanno posti in memorie facilmente accessibili. I dati utilizzati più raramente sono posti in memorie con tempi di accesso elevato. Allocazione dinamica per utilizzare gli spazi disponibili con la massima efficienza. Spostamento automatico dei dati tra i livelli. Canali di comunicazione veloci fra i livelli. Questa politica di gestione tende a mimare una memoria che abbia: i tempi di accesso della più veloce, le dimensioni della maggiore, i costi della più economica.

10 Memoria virtuale All inizio dell era informatica le memorie erano costose e poco capienti. I programmatori impiegavano molto tempo nel tentativo di assottigliare i programmi perché entrassero in memorie minuscole. Quando il programma era troppo grande, veniva messo nella memoria secondaria diviso in pezzi, ciascuno dei quali poteva entrare in memoria principale. I pezzi venivano portati nella memoria principale ed eseguiti uno alla volta. La gestione di questo procedimento era interamente nelle mani dei programmatori. Nel 1968 un gruppo di ricercatori propose di automatizzare questo processo separando i concetti di spazio degli indirizzi e di locazioni di memoria. Questo metodo è oggi chiamato MEMORIA VIRTUALE.

11 Memoria virtuale Ad es. una CPU a 16 bit vede uno spazio degli indirizzi che va da 0 a (2 16 parole di memoria virtuale). La memoria principale può avere comunque, fisicamente, meno di locazioni (supponiamo 4096). Indirizzi utilizzabili dal programma: indirizzi virtuali (o logici). Indirizzi effettivi della memoria principale: indirizzi fisici. Esiste una corrispondenza (se necessaria) tra indirizzo logico e indirizzo fisico. La corrispondenza prende il nome di allocazione, ed è una funzione f tale che: indirizzo fisico = f(indirizzo logico)

12 Analogia (per la memoria virtuale) State scrivendo una relazione (siete il processore) La biblioteca è il disco Sostanzialmente senza limiti Per trovare il libro che serve ci mettete del tempo (lenta) Il tavolo dove studiate è la memoria Ha meno posto : se il tavolo è pieno dovete restituire un libro Trovare il libro da usare è molto più veloce, se l avete già sul tavolo

13 Analogia (per la memoria virtuale) I libri aperti sul tavolo sono la cache Capacità ancora più piccola: si possono avere pochi libri aperti sul tavolo quando sono troppi bisogna chiuderne uno Molto più veloce nel recuperare i dati Si vuole creare un illusione: l intera biblioteca aperta sul tavolo. Due idee (semplici) Tenere aperti sul tavolo i libri usati più recentemente (e il più a lungo possibile è probabile doverli riutillizzare) Tenere i libri sul tavolo il più a lungo possibile restituirli fa perdere tempo

14 Gerarchie di memoria Tiriamo le somme più il livello è vicino al processore più è piccolo più è veloce Contiene un sottoinsieme dei dati del livello sottostante (di solito quelli usati più recentemente) Contiene tutti i dati contenuti nei livelli soprastanti Il livello più basso (il disco) contiene tutti i dati

15 Memoria interna alla CPU Registri interni alla CPU: - visibili o no al programmatore - memorizzano temporaneamente dati e istruzioni - dimensione: qualche byte - tempo di accesso: qualche ns In tempi recenti si è iniziato a collocare sullo stesso chip della CPU anche memorie di tipo cache. Nelle CPU più recenti cresce la quantità di risorse dedicate alla memoria: 1980: processori senza cache (I386) 1995: Alpha % dei transistor 2000: Merced (Intel-HP) 85% dei transistor

16 Registri Un registro è un elemento di memoria in grado di memorizzare un insieme di n bit composto da un insieme di flip-flop l informazione memorizzata in un registro prende il nome di parola (se 8 bit si identifica anche come byte) bit in ingresso bit in uscita

17 Implementazione cella: Latch S-R R CK S R CK S Q Q Q Q CK S R Q Q Q Q 0 1 1? Q ? Quando CK=1 allora si ha il consenso alla transizione

18 Implementazione cella: Flip/flop D Un solo ingresso più uno di abilitazione Usato come unità elementare di memorizzazione Presenta in uscita ciò che è presente in ingresso quando il CK = 1, altrimenti presenta l ultimo valore di D quando il CK commuta da 1 a 0 (delay). D Q CK R Q Q CK D CK D S Q

19 Registro parallelo-parallelo D0 D1 D2 D3 D Q D Q D Q D Q Clock Q0 Q1 Q2 Q3

20 Shift register D D Q D Q D Q D Q Q CLOCK

21 Registro circolare (n=4) D0 D1 D2 D3 Write/Shift Scrivi/Scorri D Q D Q D Q D Q Q Clock

22 Memoria ROM memoria elettronica (matrice logica) a sola lettura ad accesso casuale (il tempo di accesso a una cella è indipendente dalla sua posizione) Impiegata per contenere i programmi che inizializzano la macchina all atto dell accensione e il nucleo di base del sistema operativo. Implementabile con 3 componenti fondamentali Porta AND x 1 x 2 y x 1 Porta OR y = E x 2 E Decodificatore

23 Schema logico di una ROM Funzioni di commutazioni realizzate come OR di mintermini fusibile

24 Implementazione ROM con C-MOS ROM 4x4 (numero parole x dimensione parola) R R R R Vdd Interruttore Indirizzo DEC Assenza collegamento =1 Uscita

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