MEMORIA CENTRALE. eseguire o dei dati da elaborare) e scrittura (ad es. dei dati elaborati).

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1 MEMORIA CENTRALE Insieme di celle, ciascuna delle quali è individuata da un indirizzo espresso da n bit (n = lunghezza del registro MA). Es. Registro Indirizzi di 32 bit 2 32 celle = 4 Gcelle 4 Gbyte Il Pentium in realtà ha indirizzi lunghi bit e può indirizzare 2 16 (= 65536) segmenti di 4 Gbyte. Capacità: alcune centinaia-migliaia di Mbyte. Tempo di accesso: dell ordine dei nanosecondi 1 ns = 10-9 s Durante il funzionamento del calcolatore la memoria centrale contiene dati e istruzioni (ossia i programmi). I dati possono cambiare durante l esecuzione dei programmi (elaborazione dati) in funzione del risultato delle istruzioni eseguite. Sulla memoria centrale deve quindi essere possibile fare operazioni di lettura (ad es. dei programmi da 1 eseguire o dei dati da elaborare) e scrittura (ad es. dei dati elaborati).

2 MEMORIA CENTRALE In lettura la CPU: attiva, cioè fissa ad 1 (attraverso l unità di controllo) la linea del bus di controllo che corrisponde alla lettura trasmette sul bus indirizzi l indirizzo della cella cui vuole accedere con un piccolo ritardo (tempo di accesso) riceve sul bus dati il contenuto della cella. In scrittura la CPU: attiva, cioè fissa ad 1 (attraverso l unità di controllo) la linea del bus (di controllo) che corrisponde alla scrittura trasmette sul bus indirizzi l indirizzo della cella cui vuole accedere invia sul bus dati il dato che deve essere inserito nella cella. 2

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5 Modulo memoria Simm EDO Modulo memoria SDRAM PC100 da 32 Mbytes Modulo memoria SDRAM PC133, da 64 Mbytes 5

6 Modulo memoria SDRAM PC133 ECC Registered, da 256 Mbytes Modulo memoria DDR-SDRAM PC2100, da 128 Mbytes Modulo memoria Rambus PC800, da 128 Mbytes 6

7 Memoria cache Durante i cicli di clock necessari per effettuare un operazione di lettura o scrittura in memoria la CPU passa in uno stato di attesa che mantiene sino al completamento dell operazione (Più la memoria è lenta, più cicli dovrà aspettare la CPU). PERCHE NON COSTRUIRE MEMORIE VELOCI COME LA CPU? Per eliminare stati di attesa le memorie dovrebbero trovarsi sullo stesso CHIP della CPU (la connessione via bus è ovviamente più lenta). Tale soluzione non consentirebbe memorie particolarmente capaci, e farebbe notevolmente aumentare volume e costo del chip (CPU + memorie). Soluzione-compromesso: presenza di una piccola memoria (veloce) nello stesso CHIP che contiene la CPU, e una o più memorie esterne (meno veloci di quella on chip ma più veloci della RAM) collegate 7 alla CPU tramite bus.

8 Memoria cache Memoria cache (dal francese cacher -nascosto): memoria poco capace ma veloce, interposta tra RAM e CPU al fine di ridurre gli intervalli di attesa della CPU. La CPU invece di accedere alla RAM, accede alla Cache. Se il contenuto dell indirizzo di memoria richiesto non è presente in cache (cache miss), si effettua la copia dalla RAM alla Cache del contenuto di un prefissato numero di locazioni contigue, in cui è 8 contenuto anche l indirizzo di memoria richiesto.

9 Cache di primo livello o interna (32-64 KB): garantisce un flusso continuo all interno del processore; Cache di secondo livello o esterna (28K- 2MB): limita il degrado delle prestazioni dovute alla lentezza della memoria centrale Configurazione tipo di un PC-2002 Registri 16, 32, 64 bit Cache di primo livello KB Cache KB si secondo livello Ram MB HD 40 GB 9

10 USO DELLE ROM Quando il calcolatore viene acceso, la RAM è vuota. Tuttavia la CPU deve poter trovare da qualche parte una sequenza di istruzioni (programma) da eseguire. In ogni computer c è una ROM che contiene il BIOS (Basic Input/Output System). Il BIOS è una serie di programmi utili per l accesso ai dati che consente al computer di disporre, all accensione, degli strumenti di base per poter funzionare. Il BIOS contiene un piccolo programma che consente di trasferire dalla memoria di massa a quella centrale il 10 sistema operativo e altri dati essenziali (fase di boot).

