PDF tratto dal PPT Architettura del Calcolatore

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1 PDF tratto dal PPT Architettura del Calcolatore Prof. Cavalieri - Facoltà di Ingegneria Università di Catania 1

2 Architettura Studiata Bus di controllo DMA Bus di indirizzi Clock RAM ROM CPU Interrupt Bus di dati BIOS Controller dischi, CD-ROM,etc. Connettori Periferiche I/O Bus di I/O 2

3 Circuiti di Temporizzazione (Clock) T tempo Il megahertz (MHz) è l'unità di misura della frequenza alla quale il processore funziona; indica quanti milioni di oscillazioni al secondo (1 oscillazione al secondo = 1 hertz [Hz]) sono generate dal clock. f = 1/T [Hz]. 3

4 Circuiti di Temporizzazione (Clock) In generale il clock é prodotto da un apposito circuito integrato, la cui oscillazione é controllata da un cristallo di quarzo. Il cristallo di quarzo garantisce una elevata stabilita nel tempo e con il variare della temperatura ed una grande precisione nel valore della frequenza prodotta, quanto meno possibile influenzato dalla temperatura e dall' invecchiamento. 4

5 Circuiti di Temporizzazione (Clock) 5

6 Circuiti di Temporizzazione (Clock) Si parte da un quarzo a frequenza bassa (valore tipico MHz) e da questa vengono generate frequenze più elevate (60, 66, 100, MHz). Ogni area del PC che contiene un processore o un microcontrollore, necessita di un clock, che può essere generato in loco o dipendere dal clock principale. Già a partire dalle architetture basate sulla CPU 80486, è diventato comune avere per il processore un clock più elevato di quello generale del sistema. 6

7 Memorie Interne RAM, ROM e Cache Misura della Memoria Classificazione della Memoria: interna ed esterna Memoria Interna: Caratteristiche Generali RAM Statica RAM Dinamica ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory Memoria Cache 7

8 Misura della Memoria Informazione di base = bit Raggruppamenti utilizzati: 1 byte = 8 bit 1 word = N byte Multipli (bit/byte) K (Kilo) = 2 10 (=1024) circa 10 3 M (Mega) = 2 20 (=1024*1024= ) circa 10 6 G (Giga) = 2 30 circa 10 9 T (Tera) = 2 40 circa

9 Memoria Interna o Centrale memorizza programmi e dati su cui lavora la CPU a cui è collegata tramite bus: si accede al singolo bit/byte/word tempi di accesso bassi (ordine delle decine di ns); dimensioni tipiche: 1024/2048/4096 Mbytes realizzata con circuiti elettronici 9

10 Memoria Esterna o di Massa memorizza dati e programmi sotto forma di file. Per l elaborazione, si devono trasferire programmi e dati in memoria centrale: si accede a blocchi (cluster/settori) cioè non è possible leggere/scrivere singoli bit/byte tempi di accesso elevati (ordine del ms) capacità elevate (centinaia di Gbytes) può essere: Memoria di massa on-line, normalmente realizzata con dischi magnetici fissi Memoria di massa off-line, normalmente realizzata con supporti (magnetici/ottici/elettronici) rimovibili 10

11 Memoria Interna: Caratteristiche Generali bus degli indirizzi n fili 1 bit bus dei dati bus di controllo read/write (strobe) m-1 11

12 Memoria Interna: Caratteristiche Generali indirizzi e valori: Con n bit di indirizzo si possono selezionare m = 2 n celle. read/write (strobe): sono segnali (generalmente impulsivi) che vengono inviati dopo il posizionamento dell indirizzo per discriminare tra operazione di lettura e scrittura 12

13 Memoria Interna: Caratteristiche Generali Tempi di servizio: accesso, ciclo (misurati in clock). Accesso: è il tempo necessario affinché la memoria ponga in uscita il valore richiesto (o possa registrare il valore in ingresso), dopo aver posizionato l'indirizzo e lo strobe (R/W). Ciclo: è il tempo minimo che deve intercorrere tra due posizionamenti validi dell indirizzo e dello strobe. Modificabilità Qualsiasi memoria deve essere scritta almeno una volta. Le memorie che non possono essere riscritte si dicono a sola lettura; altrimenti sono riscrivibili. 13

