Prof.Ing.S.Cavalieri1 Memorie Interne RAM, ROM e Cache Misura della Memoria Classificazione della Memoria: Interna ed Esterna Memoria Interna: Caratteristiche.

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1 Prof.Ing.S.Cavalieri1 Memorie Interne RAM, ROM e Cache Misura della Memoria Classificazione della Memoria: Interna ed Esterna Memoria Interna: Caratteristiche Generali RAM Statica RAM Dinamica ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory Memoria Cache

2 Prof.Ing.S.Cavalieri2 Misura della Memoria Informazione di base = bit Raggruppamenti utilizzati: 1 byte = 8 bit 1 word = N byte Multipli (bit/byte) K (Kilo) = 210 (=1024) circa 103 M (Mega) = 220 (=1024*1024=1.048.576) circa 106 G (Giga) = 230 circa 109 T (Tera) = 240 circa 1012 P (Peta) = 250 circa 1015

3 Prof.Ing.S.Cavalieri3 Alcuni Valori da Ricordare 24 = 16 28 = 256 216 = 65536 = 64 K (65536/1024)

4 Prof.Ing.S.Cavalieri4 Memoria Interna o Centrale memorizza programmi e dati su cui lavora la CPU a cui è collegata tramite il bus principale: si accede al singolo bit/byte/word tempi di accesso bassi (<70 ns); dimensioni tipiche sono 256Mbytes/512Mbytes realizzata con circuiti elettronici

5 Prof.Ing.S.Cavalieri5 Memoria Esterna o di Massa memorizza dati e programmi sotto forma di file. Per lelaborazione, si devono trasferire programmi e dati in memoria centrale: Si accede a blocchi (cluster/settori) tempi di accesso elevati (msec) capacità elevate (decine/centinaia di Gbytes) Può essere: Memoria di Massa on-line, normalmente realizzata con dischi magnetici fissi Memoria di Massa off-line, normalmente realizzata con supporti (magnetici/ottici/elettronici) rimovibili

6 Prof.Ing.S.Cavalieri6 Memoria Interna: Caratteristiche Generali 1 bit bus dei dati bus degli indirizzi n fili bus di controllo read/write (strobe) 0 1 m-1 2

7 Prof.Ing.S.Cavalieri7 Indirizzi e valori: Con n bit di indirizzo si possono selezionare 2 n celle (m=2 n ). Strobe: sono segnali generalmente impulsivi che vengono inviati dopo il posizionamento dellindirizzo per discriminare tra operazione di letture e scrittura Memoria Interna: Caratteristiche Generali

8 Prof.Ing.S.Cavalieri8 Tempi di servizio: accesso, ciclo. Accesso. E' il tempo necessario affinché la memoria ponga in uscita il valore richiesto (o possa registrare il valore in ingresso), dopo aver posizionato l'indirizzo e lo strobe. Ciclo. E' il tempo minimo che deve intercorrere tra due posizionamenti validi dellindirizzo e dello strobe. Modificabilità: Memoria a Sola Lettura/Riscrivibile. Qualsiasi memoria deve essere scritta almeno una volta. Le memorie che non possono essere riscritte si dicono a sola lettura; altrimenti sono riscrivibili. Memoria Interna: Caratteristiche Generali

9 Prof.Ing.S.Cavalieri9 Persistenza: permanenti/volatili. Sono permanenti le memorie che mantengono i dati senza bisogno di alimentazione elettrica; altrimenti si dicono volatili. Accessibilità: casuale /sequenziale. Se non esiste alcun vincolo sulla sequenza degli indirizzamenti effettuati, si parla di memoria ad accesso casuale; quando invece il successivo indirizzo è lattuale incrementato di uno si parla di memorie ad accesso sequenziale. Il supporto: Il più comune per le memorie interne è il silicio drogato (a stato solido) Memoria Interna: Caratteristiche Generali

10 Prof.Ing.S.Cavalieri10 bus dei dati bus degli indirizzi n fili bus di controllo read/write 1 bit Memoria Interna: Caratteristiche Generali

11 Prof.Ing.S.Cavalieri11 Possiamo identificare diversi livelli funzionali di memoria: Random Access Memory (RAM) Read Only Memory (ROM) Memoria Cache Memoria Interna: Caratteristiche Generali

12 Prof.Ing.S.Cavalieri12 RAM - Random Access Memory Il termine RAM deriva da Random Access Memory. Attualmente assumono valori tipici di centinaia di MBytes. La caratteristica principale delle RAM è il fatto che l'informazione in esse contenute rimane solo quando esse vengono alimentate. La mancanza di tensione provoca la perdita di tutte le informazioni contenute. In presenza di tensione, ciascuna informazione memorizzata rimane fino alla successiva scrittura.