11 ROM: memorie non volatili ad accesso casuale utilizzate per contenere software che non deve essere modificato nel tempo (BIOS del PC, programmi per il controllo di periferiche, cartucce per i giochi, applicativi di alcuni palmari e..). Tempo di accesso dell ordine dei nanosecondi PROM (Programmable ROM): è una ROM programmabile una sola volta dall utente tramite specifici dispositivi (programmatori di PROM). EPROM (Erasable PROM): le EPROM possono essere non solo programmate dall utente ma anche cancellate. La programmazione si effettua con programmatori di Eprom, mentre la cancellazione avviene esponendo l apposita finestra presente sul chip ad una forte luce ultravioletta per 15 minuti, tutti i bit si settano ad a 1. EEPROM (Elettrically Erasable PROM): le EEPROM più costose ma meno veloci delle RAM, possono essere cancellate (un byte alla volta) tramite impulsi elettrici e riprogrammate senza essere estratte. Memorie FLASH: le EEPROM più recenti (USB key) si cancellano per 11 blocchi di byte.

12 Memorie di massa o secondarie Mentre la memoria centrale, finché alimentata, memorizza i dati ed i programmi in esecuzione, la memoria di massa memorizza e conserva, anche in assenza di alimentazione, tutti i programmi e i dati del calcolatore. Caratteristiche delle memorie secondarie Non volatilità: i dati memorizzati non vengono persi se si spegne il calcolatore (i dati sono memorizzati in forma magnetica o ottica e non elettrica) Grande capacità: le memorie secondarie hanno capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto a quelle centrali Bassi costi: il costo per bit di una memoria secondaria è minore (di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale Minore velocita di accesso: I tempi di accesso a una memoria secondaria sono maggiori (di qualche ordine di grandezza) rispetto 12 alla memoria principale

13 Memoria di massa: dischi, nastri,. Purtroppo solo alcuni supporti consentono l'accesso diretto (dischi) mentre altri (nastri) permettono solo l'accesso sequenziale. Mentre la memoria principale consente di indirizzare il singolo byte, nelle memorie di massa le informazioni sono organizzate in blocchi (di solito da 1 KByte a su) Dischi magnetici: supporti di plastica o vinile su cui è depositato del materiale magnetizzabile. I dischi vengono mantenuti in rotazione a velocità costante e le informazioni vengono lette e scritte da apposite testine.

14 Il primo tipo di memoria di massa magnetica sono stati i nastri magnetici L informazione è divisa su 9 tracce: 8 bit + 1 bit di parità per controllo degli errori. I dati sono divisi in blocchi separati da 14 un gap, e l accesso è di tipo sequenziale.

15 Formattazione: suddivisione della superficie in tracce e settori I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e settori, ogni settore è una fetta di disco. I settori suddividono ogni traccia in porzioni di circonferenza dette blocchi (o record fisici). Più settori rappresentano un cluster. Blocco: l indirizzo di un blocco (minima unità indirizzabile in un disco magnetico) è dato da una coppia di numeri: il numero della traccia e il numero del settore.

16 Dischi magnetici capacità dell ordine di decine di Gbyte tempo di accesso dell ordine dei millisecondi (10-3 ). Per effettuare la lettura (scrittura) di un blocco è necessario spostare la testina in modo da posizionarla sull'indirizzo desiderato (durante la lettura/scrittura la testina è ferma mentre il disco si muove) Tempo di accesso: Tempo di posizionamento(seek time): tempo per spostare la testina in senso radiale fino a raggiungere il cilindro e quindi la traccia interessata; Tempo di latenza: tempo che bisogna attendere perché il settore desiderato passi sotto la testina 60 latency time = 2* n o rotazioni min uto Tempo di trasmissione: tempo perché il blocco da (leggere) (scrivere) transiti sotto la testina TT=((byte per blocco)/(byte per traccia)) * (T.rotaz.completa) per

