1.4b: Hardware. (Memoria Centrale)

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1 1.4b: Hardware (Memoria Centrale)

2 Bibliografia Curtin, Foley, Sen, Morin, Informatica di base, Mc Graw Hill Sciuto, Buonanno, Mari, Introduzione ai sistemi informatici, Mc Graw Hill

3 Memoria Centrale Un computer, per funzionare, ha bisogno di uno spazio dove memorizzare le parti di programma che utilizza e i dati che deve elaborare. Tale spazio è rappresentato dalla Memoria Centrale La Memoria Centrale è suddivisa in celle della dimensione di 1 byte (8 bit) (locazioni di memoria) organizzate in parole (gruppi di byte) Ogni cella ha un indirizzo La Memoria centrale è ad accesso casuale, al processore occorre sempre lo stesso tempo per accedere ad un qualsiasi punto di essa L accesso è velocissimo, l ordine è dei nano secondi, cioè miliardesimi di secondo (0.5-1 ns).

4 Concetti principali Tipologie di memoria Centrale (RAM/ROM) Memoria virtuale e operazione di Swapping Registri Cache Memory Buffer

5 Tipologie di Memoria Centrale La Memoria centrale è suddivisa in RAM (Random Access Memory), memoria di lettura/scrittura ROM (Read Only Memory), memoria a sola lettura

6 RAM La RAM è accessibile in scrittura e lettura. Perde il suo contenuto allo spegnimento della macchina (volatile). Contiene Dati e Programmi attualmente in esecuzione

7 FLIP-FLOP (Bistabili) La RAM è costituita da miliardi di interruttori elementari che possono assumere due possibili stati acceso/spento. Se il flip-flop è acceso... corrisponde al bit 0 Se il flip-flop è spento... corrisponde al bit 1 Ogni flip flop è grande meno di un millionesimo di metro (30 nanometri). Il flip flop si spegne quando non è alimentato dalla corrente elettrica, perciò quando si spegne il computer, la RAM si svuota e perde tutti i dati

8 ROM La ROM è una memoria a sola lettura contenente dati e istruzioni, il cui contenuto non può essere modificato in alcun modo dall utente Non perde il contenuto allo spegnimento della macchina (non volatile). Dati e programmi memorizzati in una ROM prendono il nome di FIRMWARE.

9 ROM BIOS La memoria ROM-BIOS (Basic Input Output System) è un piccolo "chip elettronico all'interno dei Computer che contiene Le procedure che gestiscono funzioni di input/output, comprese quelle grafiche. Il primo programma che il computer esegue non appena acceso (bootstrap)

10 Bootstrap

11 CMOS Una piccola parte di RAM (CMOS) è presente anche nel BIOS. La memoria CMOS è una memoria statica (SRAM) che mantiene i dati con una alimentazione a batteria (simile a quella usata per gli orologi da polso). Essa contiene le informazioni sulla composizione fisica del computer (informazioni di Setup ). Tali informazioni possono essere modificate. Quando l'hardware subisce modifiche è sufficiente aggiornare questa parte del BIOS, senza bisogno di riscrivere tutti i programmi.

12 PROM ed EPROM PROM (Programmable ROM): é una ROM che può essere programmata con una apparecchiatura speciale (programmatore di PROM). I livelli 1 e 0 che costituiscono i dati binari sono scritti con la modifica di alcune parti del chip (ad es. bruciatura di fusibili integrati) ed una volta scritti non sono più cancellabili. EPROM (Erasable Programmable ROM) che può essere cancellata e riscritta con opportuni apparecchi (programmatori di EPROM). La cancellazione delle EPROM avviene esponendo il chip ad una luce ultravioletta.

