Memoria Interna. Memoria Principale. Memoria Secondaria

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1 ESERCITAZIONE 13 Sommario Memorie 1. Memoria Ogni sistema di elaborazione contiene dispositivi per la memorizzazione di dati ed istruzioni. L insieme di tali dispositivi, e degli algoritmi per la loro gestione, costituisce il sistema di memoria. L obiettivo di tale sistema è quello di far sì che il processore non debba mai attendere quando accede a dati o istruzioni. Poiché d altro canto il costo delle memorie è proporzionale alla loro velocità, si deve cercare un compromesso tra il costo del sistema e le sue prestazioni Livelli La memoria di un calcolatore è normalmente organizzata in livelli. Ogni livello è caratterizzato da un tipo di memoria (in termini di velocità, costo e dimensione). In tal modo si raggiungono prestazioni comparabili con quelle della memoria più veloce, a prezzi comparabili con quelli della memoria più lenta. Memoria Interna Costo Memoria Principale Memoria Secondaria Tempo di Accesso Dimensione Memoria interna Corrisponde ai registri interni del processore. È caratterizzata da: alta velocità (comparabile con quella del processore) limitate dimensioni (al più qualche migliaio di byte) Memoria principale Ha dimensioni molto maggiori (fino ad un centinaio di Mbyte) ma tempi di accesso più elevati. È accessibile in modo diretto tramite indirizzi. 81

2 È normalmente realizzata sotto forma di circuito integrato Memoria secondaria Ha dimensioni e tempi di accesso ancora maggiori. Viene usata per memorizzare dati e programmi non immediatamente richiesti dal processore. L accesso è gestito da appositi programmi di interfaccia. È normalmente realizzata sotto forma di nastri o dischi magnetici Caratteristiche generali Nella progettazione di un sistema di memoria vengono tenuti in conto i seguenti punti: conviene che il sistema complessivo sia composto da memorie di tipo e costo diversi, rispondenti ai diversi usi che della memoria vengono fatti gerarchia ( di memoria) la gestione della memoria deve essere il più possibile trasparente per il programmatore e l utente (memoria virtuale) se il sistema è di tipo multiprocessore, ogni processore deve poter lavorare con la memoria al massimo della velocità e senza interferire con il lavoro degli altri Classificazione delle memorie È basata su vari parametri: costo tempo di accesso modi di accesso alterabilità durevolezza del contenuto velocità di trasferimento caratteristiche fisiche Costo Comprende anche il costo della circuiteria ed eventualmente del software per la gestione delle interfacce necessarie all uso della memoria. È normalmente misurato in dollari/bit Tempo di accesso È il tempo che intercorre tra l istante in cui all unità di memoria giunge la richiesta di un dato, e quello in cui tale dato viene fornito. Il Tempo di Accesso è di solito inversamente proporzionale al costo della memoria. 82

3 Modo di accesso Sono principalmente: sequenziale: le informazioni possono essere lette/scritte solo in un ordine prefissato; è il caso delle memorie ottiche, di quelle a bolle e dei nastri. diretto: ogni blocco ha un indirizzo, e la ricerca nel blocco è sequenziale; è il caso dei dischi. random: ogni unità di dato ha un indirizzo, e le informazioni possono essere lette/scritte in qualsiasi ordine; il tempo di accesso è uguale per tutte le locazioni di memoria; è il caso delle memorie a nuclei di ferrite e di quelle a semiconduttore; associativo: l accesso avviene tramite un confronto tra il contenuto di ogni cella e quello specificato in una maschera; è il caso di taluni tipi di cache Alterabilità Vi sono memorie il cui contenuto può essere scritto una volta sola (Read Only Memory - ROM). È il caso delle schede e delle ROM a semiconduttore. In alcuni casi il contenuto di una memoria ROM può essere modificato off-line (Programmable ROM - PROM) Durevolezza del contenuto Vi sono alcune tecnologie particolari, nelle quali l operazione di lettura causa la cancellazione del dato memorizzato (Destructive Readout). In tal caso dopo ogni lettura è necessario eseguire un operazione di riscrittura del dato. Altre tecnologie (memorie dinamiche) sono tali per cui dopo un certo tempo i bit a 1 si trasformano in 0. Questo effetto si ha ad esempio quando il bit è memorizzato sotto forma di carica all interno di un condensatore, a causa delle correnti di scarica. È quindi necessario che periodicamente si provveda a leggere ogni bit e a riscrivere gli 1 refreshing). ( Infine, alcune memorie, come quelle a semiconduttore, perdono il loro contenuto quando non sono alimentate (memorie volatili) Velocità di trasferimento Misura la velocità con cui si può accedere ad un blocco di dati contigui. Il tempo medio T N per la lettura o scrittura di un blocco di N bit è dato da T N =T A +N/R dove T A è il tempo di accesso medio, ed R la frequenza di trasferimento, in bit al secondo bps). ( Caratteristiche fisiche Tipo della memoria (elettronica, magnetica, meccanica, ottica) Consumo (può comportare la necessità di sistemi di raffreddamento) Densità di immagazzinamento Affidabilità; è di solito misurata dal tempo medio tra 2 guasti (Mean Time Between Failure - MTBF). 83