14 Memoria Interna: Caratteristiche Generali Persistenza: permanenti/volatili. Sono permanenti le memorie che mantengono i dati senza bisogno di alimentazione elettrica; altrimenti si dicono volatili. Accessibilità: casuale /sequenziale. Se non esiste alcun vincolo sulla sequenza degli indirizzamenti effettuati, si parla di memoria ad accesso casuale; quando invece il successivo indirizzo è l attuale incrementato di uno si parla di memorie ad accesso sequenziale. 14

15 Memoria Interna: Caratteristiche Generali 1 bit bus degli indirizzi n fili bus di controllo read/write bus dei dati 15

16 Memoria Interna: Caratteristiche Generali Possiamo identificare diversi livelli funzionali di memoria: Random Access Memory (RAM) Read Only Memory (ROM) Memoria Cache 16

17 RAM - Random Access Memory Il termine RAM deriva da Random Access Memory (memoria ad accesso casuale). È una memoria volatile: o La mancanza di tensione provoca la perdita di tutte le informazioni contenute. o In presenza di tensione, ciascuna informazione memorizzata rimane fino alla successiva scrittura. Attualmente assumono valori tipici di migliaia di MBytes. 17

18 RAM - Random Access Memory La RAM vengono utilizzate per i seguenti scopi: memorizzare il Sistema Operativo (ad esempio Windows). memorizzare i programmi utenti prima della loro esecuzione. memorizzare i dati utenti provenienti dalle periferiche o quelli intermedi. La RAM può essere realizzata in differenti modi, ma quella più comune è la RAM dinamica (DRAM) 18

19 RAM DINAMICHE (DRAM) La DRAM usa delle capacità (condensatore) interne per memorizzare i dati. Le capacità perdono la loro carica dopo un certo intervallo di tempo. Queste capacità necessitano di un costante rinfresco per mantenere inalterata l'informazione memorizzata. Il risultato finale è che tra due accessi consecutivi alla memoria, una certa quantità di carica elettrica è mandata a rinfrescare la capacità del chip di memoria, affinché il dato venga mantenuto nello stato logico corretto. Durante il rinfresco della memoria non è possibile accedere ad essa, rallentando, dunque, le sue prestazioni in termini di accessi in lettura/scrittura. 19

20 RAM DINAMICHE (DRAM) Utilizzano un condensatore per memorizzare 1 bit Necessitano di un circuito di refresh Consumano poco Sono abbastanza veloci (decine di ns) 20

21 RAM DINAMICHE (DRAM) SDRAM. Quando sono apparsi i Bus con clock a 100 MHz, si sono affermate le memorie dinamiche di tipo sincrono SDRAM. La Intel ha definito le specifiche PC100 (PC 133). Le DDR (double data rate) sono un tipo di SDRAM che lavorano sui due fronti del clock. Ciò consente di raddoppiare la velocità di trasferimento a parità di frequenza. Sono chiamate (es.): DDR 266 (riferendosi al doppio del clock effettivo, 133 MHz) PC 2100 (riferendosi alla banda o velocità di trasferimento :8 byte (64 bit a volta) * 2 * 133 MHz) 21

22 RAM DINAMICHE (DRAM) Più recenti delle DDR sono le DDR-II Sono caratterizzate da più elevate velocità di clock rispetto a DDR (circa il doppio), che a sua volta raddoppiò la velocità della SDRAM. La maggiore velocità è legata alla presenza di buffer di I/O con clock doppio del bus interno rispetto a quello di funzionamento di ogni cella di memoria (Si raddoppia il numero di bit letti ad ogni ciclo ed inviati al bus interno) Esempi di Chip DDR2-400: chip di memoria con frequenza di 100 MHz, buffer di I/O con frequenza di 200 MHz. DDR2-800: frequenza di 200 MHz, buffer di I/O a 400 MHz. DDR2-1066: frequenza di 266 MHz, buffer di I/O a 533 MHz ecc... 22

