FONDAMENTI DIINFORMATICA Lezione n. 13 MEMORIE VLSI, MEMORIE MAGNETICHE EVOLUZIONE, COSTI, CAPACITÀ, PRESTAZIONI PRINCIPIO DI LOCALITÀ CONCETTI DI BASE E TECNOLOGIA DELLE MEMORIE DEFINIZIONE DI HIT RATIO ANALISI DEI TEMPI DI ACCESSO GLOBALI Nelle prossime lezioni esamineremo le caraerisiche e l'organizzazione delle memorie che hanno una influenza deerminane sulle presazioni dei sisemi di elaborazione. Le presazioni sono influenzae dalla ecnologia che sono in rapidissima evoluzione. LA MEMORIA I sisemi di memoria di un elaboraore possono essere suddivisi in: Memoria inerna al processore. Memoria principale. Memoria secondaria. 1/31 2/31 LA MEMORIA INTERNA Regisri inerni alla CPU - visibili o no al programmaore - memorizzano emporaneamene dai e isruzioni. - dimensioni: decine di byes. - empo di accesso: qualche ns. Nelle CPU più receni cresce la quanià di risorse dedicae alla memoria: memorie cache nella CPU: 1980: processori senza cache (I386) 1995: Alpha 21164 55% dei rans. 2000: Merced(Inel-HP) 85% dei rans. MEMORIA PRINCIPALE Veloce e di grande capacià. Memorizza dai e isruzioni che servono per il funzionameno dell'unià cenrale. La CPU vi accede direamene. Dimensioni: decine di Mbyes. E' la memoria nella quale sono conenui i programmi che la CPU esegue e i dai cui la sessa CPU può accedere direamene. Poche decine Mbyes su un personal compuer, ceninaia di MByes su supercalcolaori. 3/31 4/31 dollari/mb 1000 100 10 1 1981 1982 Prezzo dollari/mb memoria DRAM 1983 1984 1985 1986 1987 CROLLI DEI PREZZI DOVUTI A SOVRAPRODUZIONE 1988 1989 Anno 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 5/31 MEMORIA SECONDARIA Di grandi dimensioni (Gbyes) e molo più lena della memoria principale. Memorizza dai e isruzioni che non sono di immediao ineresse della CPU. Può essere suddivisa in: Memoria in linea (es. dischi magneici). Ineresse nell'ambio di millisecondi... secondi. Memoria fuori linea (es. nasri magneici). Ineresse nell'ambio di minui... anni. I sisemi di memoria secondaria uilizzano ora le ecnologie sviluppae per applicazioni di largo consumo. Le ecnologie della riproduzione video o dei suoni ad ala fedelà nell'ambio dei sisemi di elaborazione ha modificao il panorama ecnologico e ridoo i cosi dei sisemi di memoria secondaria. 6/31
dollari/mb 100 10 1 0,1 Prezzo dollari/mb Hard-disk 10 MB 20 MB 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 Anno 1,2 GB 2 GB 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 7/31 TECNOLOGIE E CARATTERISTICHE I vari ipi di memoria sono realizzai con ecnologie con valori diversi di: Coso per singolo bi immagazzinao. Tempo di accesso (riardo fra l'isane in cui avviene la richiesa e l'isane in cui il dao è disponibile al richiedene) Modo di accesso (seriale o casuale). TECNOLOGIA DELLE MEMORIE Memorie a semiconduore con ecnologia VLSI (memoria principale). Memorie magneiche (memoria secondaria). Memorie oiche (memoria secondaria). 