13 Prof.Ing.S.Cavalieri13 RAM - Random Access Memory La RAM vengono utilizzate per i seguenti scopi: memorizzare il Sistema Operativo (ad esempio Windows). memorizzare i programmi utenti prima della loro esecuzione. memorizzare i dati utenti provenienti dalle periferiche o quelli intermedi. Dal punto di vista implementativo, le memorie RAM si dividono in due grosse famiglie: RAM dinamiche RAM statiche.

14 Prof.Ing.S.Cavalieri14 RAM DINAMICHE (DRAM) La DRAM usa delle capacità interne per memorizzare i dati. Le capacità perdono la loro carica dopo un certo intervallo di tempo. Queste capacità necessitano di un costante rinfresco per mantenere inalterata l'informazione memorizzata. Il risultato finale è che tra due accessi consecutivi alla memoria, una carica elettrica viene mandata a rinfrescare la capacità del chip di memoria affinché il dato venga mantenuto nello stato logico corretto. Durante il rinfresco della memoria non è possibile accedere ad essa, rallentando, dunque, le sue prestazioni in termini di accessi in lettura/scrittura. Le DRAM sono caratterizzate da tempi di accesso (tempi di lettura/scrittura) che vanno dai 10ns ai 70 ns.

15 Prof.Ing.S.Cavalieri15 Utilizzano un condensatore per memorizzare 1 Bit Necessitano di un circuito di Refresh Consumano poco Sono abbastanza veloci (da 10 a 70 ns) Sono utilizzate per le memorie centrali Tipi di DRAM obsolete: FP DRAM (fast page) EDRAM (DRAM Evoluta) EDO RAM (extended data output RAM). RAM DINAMICHE (DRAM)

16 Prof.Ing.S.Cavalieri16 SDRAM. Quando sono apparsi i Bus con clock a 100 MHZ, si sono affermate le memorie dinamiche di tipo sincrono SDRAM. La Intel ha definito le specifiche PC100 (PC 133). RAM BUS (o RDRAM) hanno un canale da 16 bit a 800 Mhz Le DDR (double data rate) sono un tipo di SDRAM che lavorano sui due fronti del clock. Sono chiamate: DDR 300 (riferendosi al doppio del clock effettivo, 150 MHz) PC 2400 (riferendosi alla banda 8 byte * 2 * 150 MHz) o PC 2100 (8*2*133 Mhz) RAM DINAMICHE (DRAM)

17 Prof.Ing.S.Cavalieri17 Sono montate su moduli (schedine): SIMM (30 pin) single in line module; hanno una doppia fila di contatti ma connessi a coppie, quindi è come se avessero la metà dei contatti attivi; ogni modulo ha parallelismo 1 byte (un 486 usa 4 banchi) SIMM (72 PIN); i pin sono sempre organizzati a coppie; ogni modulo supporta 4 byte (il 486 usa un solo banco); montano le EDO RAM DIMM (168 PIN) Dual Inline Memory Module; tutti i pin sono indipendenti; gestisce 8 byte (un P6 usa un banco); Montano le SDRAM DIMM (184 PIN); montano le DDR; sono uguali come geometria alle DIMM 168 PIN, ma si differenziano per il fatto di avere una sola tacca DIMM con dissipatore per RDRAM RAM DINAMICHE (DRAM)

18 Prof.Ing.S.Cavalieri18 DDR in commercio Modulo Frequenza di lavoro Bandwidth massima teorica DDR200 PC1600 100 Mhz1,6 Gbytes/sec DDR266 PC2100 133 Mhz2,1 Gbytes/sec DDR300 PC2400 150 Mhz2,4 Gbytes/sec DDR333 PC2700 166 Mhz2,7 Gbytes/sec DDR375 PC3000 187,5 Mhz3 Gbytes/sec DDR400 PC3200 200 Mhz3,2 Gbytes/sec DDR433 PC3500 217,5 Mhz3,5 Gbytes/sec