13 Indirizzi di memoria I bit nelle memorie sono raggruppati in celle: tutte le celle sono formate dallo stesso numero di bit; una cella composta da k bit, è in grado di contenere una qualunque tra 2 k combinazioni diverse di bit. Ogni cella ha un indirizzo: serve come accesso all informazione; in una memoria con N celle gli indirizzi vanno da 0 a N 1. La cella è l unità indirizzabile più piccola. In quasi tutti i calcolatori è di 8 bit (un byte). I byte vengono raggruppati in parole (che oggi sono di 32/64 bit), su cui la CPU esegue le operazioni.

14 Organizzazione della memoria Anche gli indirizzi della memoria sono rappresentati come numeri binari: un indirizzo di M bit consente di indirizzare 2 M celle; per 6 o 8 celle bastano 3 bit, per 12 celle ne servono 4; il numero di bit nell indirizzo determina il numero massimo di celle indirizzabili nella memoria ed è indipendente dal numero di bit per cella (una memoria con 2 12 celle richiede sempre 12 bit di indirizzo, quale che sia la dimensione di una cella). Una memoria può essere organizzata in diversi modi: con 96 bit possiamo avere 6 celle di 16 bit (6*16=96), o 8 celle di 12 bit (8*12=96) o 12 celle di 8 bit (12*8=96).

15 Organizzazione della memoria parole da 16 bit parole da 12 bit parole da 8 bit 11

16 Memoria virtuale e Swapping La RAM non è infinita e può saturarsi, soprattutto se sono in esecuzione molti programmi nello stesso momento sono aperti documenti molto grandi (che occupano molto spazio) Nel caso di sovraccarico e in presenza di un ulteriore esigenza computazionale (apertura di un nuovo documento o esecuzione di un nuovo programma), il Sistema Operativo può fare una delle seguenti cose: Impedire l apertura del nuovo documento (o la partenza di un altro programma). fare spazio nella memoria disponibile, per le nuove esigenze e quindi permettere di aprire il nuovo documento o di far partire un altro programma I Sistemi di vecchia generazione adottavano la prima soluzione, mentre i più recenti adottano la seconda.

17 Memoria virtuale e Swapping Il Sistema Operativo per fare spazio all interno della RAM sposta (parti di) dati o (parti di) programmi dalla RAM al Disco Fisso, utilizzando una particolare zona detta area di Swap, o file di swapping

18 Memoria virtuale e Swapping Il Sistema Operativo sceglie ciò che va spostato nell area di swap utilizzando varie strategie, ad esempio sposta ciò che in RAM è inutilizzato da più tempo Tale uso combinato di RAM e di Hard Disk prende il nome di Memoria Virtuale L operazione di spostamento è un operazione necessaria (soprattutto se il computer dispone di poca RAM), ma molto costosa (in termini di tempo)

19 Registri Il processore non lavora direttamente sulla RAM, ma solo su dati e istruzioni presenti al suo interno Per cui, ogni volta che deve eseguire un istruzione su uno o più dati, è necessario copiare dalla memoria centrale all interno del processore l istruzione da eseguire i dati su cui l istruzione opera Le memorie interne al processore, preposte a tale compito, sono dette Registri I registri di un processore sono, in tutto, qualche decine Hanno tempi di accesso molto rapidi

20 Registri L operazione, da farsi per poter eseguire ogni singola istruzione, è però costosa rispetto al tempo che il processore impiega ad eseguire l istruzione stessa Si corre il rischio quindi di avere un processore che lavora molto velocemente ma che passa quasi tutto il suo tempo fermo, perché in attesa che l istruzione e i dati su cui essa opera vengano copiati dalla RAM nei registri.

21 Memoria vs. CPU Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie l aumento di integrazione ha consentito di realizzare CPU pipeline e super scalari, molto efficienti e veloci; nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità. L accesso alla memoria passa attraverso il bus la frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa di quella della CPU; il bus può essere impegnato ad effettuare trasferimenti controllati da dispositivi di I/O autonomi (e.g. DMA). È difficile riordinare le istruzioni in modo da poter sfruttare i tempi di attesa della memoria. È possibile fare memorie molto veloci se stanno nel chip della CPU, ma sono piccole e costose.

