Le Memorie. Prof. Maurizio Naldi A.A. 2015/16

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1 Le Memorie Prof. Maurizio Naldi A.A. 2015/16

2 Memorie Memoria Principale (centrale) Si accede direttamente dalla CPU non permanente Memoria Secondaria (di massa) Si accede tramite il sottosistema di input/output permanente

3 Memoria principale e secondaria Diversi obiettivi: (P) Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più rapidamente possibile (S) Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati periodi di tempo Diverse esigenze: (P) velocità per il supporto alla CPU (S) non volatilità ed elevata capacità Diverse tecnologie: (P) elettronica: veloce, ma costosa e dinamica (volatile) (S) stato solido, magnetica e ottica: economica, ma lenta

4 Criteri di valutazione Velocità Volatilità Capacità Costo (per bit) Modalità di accesso diretto (o casuale) (es. RAM) Sequenziale (es. nastri magnetici) Misto (es. dischi) Associativo (es. memorie cache)

5 Memoria Centrale Memoria ad accesso casuale (RAM) Casuale va inteso nel senso che il tempo di accesso non dipende dalla locazione Mantiene al proprio interno i dati e le istruzioni dei programmi in esecuzione Tecnologia elettronica (1 transistor per ogni bit) veloce, volatile e costosa Due varianti ROM: elettronica, permanente ma solo lettura Flash: elettronica, permanente e riscrivibile

6 Memorie ROM e Flash ROM (Read Only Memory): memoria elettronica, permanente (non volatile) utilizzabile solo in lettura i dati sono memorizzati tramite collegamenti elettronici definiti nella fase di costruzione. Di regola non possono essere modificati successivamente. tempo di accesso: ~ 150 nanosecondi Flash: memoria elettronica, non volatile e riscrivibile informazioni registrate in transistor in grado di mantenere la carica elettrica per un tempo lungo (effetto di campo) tempo di accesso: ~ 75 nanosecondi (NOR) ~ 25 microsecondi (NAND)

7 Differenze tra ROM e RAM Random Access Memory termine in genere associato alla memoria centrale prestazioni location-independent Volatile: conserva dati e istruzioni solo se alimentata capacità in MB (MegaByte) o GB (GigaByte) Read-Only Memory contiene parti essenziali del software di sistema quali il BIOS (Basic Input/Output System) il POST (Power On Self Test) particolari varianti tecnologiche sono: PROM, EPROM, EEPROM, FLASH

8 Interazione fra CPU e Memoria Centrale L esecuzione delle istruzioni causa una sequenza di accessi alla memoria centrale Una volta caricato l intero programma nella memoria centrale, l unità di controllo prende in considerazione la prima istruzione, la decodifica e ordina all unità aritmetico-logica di eseguirla Il processore memorizza quindi il risultato della prima istruzione e prende in esame la successiva

9 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 per accedere al contenuto della cella; 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 4/8 byte) che la CPU accede in lettura e scrittura.

10 Organizzazione della Memoria Anche gli indirizzi della memoria sono rappresentati come numeri binari: un indirizzo di M bit consente di indirizzare 2 M celle di memoria; ad esempio per 16 celle bastano 4 bit (2 4 = 16) oggi gli indirizzi sono a 32 o 64 bit con 64 bit si possono indirizzare (2 64 ) celle diciotto miliardi di miliardi! internamente l accesso avviene come in una matrice (righe e colonne)

11 Memoria vs. CPU

12 Memoria vs. CPU Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie La miniaturizzazione ha consentito alle CPU di raggiungere velocità di esecuzione sempre più elevate Più i componenti sono piccoli, più alta può essere la frequenza delle operazioni nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità Alla fine degli anni 80 un Personal Computer aveva 1 Megabyte di RAM. Oggi un laptop ha almeno 4 Gigabyte (4000 volte di più) i tempi di accesso (CAS latency) però sono calati molto meno: da circa 100 nanosecondi a circa 10 È possibile inserire memorie molto più veloci nello stesso chip della CPU, ma le dimensioni sono piccole ed i costi molto elevati.

13 Gerarchia di Memoria

14 Gerarchia di Memoria Tipicamente costituita da: 1. Registri contenuti nella CPU (al più qualche KiloByte) 2. Cache (qualche MegaByte), es. MacBook Air 4 MB L3 (i7) 3. Memoria principale (alcuni-decine di GigaByte), es. MacBook Air 4-8 GB 4. Dischi (da centinaia di GigaByte a qualche TeraByte) 5. Nastri magnetici e dischi ottici (da GB a TB) Quando ci si sposta verso il basso nella gerarchia: aumenta il tempo di accesso; aumenta la capacità di memorizzazione; diminuisce costo per byte.