23 RAM DINAMICHE (DRAM) Sono montate su moduli (schedine): DIMM (168 PIN) Dual Inline Memory Module; montano le SDRAM DIMM (184 PIN); montano le DDR; sono uguali come geometria alle DIMM 168 PIN, ma si differenziano per il fatto di avere una sola tacca 23

24 RAM DINAMICHE (DRAM) DIMM per DDR2. I moduli di memoria DDR2 hanno 240 Pin, e sono quindi incompatibili con quelli DDR che hanno 184 pin. PC2-3200: modulo di memoria con frequenza di clock di 200 MHz, transfer rate di 400 MT/s, chip DDR2-400, e 3,200 GB/s per canale. PC2-4200: modulo di memoria con frequenza di clock di 266 MHz, transfer rate di 533 MT/s, chip DDR2-533, e 4,267 GB/s per canale. PC2-5300: modulo di memoria con frequenza di clock di 333 MHz, transfer rate di 667 MT/s, chip DDR2-667, e 5,333 GB/s per canale. PC2-6400: modulo di memoria con frequenza di clock di 400 MHz, transfer rate di 800 MT/s, chip DDR2-800, e 6,400 GB/s per canale. Ecc... 24

25 RAM DINAMICHE (DRAM) Le memorie DDR-3 (da Wikipedia) Ricordiamo che una memoria di tipo DDR lavora con i cosiddetti prefetch buffer, che sono utilizzati per collezionare i dati prima di fornirli a un'interfaccia più veloce. Mentre la prima generazione di memoria a doppio fronte, la DDR appunto, utilizzava un prefetch di 2 (DDR mode, no buffering), la successiva DDR2 ne utilizzava uno di 4 e, ovviamente, la DDR3 è basata su un prefetch di 8. Il susseguirsi delle generazioni di memoria DDR ha visto un progressivo aumento del clock di funzionamento, unito però ad una diminuzione della tensione di alimentazione, in modo da poter contenere il consumo massimo e la conseguente dissipazione termica. I moduli di memoria DDR3 sono identici sia per forma che per dimensioni ai DDR2, sia per il formato DIMM (pc fissi) che per quello SO-DIMM (computer portatili), tuttavia moduli appartenenti ai due standard non sono intercambiabili: ciò causa differenze nell'alimentazione (come detto, le DDR3 funzionano a tensione inferiore). Per evitare errori di compatibilità, sebbene il numero e la posizione dei pin dei moduli di memoria DDR2 e DDR3 siano identici, la tacca è stata riposizionata, rendendo le memorie "pin-incompatibili". 25

26 ROM - Read Only Memory Il termine ROM significa Read Only Memory. Indicava originariamente il fatto che l'unico tipo di accesso in queste memorie è la lettura (ovviamente la prima scrittura deve essere possibile). Potremmo chiamarle memorie a prevalente lettura. L attuale ROM è: Permanente o Nella ROM l'informazione in essa contenuta rimane anche quando manca la corrente. o Nella ROM l'informazione rimane fino alla successiva scrittura. Ad accesso casuale 26

27 ROM - Read Only Memory Le ROM vengono in genere utilizzate per memorizzare programmi e dati di configurazione essenziali per il funzionamento del computer che devono essere memorizzati anche quando il computer è spento. Bios Esistono differenti tipi di ROM: ROM non programmabili PROM. ROM Programmabili EPROM. Erasable Programmable ROM EEPROM. Electrical Erasable Programmable ROM Flash Memory 27

28 ROM - Read Only Memory ROM: sono delle reti combinatorie già predisposte in fabbrica (tramite il processo di mascheratura). Hanno alte capacità bassi costi. PROM: sono delle reti combinatorie programmabili con un dispositivo da laboratorio. Molto utili per prototipi, possono essere programmate una sola volta. EPROM: sono programmabili con un dispositivo da laboratorio. Hanno una finestra di quarzo tramite cui è possibile esporre il chip ai raggi U.V. e cancellare il contenuto. 28