8/31 MEMORIE A SEMICONDUTTORE La ecnologia VLSI realizza su un circuio inegrao memorie di capacià sempre cresceni. In ogni circuio inegrao sono conenue: le celle di memoria, i circuii di decodifica dell'indirizzo, le inerfacce di uscia di poenza (buffer) e i circuii di ingresso. MEMORIE A SEMICONDUTTORE 9/31 10 /31 LE MEMORIE ROM ROM - Read Only Memory o memorie a sola leura. La CPU, durane l'esecuzione di un programma, può effeuarne solo la leura. L'informazione permane anche se viene meno la ensione di alimenazione. La scriura può essere effeuaa con modalià e empi diversi: PROM: Programmable ROM - La memoria è scrivibile, dal cosruore o dall uilizzaore, una vola per ue. EPROM: Erasable PROM - La memoria è scrivibile all'uilizzaore e cancellabile con raggi ulraviolei. EAROM: Elecrically Alerable ROM -Le celle di memoria sono più vole riscrivibili elericamene. 11 /31 LE MEMORIE RAM RAM - Random Access Memory. RAM: (di solio) memorie a semiconduore ad accesso casuale che sono sia leggibili sia scrivibili. L'informazione scompare se viene meno la ensione di alimenazione. RAM saiche o RAM dinamiche. L'acronimo RAM viene uilizzao correnemene per indicare le memorie a leura e scriura uilizzae come memorie principali di un sisema di elaborazione. 12 /31
LE MEMORIE RAM STATICHE La cella elemenare è cosiuia da 6 ransisori MOS che formano un FLIP-FLOP. L'informazione permane sabile in presenza della ensione di alimenazione. Tempi di accesso rapidi. Cosi elevai Linea dai Linea indirizzi LE MEMORIE RAM DINAMICHE La cella elemenare è cosiuia da un condensaore che viene caricao (1) o scaricao (0). La ensione sul condensaore ende a diminuire (millisecondi) e quindi deve essere riprisinaa o rinfrescaa. Linea dai Linea indirizzi C 13 /31 14 /31 LE MEMORIE RAM DINAMICHE La semplicià della cella consene capacià molo elevae (milioni di bi). Anno Dimensioni Tempo di ciclo 1980 64 Kbi 250 ns 1983 256 Kbi 220 ns 1986 1 Mbi 190 ns 1989 4 Mbi 165 ns 1992 16 Mbi 140 ns 1995 64 Mbi 120 ns 2000 1 Gbi 70 ns MEMORIE AD ACCESSO SERIALE Condividono il sisema (o esina) di leura e scriura ra diverse locazioni di memoria. La sequenza di locazioni che condivide la sessa esina si chiama raccia. L'accesso alla locazione di memoria avviene sposando la esina o la raccia. La raccia o pare di essa deve essere lea compleamene per accedere al singolo dao. Le memorie ad accesso seriale hanno raggiuno con la ecnologia magneica cosi per bi esremamene compeiivi. 15 /31 16 /31 MEMORIE AD ACCESSO SERIALE Le memorie seriali hanno empi di accesso elevai perché: Occorre empo per posizionare la esina di leura. La raccia si muove a velocià ridoa. Il rasferimeno dai è seriale. La esina di leura è condivisa fra più racce. TEMPO DI ACCESSO seek ime ( s ): necessario alla esina per sposarsi da una raccia all'alra. laency ime o empo di laenza ( L ): necessario per posizionare la esina sul dao da leggere (o scrivere). Se r è la velocià di roazione il empo medio divena: L = (2r) -1 17 /31 TEMPO DI ACCESSO Il empo di leura di un blocco di dai che dipende dalla velocià relaiva fra la raccia e la esina di leura. empo leura di un dao = (N) -1 (r) -1 dove N è la lunghezza della raccia. ESEMPI Disco s [ms] N[Kbyes] r[giri/min] L [ms] NEC D2257 20 20 3510 8,5 (1985) Quanum 7,9 74 7200 4,2 (1995) 18 /31
