LEZIONE 05 GERARCHIE DI MEMORIA Laboratorio di Informatica per l Educazione A. A. 2015/2016

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1 1 LEZIONE 05 GERARCHIE DI MEMORIA A. A. 2015/2016

2 LA MEMORIA CENTRALE (1/2) La Memoria Centrale (comunemente detta RAM - Random Access Memory) è il dispositivo di memorizzazione con cui la CPU interagisce Tramite il Bus Per leggere e scrivere istruzioni e dati (rappresentati in binario) La RAM consiste in un insieme di unità elementari di memorizzazione dette Celle Ogni Cella è costituita da un insieme (tipicamente 8) di dispositivi bistabili per memorizzare un dato o una istruzione Ogni Cella ha un indirizzo di memoria anch esso codificato in binario 2

3 LA MEMORIA CENTRALE (2/2) La Memoria Centrale è volatile: VOLATILE -> Richiede un flusso continuo di alimentazione elettrica per memorizza dati e istruzioni CENTRALE -> Per indicare l importante ruolo che essa gioca nell ambito dell Architettura di Von Neumann Altri tipi di memorie sono dette persistenti: PERSISTENTE -> Mantiene i dati anche senza l alimentazione elettrica 3

4 TIPOLOGIE DI ACCESSO ALLE MEMORIE Accesso sequenziale Prima di leggere una cella è necessario leggere tutte quelle che la precedono Accesso diretto Dato l indirizzo di una cella ne è possibile l accesso immediato Accesso misto Le celle sono organizzate in blocchi costituiti da più celle, per cui si ha accesso diretto ai blocchi e accesso sequenziale alle celle all interno dei blocchi Accesso associativo L accesso ad una cella non è guidato dal suo indirizzo ma dal suo contenuto 4

5 RAM Random Access Memory > Memoria ad Accesso Diretto 1, 2, 4, 8 GB 5

6 ROM READ ONLY MEMORY Ogni calcolatore dispone di una piccola memoria aggiuntiva denominata ROM (memoria di sola lettura) Viene programmata al momento della sua produzione Non può essere scritta in altri momenti Contiene le istruzioni da eseguire all avvio del computer (bootstrap) ed alcune funzioni per la diagnostica Esistono delle varianti della ROM come le EPROM-> Erasable Programmable Read-Only Memory Memoria non volatile Può essere modificata dal calcolatore con particolari procedure 6

7 LE MEMORIE DI MASSA (1/4) La Memoria Centrale è particolarmente adatta a supportare l esecuzione dei programmi dati i suoi ridotti tempi d accesso non è adatta per archiviare dati su orizzonti temporali più lunghi data la sua volatilità Il calcolatore è dotato di altri dispositivi di memorizzazione chiamati Memorie di Massa (Memorie Secondarie) La loro funzione principale è di garantire la persistenza dei dati Capacità più elevate, costo per byte inferiore, tempi di accesso più lunghi delle memorie centrali 7

8 LE MEMORIE DI MASSA (2/4) Possono essere fisse (e.g. Hard Disk) o rimovibili (pen drive USB) 8

9 LE MEMORIE DI MASSA (3/4) Disaster Recovery Insieme delle tecnologie atte a ripristinare sistemi, dati e infrastrutture a fronte di eventi dannosi Es. BACKUP 9

10 LE MEMORIE DI MASSA (4/4) Le tecnologie più utilizzate per la realizzazione di memorie di massa sono: Dispositivi Magnetici Dispositivi Ottici Memorie Flash 10

11 I DISCHI E I NASTRI MAGNETICI I dispositivi magnetici sono memorie di massa nelle quali il supporto di memorizzazione è costituito da una superficie ricoperta di materiale ferromagnetico Tali materiali quando sono esposti ad un campo magnetico esterno, assumono lo stato di magnetizzazione e ricordano tale esperienza anche quando scompare il campo Una testina posizionata in prossimità della superficie È in grado di magnetizzare piccole aree e di rappresentare i dati che quindi rimangono memorizzati e possono essere letti dalla stessa testina in un momento successivo 11

12 LE MEMORIE MAGNETICHE Floppy Disk (3.5 pollici, 1.44 MB) (obsoleto da anni) FDD Floppy Disk Drive il dispositivo che legge e scrive Supporto rimovibile Hard Disk (HD) o Disco Rigido Costituito da uno o più dischi di vetro (o lega di alluminio) ricoperto in superficie da un sottile strato di materiale ferromagnetico I dischi sono sovrapposti e connessi al centro con un perno di rotazione La testina (una per ogni superficie) è in grado di operare mentre i dischi ruotano molto velocemente ( giri al minuto) Capacità da 100 GB a 4 TB Modalità d Accesso: Accesso Misto o Accesso Diretto Supporto fisso 12