4 Evoluzione delle memorie Anno Dimensione chip Tempo di ciclo Kbit 250nsec Kbit 220nsec Mbit 190nsec Mbit 165nsec Mbit 140nsec Gbit??? L evoluzione della tecnologia presenta 2 tendenze: riduzione del costo: si è mantenuto costante il costo per circuito integrato, mentre il costo per bit è diminuito: per le memorie a semiconduttore si è passati da circa 0.01 $/bit nel 1975 a $/bit nel 1985 riduzione (meno marcata) del tempo di accesso Memorie a semiconduttore Sono oggi il tipo dominante di memoria ad accesso casuale, in quanto la tecnologia ne permette una forte integrazione su IC. Address Latch Address Row Decoder DataIn Write Drivers Memory Cell Array Column Decoder Sense Amplifiers DataOut Controllo Lettura/Scrittura Control Classificazione Tipo Categoria Cancellazione Scrittura Volatilità RAM read/write elettricamente elettricamente volatile ROM read-only impossibile maschere non-volatile PROM read-only impossibile elettricamente non-volatile EPROM read-mostly luce UV elettricamente non-volatile Flash read-mostly elettricamente elettricamente non-volatile EEPROM read-mostly elettricamente elettricamente non-volatile 84

5 Le memorie a semiconduttore differiscono tra loro principalmente per le modalità dell operazione di scrittura Memorie di tipo ROM La CPU durante l esecuzione di un programma può effettuare solo la lettura. L informazione permane anche se viene meno la tensione di alimentazione. La scrittura può essere effettuata con modalità e tempi diversi. ROM: scrittura eseguita dal costruttore PROM: scrittura eseguita a valle del processo di produzione tramite speciali attrezzature denominate programmatori EPROM: può essere riprogrammata, ma prima deve venire cancellata tramite esposizione prolungata (~20 min) a luce ultravioletta EEPROM: può essere riprogrammata byte per byte anche dopo il montaggio sulla scheda, ma l operazione richiede più tempo di quella di lettura memorie flash: hanno tempi di scrittura minori delle EEPROM, ma sono riprogrammabili solo a blocchi Memorie di tipo RAM Memorie a semiconduttore ad accesso casuale che sono sia leggibili che scrivibili dal programmatore. L informazione scompare se viene meno la tensione di alimentazione. Sono di 2 tipi: memorie statiche: la singola cella corrisponde ad un Flip-Flop (6 transistor di tipo MOS) memorie dinamiche: la singola cella corrisponde ad un condensatore e ad un transistor; l informazione è memorizzata sotto forma di carica del condensatore; l informazione tende a diminuire e dunque richiedono un rinfresco periodico dell informazione. La semplicità della cella elementare consente capacità molto elevate (milioni di bit per chip) Memorie ad accesso seriale Le memorie ad accesso seriale (dischi, nastri, cassette) sono generalmente utilizzate come memorie di massa. I dati sono memorizzati un bit dopo l altro in tracce (track), ognuna delle quali è dotata di una sua circuiteria di lettura/scrittura (testina, head). Quando si desidera leggere/scrivere un dato, è necessario posizionare la testina sopra il dato, muovendo o la testina, o la traccia, o entrambe. Le memorie ad accesso seriale sono caratterizzate da basso costo ed elevato tempo di accesso Tempi di accesso Il tempo di accesso t A è determinato da: 85

6 t S : tempo per posizionare la testina sulla traccia opportuna (seek time, o tempo di ricerca); è nullo se ogni traccia ha la sua testina; t L : tempo per posizionare la testina sul dato, all interno della traccia latency ( time) t D : tempo per leggere serialmente i dati (data-transfer time, o tempo di trasferimento). Si ha quindi che t A = t S + t L + t D Sia r la velocità di rotazione della traccia per secondo, il tempo medio di latenza è pari (2r) a -1. Sia N il numero di parole memorizzate in una traccia, sia n il numero di parole per blocco. La velocità di trasferimento della memoria è pari a rn parole al secondo. Il tempo di accesso di un blocco di n parole è pari a t S + 1/2r + n/(nr) Memorie a disco magnetico L elemento di memoria è un disco ricoperto di materiale magnetico, su cui esistono una serie di tracce concentriche. L unità di memoria può essere costituita da più dischi: in tal caso essi sono connessi ad un unico asse e ruotano a velocità costante. Ogni superficie (faccia) è dotata di una testina in grado di muoversi radialmente fin sulla traccia desiderata. Le varie testine si muovono di solito in maniera solidale. L insieme delle tracce ad uguale distanza dal centro poste su facce diverse è denominato cilindro. Tracce Intervalli tra tracce Settori Ogni traccia contiene la stessa quantità di informazione, ed è quindi caratterizzata da una densità crescente andando verso il centro. Ogni traccia è organizzata in settori, corrispondenti all unità di trasferimento. Sono essenzialmente di 2 tipi: a disco rigido (hard disk) a disco flessibile (floppy disk). Parametri tipici: 86

7 Capacità Tempo di Accesso Hard-Disk 100/3500Mbyte ~10ms Floppy-Disk 1/2Mbyte ~100ms Esempio: Hard-Disk NEC D2257: dischi e testine sono sigillati in una scatola a tenuta. Si compone di 5 dischi da 8, su cui vengono utilizzate 8 facce, ognuna con la sua testina. Caratteristiche #tracce per superficie 1024 max densità di memorizzazione 9420 bit/inch capacità per traccia 20,480 byte capacità totale Mbyte velocità di rotazione 3510 giri/min Average Seek Time 20 ms Supponendo di voler trasferire un blocco di 1kbyte di memoria, il tempo di accesso è pari a (20 + 8,55 + 0,85) msec = 29,4 msec 87 Torna al Sommario