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Unicam E-gov research Group dott. Andrea Lazzari La memoria.

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Presentazione sul tema: "Unicam E-gov research Group dott. Andrea Lazzari La memoria."— Transcript della presentazione:

1 Unicam E-gov research Group dott. Andrea Lazzari La memoria

2 Introduzione ai sistemi informatici 2 La memoria Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più rapidamente possibile Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati periodi di tempo Diverse esigenze: velocità per il supporto alla CPU non volatilità ed elevate dimensioni per larchivio Diverse tecnologie elettronica: veloce, ma costosa e volatile magnetica e ottica: non volatile ed economica, ma molto lenta

3 Introduzione ai sistemi informatici 3 Criteri di caratterizzazione di una memoria Velocità tempo di accesso (quanto passa tra una richiesta e la relativa risposta) velocità di trasferimento (quanti byte al secondo si possono trasferire) Volatilità cosa succede quando la memoria non è alimentata? per quanto tempo i dati vi rimangono immagazzinati? Capacità quanti byte può contenere? qual è la dimensione massima? Costo (per bit) Modalità di accesso diretta (o casuale): il tempo di accesso è indipendente dalla posizione sequenziale: il tempo di accesso dipende dalla posizione mista: combinazione dei due casi precedenti associativa: indicato il dato, la memoria risponde indicando leventuale posizione che il dato occupa in memoria.

4 Unicam E-gov research Group dott. Andrea Lazzari La memoria centrale

5 Introduzione ai sistemi informatici 5 La memoria centrale (R.A.M.) Mantiene al proprio interno i dati e le istruzioni dei programmi in esecuzione Memoria ad accesso casuale Tecnologia elettronica veloce ma volatile e costosa Due eccezioni R.O.M.: elettronica ma permanente e di sola lettura Flash: elettronica ma permanente e riscrivibile

6 Introduzione ai sistemi informatici 6 Indirizzi di memoria I bit nelle memorie sono raggruppati in celle: tutte le celle sono formate dallo stesso numero di bit; una cella composta da k bit, è in grado di contenere una qualunque tra 2 k combinazioni diverse di bit. Ogni cella ha un indirizzo: serve come accesso allinformazione; in una memoria con N celle gli indirizzi vanno da 0 a N– 1. La cella è lunità indirizzabile più piccola. In quasi tutti i calcolatori è di 8 bit (un byte). I byte vengono raggruppati in parole (che oggi sono di 32/64 bit), su cui la CPU esegue le operazioni.

7 Introduzione ai sistemi informatici 7 Organizzazione della memoria Anche gli indirizzi della memoria sono rappresentati come numeri binari: un indirizzo di M bit consente di indirizzare 2 M celle; per 6 o 8 celle bastano 3 bit, per 12 celle ne servono 4; il numero di bit nellindirizzo determina il numero massimo di celle indirizzabili nella memoria ed è indipendente dal numero di bit per cella (una memoria con 2 12 celle richiede sempre 12 bit di indirizzo, quale che sia la dimensione di una cella). Una memoria può essere organizzata in diversi modi: con 96 bit possiamo avere 6 celle di 16 bit (6*16=96), o 8 celle di 12 bit (8*12=96) o 12 celle di 8 bit (12*8=96).

8 Introduzione ai sistemi informatici 8 Organizzazione della memoria parole da 16 bit parole da 12 bit parole da 8 bit

9 Introduzione ai sistemi informatici 9 Memoria vs. CPU Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie laumento di integrazione ha consentito di realizzare CPU pipeline e super scalari, molto efficienti e veloci; nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità. Laccesso alla memoria passa attraverso il bus la frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa di quella della CPU; il bus può essere impegnato ad effettuare trasferimenti controllati da dispositivi di I/O autonomi (e.g. DMA). È difficile riordinare le istruzioni in modo da poter sfruttare i tempi di attesa della memoria. È possibile fare memorie molto veloci se stanno nel chip della CPU, ma sono piccole e costose.

