Le memorie

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 ⇒ 232 celle = 4 Gcelle ⇒ 4 Gbyte
Il Pentium in realtà ha indirizzi lunghi 32+16 bit e può indirizzare
216 (= 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
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eseguire o dei dati da elaborare) e scrittura (ad es. dei dati elaborati).
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.
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3
4
Modulo memoria Simm EDO
Modulo memoria SDRAM PC100 da 32 Mbytes
Modulo memoria SDRAM PC133, da 64 Mbytes
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Modulo memoria SDRAM PC133 ECC Registered, da 256 Mbytes
Modulo memoria DDR-SDRAM PC2100, da 128 Mbytes
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Modulo memoria Rambus PC800, da 128 Mbytes
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
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alla CPU tramite bus .
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
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contenuto anche l’indirizzo di memoria richiesto.
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 64 - 128 KB
•Cache 256 - 512 KB si secondo livello
•Ram 256 - 512 MB
• HD 40 GB
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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
sistema operativo e altri dati essenziali (fase di boot). 10
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
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blocchi di byte.
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
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alla memoria principale
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.
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
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un gap, e l’accesso è di tipo sequenziale.
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.
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 per 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)
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 )
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)
DISCO OTTICO
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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).
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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
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uno stato amorfo.
„
DVD (Digital Versatile Disk) o (Digital Video Disk)
‹ Capacità
‹I
attuale di ~5GB
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
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24
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
0.834 micron
Larghezza traccia
0.74 micron
3.058 micron
Vel. media di trasf.
4.7 Mbyte/s
0.15 Mbyte/s
Capacità (1 strato,1 sup.)
5 Gbyte
0.682 Gbyte
Capacità (2 strati, 2 sup.)
17 Gbyte
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Prestazioni memoria
Tipo
Dimensione
Tempo
MB/sec
Registro
< 1KB
< 1 ns
20 000 ~ 100 000
Cache
< 2MB
< 10 ns
5000 ~ 10 000
RAM
< 4GB
< 100 ns
1000 ~ 5000
Dischi
> 50GB
< 10 ms
20 ~ 80
Nastri
>10GB
~ 100 ms
~1
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