15 Memorie disponibili Memorie veloci, integrate nello stesso chip della CPU, ma costose: Chiamiamole MPV (per Memorie Piccole e Veloci). Memorie di grande capacità, relativamente lente, economiche ed accessibili tramite il bus: Capacità circa 100 volte superiori; Tempi di accesso circa 10 volte superiori. Chiamiamole MGL (per Memorie Grandi e Lente). Vorremmo il meglio dei due mondi: una memoria grande e veloce (capacità MGL e prestazioni MPV) Come fare?

16 Gerarchia a due livelli Memoria formata da una MPV e una MGL: MPV contiene una copia di alcune celle della MGL; quando la CPU chiede una cella di memoria, la richiesta viene intercettata dalla MPV: se il dato si trova nella MPV, viene passato direttamente alla CPU; altrimenti, il dato si ottiene dalla MGL, e viene anche caricato nella MPV.

17 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 vengono in genere lette da locazioni consecutive della memoria; gli accessi a vettori o a strutture dati sono vicini. 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.

18 Come sfruttare la località Dipende dal tipo di località: Località temporale: i dati prelevati dalla MGL dovrebbero essere conservati nella MPV il più a lungo possibile; Località spaziale: quando si copia un dato dalla MGL alla MPV, dovremmo copiare anche i dati vicini (cache line o blocco). Necessità contrastanti: per la località spaziale servirebbero blocchi grandi per la località temporale servirebbero blocchi piccoli (se c è spazio per tanti blocchi un blocco resta nella MPV più a lungo)

19 Come sfruttare la località Se gli accessi in memoria rispettano i principi di località Se il sistema MPV/MGL è ben proporzionato dimensione dei blocchi e numero dei blocchi nella MPV Allora la frequenza di successo (hit ratio) può superare il 90% il tempo medio di accesso scende a 0.90*1+0.10*10 = 1.9 Il costo della MPV è molto elevato rispetto a quello della MGL viene utilizzata una gerarchia di MPV cache L1, L2, L3, con dimensioni da pochi KiloByte a decine di MegaByte

20 Caratteristiche gerarchia di memorie

21 Memoria secondaria

22 Supporti di memorizzazione Dischi magnetici disco fisso (Hard-disk, capacità da poche decine a migliaia di GigaByte) dischi rimovibili (capacità come gli HD) Combinazione di parti meccaniche ed elettroniche Dischi ottici CD-ROM (Compact Disk a sola lettura, capacità tipica 650 Mbytes), CD-R (WORM), CD-RW (RAM) DVD (Digital Versatile Disk, capacità min 4.7 Gbyte, (1lato/ 1 strato) film full motion a schermo largo, 3 canali audio) Unità a stato solido non è un disco, capacità fino a qualche centinaio di GigaByte. Fondamentalmente una memoria Flash Tipiche di smartphone, tablet, laptop di fascia alta

23 Funzionamento di un hard disk Per effettuare un operazione di lettura o scrittura è necessario che la testina si posizioni in corrispondenza del blocco desiderato La velocità di rotazione del disco può arrivare a giri al minuto! La dimensione del blocco varia da 512 byte a qualche KiloByte

24 Funzionamento di un hard disk La meccanica del hard disk è molto sofisticata ma delicata La capacità di scrittura è nell ordine di qualche MegaByte al secondo La capacità di lettura è più elevata grazie a meccanismi di precaricamento ed alla presenza di memorie più veloci di appoggio.

25 Memorie a Stato Solido (SSD) L unità a stato solido o drive a stato solido, in sigla SSD (solid-state drive), utilizza memoria Flash per l'archiviazione di massa dei dati. La principale differenza con i classici dischi è la possibilità di memorizzare in modo non volatile grandi quantità di dati, senza utilizzare parti meccaniche Oltre alla memoria in sé, un'unità disco SSD dispone di diversi componenti di supporto alle operazioni: controller (microprocessore), memory cache, supercondensatore (o batteria tampone), interfaccia (generalmente SATA2 (3Gb/s) o SATA3 (6Gb/s))

26 Hard Disk vs SSD La frammentazione di un disco SSD non influisce sulle sue prestazioni, poiché il tempo d'accesso a qualunque cella è identico; Attualmente un SSD ha un limite sul numero massimo di operazioni di scrittura (ma è un numero MOLTO elevato) Il tasso di rottura di un SSD oscilla tra lo 0.5% e il 3%, mentre negli hard disk può raggiungere il 10%. Un SSD ha minori consumi e minore produzione di calore Un SSD ha tempi di accesso e archiviazione ridotti: si lavora nell'ordine dei decimi di millisecondo; il tempo di accesso dei dischi magnetici è oltre 50 volte maggiore, attestandosi invece tra i 5 e i 10 millisecondi. Il costo per byte del SSD è sensibilmente più elevato (per ora).

27 Hard Disk vs SSD

28 Accesso seriale ad alta velocità (max 480 Mbit/s con USB 2.0) Uso di microprocessori ad alta velocità e basso consumo Possibilità di scrittura su singoli settori Flash drive USB

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