17 Floppy disk (dischetti flessibili): supporti rimovibili non rigidi di materiale plastico e ricoperti da un piccolo strato di sostanza magnetizzabile tempi di accesso di circa 500ms Velocita di rotazione : circa 300 rpm I floppy disk da 3.5" hanno capacità di qualche MByte (ad esempio la formattazione dei floppy da 1.4 Mbyte produce 80 tracce per faccia, e divide ciascuna traccia in 18 settori 1 settore=512 bytes )

18 Disco ottico: piatto rigido su cui viene proiettato un raggio laser la cui riflessione cambia quando incontra le depressioni (PIT) rispetto alla superficie (LAND). La potenza del raggio (dell ordine dei milliwatt) dipende dall operazione: lettura, scrittura, cancellazione per riscrittura. 0 e 1 non vanno identificati con PIT e LAND: 1: variazione tra PIT e LAND oppure tra LAND e PIT 0: nessuna variazione. Scritti (in genere) una sola volta, perché le modifiche fisiche prodotte durante la scrittura sono irreversibili, sono usati per la distribuzione dei programmi e come archivi che non devono essere modificati (la capacità varia dai 500 MByte ad uno o più GByte)

19 DISCO OTTICO 19

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21 CD (Compact Disc): l informazione è memorizzata in un unica traccia a spirale, lungo la quale la densità di scrittura è costante (1,66/micron pari a 42 kbit/pollice). La distanza tra 2 giri successivi della spirale (track pitch) è di 1,6 micron. CLV (velocità lineare costante): il disco ruota a velocità lineare costante. La velocità di rotazione varia a seconda della posizione dei dati da 200 a 500 giri al minuto (1 x velocità di base 1,2 m/s). Tale velocità è determinata dal bit rate necessario per la riproduzione dei brani musicali (~150KB/s). Poiché per applicazioni digitali tale velocita risulta troppo bassa, da molti anni sono oramai presenti dispositivi con velocità multipla (2X, 4X,.. 30X..40X..) CAV velocità angolare costante: il numero di bit per settore è costante, quindi la densità di scrittura è maggiore in corrispondenza del centro del disco (naturalmente la superficie esterna risulta sotto utilizzata). 21

22 CD-Recordable: CD registrabili solo una volta Due strati di policarbonato racchiudono un sottilissimo foglio dorato ricoperto di pittura traslucida che si comporta come parte LAND. La registrazione consiste nel bruciare punti nello strato di pittura. E possibile effettuare registrazioni in più sessioni, anche se le sessioni sono separate da spazi detti GAP, che sprecano tuttavia una grande quantità di spazio. CD-RW (rewritable): CD cancellabili e riscrivibili Usano la tecnologia phase change (con potenze laser differenti 8 o 18 milliwatt si trasforma una zona da cristallina ad amorfa e viceversa). La lettura avviene proiettando un raggio laser di bassa potenza. Il raggio proiettato viene riflesso in modo diverso a seconda che nel punto colpito vi sia uno stato cristallino o uno stato amorfo. 22

23 DVD (Digital Versatile Disk) o (Digital Video Disk) Capacità attuale di ~5GB I PIT sono piu piccoli ( 0.4m) Possono essere a due strati e a due facce. DVD-R scrivibili solo una volta DVD-RAM leggibili e scrivibili ( vanno inseriti in un supporto) Possono essere sia CAV che CLV 23

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25 Confronto tra DVD E CD-ROM DVD CD Diametro del disco 120 mm 120 mm Spessore del disco 1.2 mm (0.6 x 2) 1.2 mm Numero di superfici 1 or 2 1 Numero di strati 1 or 2 1 Dimensione min PIT 0.4 micron micron Larghezza traccia 0.74 micron micron Vel. media di trasf. 4.7 Mbyte/s 0.15 Mbyte/s Capacità (1 strato,1 sup.) 5 Gbyte Gbyte Capacità (2 strati, 2 sup.) 17 Gbyte 25

26 Prestazioni memoria Tipo Dimensione Tempo MB/sec Registro < 1KB < 1 ns ~ Cache < 2MB < 10 ns 5000 ~ RAM < 4GB < 100 ns 1000 ~ 5000 Dischi > 50GB < 10 ms 20 ~ 80 Nastri >10GB ~ 100 ms ~ 1 26