22 Le memorie gerarchiche Memorie di gran capacità, relativamente lente, economiche ed accessibili tramite il bus: MGL ovvero Memoria Grossa e Lenta; dimensioni pari a circa 10 unità; tempo di accesso (TA) di circa 10 unità. Memorie veloci, integrate nello stesso chip della CPU, ma costose: MPV ovvero Memoria Piccola e Veloce; dimensioni pari a circa 1 unità; tempo di accesso pari a circa 1 unità. Obiettivo: realizzare una memoria grossa e veloce dimensioni pari a circa quelle della memoria grossa; prestazioni pari a circa quelle della memoria veloce.

23 Cache Memory Un esempio di Memoria piccola e veloce (tampone) è la Cache Memory (di tipo SDRAM) posta a diretto contatto con il processore, molto più piccola ma molto più veloce (e costosa) della RAM,

24 Cache Memory Nella Cache vengono memorizzati: una parte dei dati contenuti nella memoria principale (ad esempio quelli usati più frequentemente o quelli vicini ai dati appena utilizzati) una parte delle istruzioni del programma in esecuzione (ad esempio quelle utilizzate più recentemente o quelle vicine fisicamente all istruzione in esecuzione) in questo modo il loro reperimento sarà molto veloce Si cerca se il dato/l istruzione è presente nella cache e se c è lo si usa ( Cache Hit ) Se invece non c è ( Cache Miss ) lo si prende dalla RAM e lo si copia nella cache: la prossima volta verrà ritrovato nella cache

25 Una gerarchia di memoria Ipotesi: distribuzione uniforme delle richieste la frequenza con cui si trova il dato cercato nella MPV (hit ratio) sarà in media il 10% (1/10), in questi casi il tempo di accesso (hit time) sarà pari a 1 unità; la frequenza con cui è necessario accedere alla MGL (miss ratio) sarà in media il 90% (9/10), in questi casi il tempo di accesso (miss penalty) sarà pari a 10 unità; il tempo medio di accesso sarà 0.1 * * 10 = 9.1 unità!

26 Gerarchia di memoria Sistema di memoria Memoria piccola e veloce CPU Livello 1 Livello 2 Trasferimento di dati Memoria grande e lenta

27 Il principio di località Località spaziale: quando si accede all indirizzo A, è molto probabile che gli accessi successivi richiedano celle vicine ad A. Le istruzioni del codice vengono in genere lette da locazioni consecutive della memoria; Località temporale: quando si accede all indirizzo A, è molto probabile che negli accessi successivi si richieda di nuovo la cella A. cicli di istruzioni accedono ripetutamente alle stesse locazioni di memoria; istruzioni vicine tendono ad utilizzare le stesse variabili

28 Come si sfrutta la località Diversi approcci a seconda del tipo di località: località temporale: i dati prelevati dalla MGL vengono conservati nella MPV il più a lungo possibile; località spaziale: quando si copia un dato dalla MGL alla MPV, si copiano anche i dati vicini (cache line o blocco). La frequenza di successo (hit ratio h) cresce fino a superare il 99%: in effetti h dipende da due caratteristiche contrastanti: quanti sono i blocchi in memoria se c è spazio per tanti blocchi un dato resta in memoria più a lungo e può sfruttare più a lungo la località temporale; la dimensione dei blocchi un blocco grande sfrutta meglio la località spaziale;

29 Buffer Piccola zona della RAM riservata per operazioni varie. Utilizzato per scaricare o caricare i dati su/da disco Contiene gli ultimi dati immessi da tastiera (fino a che non si preme il tasto INVIO, ad esempio) Contiene gli ultimi comandi usati da un programma con il relativi dati coinvolti, per poter poi permetterne l annullamento tramite il pulsante Contiene ciò che viene Tagliato o Copiato (Clipboard)