TEMPO DI ACCESSO IL SISTEMA DI MEMORIA Tempo di accesso B ad un blocco di lunghezza n: B = s + L + (empo di leura blocco)= s + (2r) -1 + n(n) -1 (r) -1 = Nel caso del NEC D2257 (20 + 8,5 + n*8,5*10-3 )ms = [28,5 + 8,5*(Kbyes)]ms Nel caso del Quanum (7,9+ 4,2 + n*1,2*10-3 )ms = [12,1 + 1,2*(Kbyes)]ms Le memorie di un calcolaore formano un sisema unico che deve essere progeao e gesio in modo da oenere: Capacià di memorizzazione adeguaa. Presazioni acceabili. Cosi ridoi. Gli obieivi indicai sono ovviamene in conraso fra loro. Lo scopo del progeo archieurale è quello di raggiungere un ragionevole compromesso fra gli obieivi indicai. 19 /31 20 /31 CPU-MEMORIA Nell'archieura VonNeuman il canale di comunicazione ra la CPU e la memoria è il puno criico (collo di boiglia) del sisema. CPU-MEMORIA CPU Memoria La ecnologia consene di realizzare CPU sempre più veloci. Il empo di accesso delle memorie non cresce così rapidamene. 21 /31 Sono disponibili nel 2000 CPU con frequenza di clock superiore a 500 MHz. Le presazioni delle CPU non devono essere roppo negaivamene influenzae dal empo di accesso alle memorie. 22 /31 LA GERARCHIA DELLE MEMORIE La soluzione oimale per un sisema di memoria è: Coso minimo. Capacià massima. Tempi di accesso minimi. Soluzione approssimaa: GERARCHIA Tecnologie diverse possono soddisfare al meglio ciascuno dei requisii. Una gerarchia cerca di oimizzare globalmene i parameri. ESEMPIO DI GERARCHIA Il sisema di memoria di uno sudene ha una sruura gerarchica: La propria memoria. La borsa. Lo scaffale di casa. La libreria o la biblioeca di Facolà. Deposii casa edirice. La gesione del sisema di memoria globale di uno sudene è molo complessa e richiede la conoscenza preveniva delle aivià che si svolgeranno. 23 /31 24 /31
PRINCIPIO DI LOCALITA' Un sisema di memoria gerarchico può essere reso efficiene se la modalià di accesso ai dai ha caraerisiche prevedibili. LOCALITA' Il meccanismo di prevedibilià è il Principio di localià: Se al empo si accede all'indirizzo X è "molo probabile" che l'indirizzo X+ X sia richieso fra e +. Nel breve periodo gli indirizzi generai da un programma sono confinai in regioni limiae. 25 /31 La disribuzione degli accessi alla memoria in un dao inervallo può essere misurao direamene su un sisema. 26 /31 LA GERARCHIA Coppia di sruure di memoria M1 e M2 con: coso per bi: c 1 > c 2, dimensioni: S 1 < S 2, empi di accesso: < A2 CPU Memoria M1 Memoria M2 M 1 e M 2 realizzai con ecnologie diverse. Gesione della gerarchia auomaica e invisibile all'uene. Sono aualmene uilizzai sisemi con più livelli di gerarchia della memoria. 27 /31 CRITERI DI GESTIONE I dai uilizzai più spesso vanno posi in memorie facilmene accessibili. I dai uilizzai più raramene sono posi in memorie con empi di accesso elevao. Allocazione dinamica per uilizzare gli spazi disponibili con la massima efficienza. Sposameno auomaico dei dai ra i livelli. Canali di comunicazione veloci fra i livelli. La poliica di gesione ende a mimare una memoria che abbia: i empi di accesso della più veloce, le dimensioni della maggiore, i cosi della più economica. 28 /31 HIT E MISS RATIO Le presazioni del sisema sono deerminae dal: asso di successo o Hi raio = H definio come la probabilià che la richiesa sia soddisfaa al livello M 1. Si definisce asso di insuccesso o Miss raio la probabilià che la richiesa non sia soddisfaa al livello M 1. Miss raio = 1 - H 29 /31 Tempo di accesso medio globale: A = H + (1- H) A2 dove A2 = + B = r B è il empo di accesso a un blocco di M 2. Efficienza di accesso = dove: e = A = H TEMPO ACCESSO r = A 2 + ( 1 H ) A2 1 = H + (1 H ) r 30 /31
PRESTAZIONI 31 /31