Laboratorio di Informatica per l`Educazione

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05/04/16
“GERARCHIE DI MEMORIA“
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Laboratorio di Informatica per l’Educazione
A. A. 2015/2016
Dott. Aniello Castiglione
LEZIONE 05
LA MEMORIA CENTRALE (1/2)
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¢  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
LA MEMORIA CENTRALE (2/2)
 
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
 
 
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¢  La
tipi di memorie sono dette persistenti:
PERSISTENTE -> Mantiene i dati anche senza
l’alimentazione elettrica
3
TIPOLOGIE DI ACCESSO ALLE
MEMORIE
 
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
 
diretto
Dato l’indirizzo di una cella ne è possibile l’accesso
immediato
¢  Accesso
 
sequenziale
Prima di leggere una cella è necessario leggere tutte
quelle che la precedono
¢  Accesso
 
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¢  Accesso
associativo
L’accesso ad una cella non è guidato dal suo indirizzo
ma dal suo contenuto
4
RAM
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¢  Random
Access Memory –> Memoria ad Accesso
Diretto
¢  1, 2, 4, 8 GB
5
ROM – READ ONLY MEMORY
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¢  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
LE MEMORIE DI MASSA (1/4)
 
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
 
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¢  La
¢  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
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¢  Possono
essere fisse (e.g. Hard Disk) o rimovibili
(pen drive USB)
8
 
Recovery
Insieme delle tecnologie atte a ripristinare sistemi,
dati e infrastrutture a fronte di eventi dannosi
Es. BACKUP
 
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¢  Disaster
9
tecnologie più utilizzate per la realizzazione di
memorie di massa sono:
 
 
Dispositivi Magnetici
Dispositivi Ottici
Memorie Flash
 
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¢  Le
10
I DISCHI E I NASTRI MAGNETICI
 
Tali materiali quando sono esposti ad un campo
magnetico esterno, assumono lo stato di
magnetizzazione e “ricordano” tale esperienza anche
quando scompare il campo
dispositivi magnetici sono memorie di massa
nelle quali il supporto di memorizzazione è
costituito da una superficie ricoperta di materiale
ferromagnetico
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¢  I
¢  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
LE MEMORIE MAGNETICHE
Floppy Disk (3.5 pollici, 1.44 MB) (obsoleto da anni)
 
¢ 
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 (15.000 giri al
minuto)
Capacità da 100 GB a 4 TB
Modalità d’Accesso: Accesso Misto o Accesso Diretto
Supporto fisso
 
FDD – Floppy Disk Drive – il dispositivo che legge e scrive
Supporto rimovibile
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¢ 
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HARD DISK: ORGANIZZAZIONE DEI DATI
Tracce
 
Settori
 
¢ 
Settore di una traccia
 
¢ 
Intersezione tra una traccia e un settore
Blocco
 
 
¢ 
Settori circolari sui dischi (paragonabili a fette di torta)
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
 
¢ 
Sottili strisce circolari concentriche sui dischi, dove le
testine scrivono i dati
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¢ 
Insieme delle tracce di pari diametro su tutti i dischi
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SINGOLO PIATTO
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Struttura della superficie
di un piatto:
A) Traccia
B) Settore
C) Settore di una traccia
D) Cluster, insieme di
settori contigui
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HARD DISK
(CILINDRO DI PIATTI CON TESTINE)
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I NASTRI MAGNETICI
nastro di materiale plastico
¢  Superficie ricoperta di materiale ferromagnetico
¢  Modalità d’Accesso: Accesso Sequenziale
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¢  Lungo
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I DISCHI OTTICI
 
 
 
¢ 
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
¢ 
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:
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¢ 
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19
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SCRITTURA SU UN DISCO OTTICO
ROM
 
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
¢ 
Non è possibile scrivere per noi ma solo per il produttore del
CD, DVD, etc.
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¢ 
21
I SUPPORTI OTTICI
 
700 MB = 700*2^20 byte = 734.003.200
Circa 15/20 album musicali in MP3
¢  DVD
 
 
4,7 GB = 4,7*2^30 byte = circa 5.046.586.573 byte
1 film in DVD o 4/6 film in DivX
¢  BD
 
 
(Digital Versatile Disc)
(Blu-ray Disc)
 
(Compact Disc)
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¢  CD
25 GB o 50 GB
…
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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 1.000.000 di scritture
 
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¢ 
23
PROBLEMA …
 
 
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
un elaboratore effettua delle operazioni,
trasferisce spesso dati tra la CPU, l’hard disk e la
memoria centrale
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¢  Quando
¢  Come
si fa a velocizzare il passaggio dei dati
dalla memoria centrale alla CPU?
24
UNA POSSIBILE SOLUZIONE …
tecnologie più sofisticate per
costruire la memoria centrale
 
Vantaggi: aumento della velocità d’accesso
Svantaggi: aumento dei costi di realizzazione e quindi
del cliente
 
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¢  Utilizziamo
Non può essere accettata come soluzione.
Dobbiamo trovarne una più vantaggiosa.
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PRINCIPI DI LOCALITÀ
Temporale
¢  Località Spaziale
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¢  Località
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SOLUZIONE: LA MEMORIA CACHE
memoria centrale
Frigorifero
Panino
Cache miss
¢  Utilizziamo
tecnologie più sofisticate per
costruire un ulteriore livello di memoria (cache)
 
Supermercato
Cache hit
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cache
La capacità della cache è molto piccola rispetto a
quella della memoria centrale per contenere i costi
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GERARCHIE DI MEMORIA
Memoria Centrale
Cache di primo, secondo e terzo
livello
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Registri della CPU
Capacità,
Velocità
d’Accesso,
Costo
Dischi interni
Dischi esterni
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