10 Introduzione ai sistemi informatici 10 Le memorie elettroniche Memorie di gran capacità, relativamente lente, economiche ed accessibili tramite il bus: MGL ovvero Memoria Grossa e Lenta; dimensioni pari a circa 10 unità; tempo di accesso (TA) di circa 10 unità. Memorie veloci, integrate nello stesso chip della CPU, ma costose: MPV ovvero Memoria Piccola e Veloce; dimensioni pari a circa 1 unità; tempo di accesso pari a circa 1 unità. Obiettivo: realizzare una memoria grossa e veloce dimensioni pari a circa quelle della memoria grossa; prestazioni pari a circa quelle della memoria veloce.

11 Introduzione ai sistemi informatici 11 Una gerarchia di memoria Memoria formata da una MPV e una MGL: la MPV contiene una copia di alcune celle della MGL; quando la CPU chiede una particolare cella di memoria la richiesta va ad entrambe le memorie: se il dato si trova nella MPV, viene passato direttamente alla CPU; se il dato si trova nella MGL, viene anche caricato nella MPV. Tempo di Accesso medio -> TA: misura la qualità delle memorie!

12 Introduzione ai sistemi informatici 12 Il principio di località Località spaziale: quando si accede allindirizzo A, è molto probabile che gli accessi successivi richiedano celle vicine ad A. le istruzioni del codice vengono in genere lette da locazioni consecutive della memoria; gli accessi ad array o a strutture dati sono vicini. Località temporale: quando si accede allindirizzo A, è molto probabile negli accessi successivi si richieda di nuovo la cella A. cicli di istruzioni accedono ripetutamente alle stesse locazioni di memoria; istruzioni vicine tendono ad utilizzare le stesse variabili.

13 Introduzione ai sistemi informatici 13 Gerarchia delle memorie

14 Unicam E-gov research Group dott. Andrea Lazzari La memoria di massa (magnetica)

15 Introduzione ai sistemi informatici 15 Una gerarchia di memoria Ottenuta per generalizzazione dellapplicazione del principio di località e tipicamente costituita da 1.registri contenuti nella CPU (qualche KB) 2.cache (da circa 32KB a circa 1024KB) 3.memoria principale (da circa 64MB a qualche GB) 4.dischi fissi (da qualche GB a qualche TB) 5.nastri magnetici e dischi ottici (da qualche GB a qualche TB per ogni supporto) Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il valore dei parametri fondamentali: aumenta il tempo di accesso; aumenta la capacità di memorizzazione; ma diminuisce il costo per bit.

16 Introduzione ai sistemi informatici 16 Caratteristiche dei diversi livelli Capacità Velocità (TA) /MByte registri~1KB~1nsNA cache64 ÷ 1024 KB~10ns300 RAM64 ÷ 2048 MB~100ns2 HD8 ÷ 100 GB~10ms0.005 nastri~TB per unità~100ms0.001

17 Introduzione ai sistemi informatici 17 Dischi magnetici Sono piatti dalluminio (o di altro materiale) ricoperti di materiale ferromagnetico. Fattore di forma (diametro) sempre più piccolo (consente velocità di rotazione maggiori); 3.5 pollici per i sistemi desktop e fino a 1 pollice per i mobili. Testina di un disco (strumento di lettura/scrittura) è sospesa appena sopra la superficie magnetica scrittura: il passaggio di corrente positiva o negativa attraverso la testina magnetizza la superficie lettura: il passaggio sopra unarea magnetizzata induce una corrente positiva o negativa nella testina.

18 Introduzione ai sistemi informatici 18 Tracce e settori Traccia (track): sequenza circolare di bit scritta mentre il disco compie una rotazione completa la larghezza di una traccia dipende dalla dimensione della testina e dallaccuratezza con cui la si può posizionare; la densità radiale va da 800 a 2000 tracce per centimetro (5-10 µm per traccia); tra una traccia e laltra cè un piccolo spazio di separazione (gap). Settore (sector): parte di una traccia corrispondente a un settore circolare del disco un settore contiene 512 byte di dati, preceduti da un preambolo, e seguiti da un codice di correzione degli errori; la densità lineare è di circa kbit per cm ( µm per bit); tra settori consecutivi si trova un piccolo spazio (intersector gap). Formattazione: operazione che predispone tracce e settori per la lettura/scrittura un 15% circa dello spazio disco si perde in gap, preamboli e codici di correzione degli errori