29 ROM - Read Only Memory EEPROM: come le EPROM, ma cancellabili (elettricamente) senza togliere dalla piastra il chip. I tempi di cancellazione sono di norma molto più lunghi di quelli di lettura. Flash Memory: come le EPROM, ma la scrittura avviene per blocchi e non per byte, molto velocemente. Non può essere usata come la RAM per via della scrittura a blocchi Si chiama flash perché il microchip è organizzato in sezioni di celle cancellabili in un colpo solo (flash). 29

30 Memoria Cache La memoria cache è generalmente gestita direttamente dalla CPU tramite bus privati. Lo scopo della memoria cache è quello di reperire informazioni utilizzate recentemente senza doverle nuovamente prelevare dalla RAM. L'utilizzo della memoria cache rispetto la RAM è più vantaggioso perché: il bus di indirizzi e dati è locale e non deve essere utilizzato quello comune, che potrebbe essere occupato da altri dispositivi (ad esempio DMA), ritardando l'accesso alla RAM il tempo di accesso alla cache per lettura/scrittura è molto più basso di quello della RAM (generalmente il tempo di accesso medio alla RAM è 50-70ns, mentre si può arrivare a valori inferiori a 10ns per accedere alla memoria cache). 30

31 Memoria Cache L'uso della memoria cache prevede, però, opportuni accorgimenti dovuti al fatto che la dimensione di una cache è notevolmente inferiore a quella di una RAM la dimensione tipica della RAM è di migliaia di MBytes, mentre la cache ha dimensioni dell'ordine di centinaia/migliaia di KBytes. è impensabile poter memorizzare nella cache tutti i dati letti dalla RAM, ma sarà necessario sovrascrivere alcuni dati contenuti nella cache, per far spazio a nuovi dati da memorizzare. 31

32 Memoria Cache In particolare, si adotta la politica di sovrascrivere i dati più vecchi, ossia quelli non utilizzati da più tempo. La gestione della cache, può essere formalizzata nella seguente maniera: la CPU necessita di un particolare dato la CPU ricerca il dato nella cache se lo trova, lo legge e lo utilizza se non lo trova, lo reperisce nella RAM e lo trasferisce nella cache nella locazione più "vecchia", ossia da più tempo non utilizzata. 32

33 Memoria Cache Attualmente le memorie cache hanno dimensioni tipiche di 256 / 512 Kbyte, fino ad arrivare a valori di alcuni Mbytes. Potrebbe sembrare che quanto più grande è la cache, tanto più conveniente sia per le prestazioni della CPU. Questa affermazione è vera relativamente, in quanto, aumentando la cache oltre certi limiti, il rapporto prezzo/prestazioni diventa non conveniente. 33

34 Memoria Cache Per aumentare ulteriormente le prestazioni, si può: Frammentare la cache Trasferire una parte della cache all'interno della CPU Esistono, dunque, cache multi-livello: L1, di dimensioni minori (8KB...64KB): è in genere contenuta all'interno del Core del processore e opera alla frequenza di clock CPU; L2 (nelle CPU correnti compresa tra 256 KB e 2 MB): a seconda del tipo di architettura è posta o all'interno del Core del processore oppure sulla motherboard; opera a frequenze differenti a seconda del tipo di architettura, variabili tra la frequenza di bus e quella di clock. L3: generalmente è un'estensione della L2 (es. 6 MB nell' Intel Core i5) Il processore cerca prima nella cache interna L1 e poi in quelle esterne L2, L3. 34

35 Memorie STATICHE Generalmente le memorie cache sono realizzate da memorie statiche La memoria statica è la memoria più veloce disponibile attualmente Sono caratterizzate da tempi di accesso dell'ordine delle decine di nanosecondi (da 6 ns a 25 ns). Sono costose e possono memorizzare solo 1/4 dei dati rispetto le memorie dinamiche (DRAM). A differenza delle DRAM, non occorre il rinfresco periodico. 35

36 Memorie STATICHE Utilizzano per ogni bit un flip flop. Il singolo bit occupa molto spazio (8 transistors). Consuma molta energia. E molto veloce (< 10 ns). Ha un elevato costo per bit. 36