13 HARD DISK: ORGANIZZAZIONE DEI DATI Tracce Sottili strisce circolari concentriche sui dischi, dove le testine scrivono i dati Settori Settori circolari sui dischi (paragonabili a fette di torta) Settore di una traccia Intersezione tra una traccia e un settore Blocco L'insieme di settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti Costituito mediamente da 512 byte che rappresenta la quantità minima di dati letti/scritti contemporaneamente dal/sul disco Cilindri Insieme delle tracce di pari diametro su tutti i dischi 13

14 SINGOLO PIATTO Struttura della superficie di un piatto: A) Traccia B) Settore C) Settore di una traccia D) Cluster, insieme di settori contigui 14

15 HARD DISK (CILINDRO DI PIATTI CON TESTINE) 15

16 I NASTRI MAGNETICI Lungo nastro di materiale plastico Superficie ricoperta di materiale ferromagnetico Modalità d Accesso: Accesso Sequenziale 16

17 I DISCHI OTTICI Sono supporti rimovibili che inseriti in un apposito lettore (drive) possono essere letti (e scritti) con l ausilio di una luce laser Sono costituiti da: Uno strato di materiale plastico (policarbonato) detto substrato Un sottile strato riflettente generalmente di alluminio (su cui vengono registrati e letti i dati) Uno strato di vernice protettiva Tipicamente solo una delle due superficie memorizza i dati Costituita da una traccia a spirale lungo la quale sono collocate delle microscopiche fosse (dette pit) Il disco gira ad una velocità tra 200 e 4000 RPM mentre un laser illumina la traccia La luce del laser viene riflessa e distorta dai pit A seconda dell entità della distorsione una testina di lettura riesce a ricostruire i dati memorizzati sul supporto 17

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21 SCRITTURA SU UN DISCO OTTICO ROM Non è possibile scrivere per noi ma solo per il produttore del CD, DVD, etc. WORM (Write-Once, Read-Many) Tra il substrato e la superficie riflettente è presente una vernice fotosensibile Il masterizzatore è in grado, attraverso un laser, di modificare il colore di tale vernice in maniera tale da far riflettere la luce (in fase di lettura) in maniera diversa Supporti Riscrivibili (re-recordable, rewritable, RW, Read Write) Il contenuto informativo può essere scritto e modificato molte volte Questa volta la vernice fotosensibile, sotto l effetto di variazioni termiche, è in grado di assumere lo stato amorfo e cristallino con caratteristiche riflettenti diverse Il masterizzatore utilizzando il laser a diverse temperature cambia lo stato della vernice nei vari punti 21

22 I SUPPORTI OTTICI CD (Compact Disc) 700 MB = 700*2^20 byte = Circa 15/20 album musicali in MP3 DVD (Digital Versatile Disc) 4,7 GB = 4,7*2^30 byte = circa byte 1 film in DVD o 4/6 film in DivX BD (Blu-ray Disc) 25 GB o 50 GB 22

23 LE MEMORIE FLASH Le EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) Il loro contenuto può essere programmato, cancellato e riprogrammato mediante processi elettrici E non volatile Capacità (media tra quella della RAM e quella degli HD) fino a 64GB o 128GB per quelle portatili (1TB in caso di HD interni) Assenza di componenti meccaniche -> scarso consumo di energia elettrica Es. Memory Card (PC Card, Compact Flash, Secure Digital Card, minisd, microsd) e Pen Drive USB Cicli di cancellazione-scrittura Non più di di scritture 23

24 PROBLEMA Quando un elaboratore effettua delle operazioni, trasferisce spesso dati tra la CPU, l hard disk e la memoria centrale Per elaborare i dati, questi devono essere prima spostati dal posto in cui sono memorizzati (in memoria centrale) alla CPU La suddetta operazione richiede un certo tempo Come si fa a velocizzare il passaggio dei dati dalla memoria centrale alla CPU? 24

25 UNA POSSIBILE SOLUZIONE Utilizziamo tecnologie più sofisticate per costruire la memoria centrale Vantaggi: aumento della velocità d accesso Svantaggi: aumento dei costi di realizzazione e quindi del cliente Non può essere accettata come soluzione. Dobbiamo trovarne una più vantaggiosa. 25

26 PRINCIPI DI LOCALITÀ Località Temporale Località Spaziale 26

27 SOLUZIONE: LA MEMORIA CACHE memoria centrale Supermercato cache Frigorifero Cache miss Cache hit Panino Utilizziamo tecnologie più sofisticate per costruire un ulteriore livello di memoria (cache) La capacità della cache è molto piccola rispetto a quella della memoria centrale per contenere i costi 27

28 GERARCHIE DI MEMORIA Registri della CPU Cache di primo, secondo e terzo livello Memoria Centrale Capacità, Velocità d Accesso, Costo Dischi interni Dischi esterni 28