19 Introduzione ai sistemi informatici 19 Tracce e settori

20 Introduzione ai sistemi informatici 20 Schema di un Hard Disk Le tracce in grigio formano un cilindro

21 Introduzione ai sistemi informatici 21 Prestazioni dei dischi Tempo di acceso (ms o s) Seek time la testina deve arrivare alla traccia giusta; dipende dalla meccanica (5-15 ms, 1 per tracce adiacenti). Latency il disco deve ruotare fino a portare il dato nella posizione giusta; dipende dalla velocità di rotazione ( RPM ms). Transfer Rate (MBps) Velocità di trasferimento del disco dipende dalla densità di registrazione e dalla velocità di rotazione; un settore di 512 byte richiede fra 25 e 100 µsec (5-20 MB/sec). Velocità di trasferimento del sistema di controllo SCSI vs. EIDE

22 Introduzione ai sistemi informatici 22 Floppy disk Funzioni: distribuzione software (forse una volta !) archiviazione dati. Struttura analoga a quella di un disco magnetico, il disco si ferma quando non è operativo; lavvio della rotazione comporta un ritardo di ½ sec. Caratteristiche tipiche di un floppy da 3.5 Capacità di 1.44 MB Tracce x settori: 80 x 18 RPM = 300 velocità di trasferimento di 500Kbps

23 Introduzione ai sistemi informatici 23 Hard Disk IDE/EIDE Situazione originaria: disco contenuto nel PC XT IBM, Seagate da 10 MB con 4 testine, 360 cilindri e 17 settori/traccia, il controllore era in grado di gestire due unità; il SO inseriva parametri nei registri CPU e poi chiamava il BIOS (Basic Input Output System). IDE (Integrated Drive Electronics) controllore integrato nellunità; procedure di chiamata del BIOS immutate 4 bit per la testina, 6 bit per il settore e 10 bit per il cilindro; ununità poteva avere al massimo 16 testine, 63 settori e 1024 cilindri per un totale di settori (528 MB); EIDE (Extended IDE) supportano lo schema LBA (Logical Block Addressing)

24 Introduzione ai sistemi informatici 24 Small Computer System Interface – SCSI (1986) Richiede uninterfaccia con il bus di sistema (host adaptor) Può controllare 8/16 dispositivi (compreso lhost adaptor), HD, CD-ROM, scanner,... Ogni dispositivo è identificato da un ID I connettori possono essere esterni o interni Di solito lID num. 0 è riservato al disco di bootstrap(sul 7 và di solito il controller)

25 Introduzione ai sistemi informatici 25 Andamento densità HD [by IBM]

26 Introduzione ai sistemi informatici 26 Andamento capacità HD [by IBM]

27 Unicam E-gov research Group dott. Andrea Lazzari La memoria di massa (ottica)

28 Introduzione ai sistemi informatici 28 Dischi ottici Lettura ottica basata sulla riflessione (o sulla mancata riflessione) di un raggio laser. Densità di registrazione più alte dei dischi magnetici. Creati in origine per registrare i programmi televisivi, poi usati come dispositivi di memoria nei calcolatori. Diversi tipi/caratteristiche CD-ROM CD-R CD-RW DVD DVD-RAM …

29 Introduzione ai sistemi informatici 29 Compact Disk - CD Proposto nel 1980 [da Philips e Sony] per sostituire i dischi in vinile per la musica. Standard internazionale IS [libro rosso]. diametro di 12 cm, spessore di 1.2 mm con un foro di 15 mm in mezzo; produzione: 1.laser ad alta potenza che brucia fori di 0,8 µm in un disco master (le depressioni si chiamano pit e le aree fra pit si chiamano land); 2.dal master si ricava uno stampo; 3.nello stampo viene iniettata una resina liquida di policarbonato che forma un CD con la stessa sequenza di fori del master, 4.sul policarbonato viene depositato uno strato molto sottile di alluminio riflettente, 5.copertura con uno strato protettivo e infine con unetichetta.

30 Introduzione ai sistemi informatici 30 Lettura di un CD Un laser a bassa potenza manda una luce infrarossa (lunghezza donda di 0,78 µm) sul disco. I pit appaiono come cunette su una superficie piatta: un pit è alto circa un quarto della lunghezza donda del laser, la luce riflessa da un pit è sfasata di mezza lunghezza donda rispetto alla luce riflessa dalla superficie circostante, linterferenza negativa riduce lintensità della luce riflessa. I passaggi pit/land o land/pit indicano un 1, la loro assenza indica uno 0. Pit e land sono scritti in una spirale unica che compie giri attorno al disco (circa 600 per ogni mm). Velocità lineare costante (120 cm/sec): allinterno è di 530 rpm, allesterno deve scendere a 200 rpm; lunità è diversa da quella a velocità angolare costante usata per gli HD; 530 rpm sono molti meni dei 3600/10440 rpm degli HD.

31 Introduzione ai sistemi informatici 31 Pit e land su un CD

32 Introduzione ai sistemi informatici 32 CD-ROM 1984: Philips e Sony pubblicano il libro giallo, in cui viene definito lo standard dei CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory). viene definita la struttura e il formato da utilizzare per memorizzare dati digitali invece che semplice musica. Rispetto ai CD audio i CD-ROM hanno stesse dimensioni; compatibilità dellottica e della meccanica; stesso processo produttivo; miglior capacità di correggere errori. Il libro verde [1986] aggiunge grafica e possibilità di mischiare audio, video e dati nello stesso settore.

33 Introduzione ai sistemi informatici 33 Velocità/capacità dei CD-ROM Velocità base (1x) 75 settori/sec, KByte/sec (175.2 in modalità 2). Velocità superiori crescono in proporzione 32x corrisponde a 2400 settori/sec cioè quasi 5MB/sec Capacità 74 minuti di musica = byte = circa 650 MB; 80 minuti di musica = circa 700 MB. Tempo di accesso alcune centinaia di millisecondi.

34 Introduzione ai sistemi informatici 34 CD Recordable (CD-R) CD che vengono scritti una sola volta (WORM): utilizzati per backup, per produzioni in piccole serie, per la generazione di master, … standard definito nel libro arancione, dove si introduce anche il CD ROM XA (CD R scritti in modo incrementale); stesse dimensioni dei CD ROM dischi di policarbonato di 120 mm; contengono un solco largo 0,6 mm (guida per il laser di scrittura). La riflettività di pit e land è simulata cè uno strato di colore fra il policarbonato e lo strato riflettente: nello stato iniziale questo strato è trasparente; per scrivere, un laser ad alta potenza colpisce un punto nello strato della superficie colorata, rompe un legame chimico e crea una macchia scura.

35 Introduzione ai sistemi informatici 35 CD ReWriteable (CD-RW) Dischi ottici riscrivibili. Lo strato di registrazione utilizza una lega di argento, indio, antimonio e tellurio che ha due stati stabili: lo stato cristallino con elevata capacità di riflessione (land); lo stato amorfo con ridotta capacità di riflessione (pit). Si usa un laser con tre potenze diverse: ad alta potenza il laser scioglie la lega e un raffreddamento rapido la porta dallo stato cristallino allo stato amorfo; a potenza media la lega si scioglie e si raffredda tornando nel suo stato cristallino; a bassa potenza si rileva solo lo stato del materiale.

36 Introduzione ai sistemi informatici 36 Digital Versatile Disk (DVD) Evoluzione tecnologica maggior densità dei dati: pit più piccoli (0.4 vs. 0.8 µm); spirale più serrata (0.74 vs. 1.6 µm); laser rosso (0.65 vs µm). Caratteristiche dei DVD capacità di 4.7 GB 133 minuti di video fullscreen MPEG- 2 ad alta risoluzione (720 x 480) con colonna sonora in 8 lingue e sottotitoli in altre 32; 1x indica 1.4 MB/sec (vs. 150 KB/sec).

37 Introduzione ai sistemi informatici 37 Diversi formati di DVD Esistono situazioni in cui servono più di 4.7 GB. Pertanto sono stati definiti quattro formati: 1.Lato unico, strato unico (4,7 GB). 2.Lato unico, strato doppio (8,5 GB). 3.Due lati, strato unico (9,4 GB). 4.Due lati, strato doppio (17 GB). 5.Blu Ray? (Lo devo studiare) Tecnologia dello strato doppio: uno strato riflettente sul fondo coperto da uno stato semiriflettente; a seconda di dove viene indirizzato il laser, il raggio viene riflesso da uno strato o dall'altro; lo strato inferiore ha pit e land leggermente più grandi, per cui la sua capacità è leggermente inferiore.


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