19 Prof.Ing.S.Cavalieri19 Parametri Prestazionali Non è solo la frequenza di lavoro, e di conseguenza il tempo d'accesso, a determinare le prestazioni velocistiche di un modulo memoria; Esistono alcuni parametri di funzionamento, tipicamente raccolti sotto il nome di timings, che influenzano le prestazioni velocistiche in modo marcato. E' possibile intervenire manualmente a variare i timings di accesso, così da ottenere prestazioni velocistiche superiori;

20 Prof.Ing.S.Cavalieri20 I Bios delle schede madri mettono a disposizione settaggi di accesso differenti a seconda sia del modello di chipset, sia delle scelte del produttore della scheda madre. Tra i vari timings, il CL è tra le sigle che più di frequente vengono ricordate: CAS (Column Address Strobe) Latency (CL): indica il numero di cicli di clock richiesti dalla memoria per processare una richiesta. A valori inferiori della latenza corrispondono prestazioni superiori. Parametri Prestazionali

21 Prof.Ing.S.Cavalieri21 Oltre a frequenza di lavoro e timings, vi è un altro elemento: rapporto tra frequenza di bus e frequenza di lavoro della memoria. Più questo rapporto è vicino ad 1, più saranno elevate le prestazioni velocistiche. Questo spiega perché, ad esempio, con molte applicazioni la memoria DDR333 permetta di ottenere prestazioni velocistiche superiori a quella DDR400, con frequenza di bus di 166 Mhz Parametri Prestazionali

22 Prof.Ing.S.Cavalieri22 Ulcune DDR in Commercio Infineon 256 MB DDR266 CL2 PC2100 Chip di Memoria DDR 32 MB Monta solo 8 chip di memoria DDR, 4 per lato; dunque ogni chip avrà una densità di memoria pari a 32 MB. Frequenza della memorie pari a 133 MHz CAS Latency 2 DDR266.

23 Prof.Ing.S.Cavalieri23 RAM STATICHE (SRAM) La RAM statica o SRAM è la memoria più veloce disponibile attualmente Sono caratterizzate da tempi di accesso dell'ordine delle decine di nanosecondi (da 6 ns a 25 ns). Le SRAM sono costose e possono memorizzare solo 1/4 dei dati rispetto le DRAM. A differenza delle DRAM, nelle SRAM non occorre il rinfresco periodico.

24 Prof.Ing.S.Cavalieri24 Utilizzano per ogni bit un flip flop. Il singolo bit occupa molto spazio (8 transistors). Consuma molta energia. E molto veloce (< 10 ns). Ha un elevato costo per bit. Si usa nella cache, nei convertitori video a/d. RAM STATICHE (SRAM)

25 Prof.Ing.S.Cavalieri25 ROM - Read Only Memory Il termine ROM significa Read Only Memory. Indicava originariamente il fatto che l'unico tipo di accesso in queste memorie è la lettura (ovviamente la prima scrittura deve essere possibile). Esistono particolari ROM che possono essere anche riscritte. In ogni caso tutte le ROM sono caratterizzate dal fatto che l'informazione in esse contenute rimane anche quando manca la corrente. Nelle ROM che possono essere riscritte, l'informazione rimane fino alla successiva scrittura.

26 Prof.Ing.S.Cavalieri26 ROM - Read Only Memory Le ROM vengono in genere utilizzate per memorizzare programmi e dati di configurazione essenziali per il funzionamento del computer che devono essere memorizzati anche quando il computer è spento. Esistono differenti tipi di ROM: ROM non programmabili PROM. ROM Programmabili EPROM. Erasable Programmable ROM EEPROM. Electrical Erasable Programmable ROM Flash Memory

27 Prof.Ing.S.Cavalieri27 ROM, PROM, EPROM ROM: sono delle reti combinatorie già predisposte in fabbrica (tramite il processo di mascheratura). Hanno alte capacità bassi costi. PROM: sono delle reti combinatorie programmabili con un dispositivo da laboratorio. Molto utili per prototipi, possono essere programmate una sola volta. EPROM: sono programmabili con un dispositivo da laboratorio. Hanno una finestra di quarzo tramite cui è possibile esporre il chip ai raggi U.V. e cancellare il contenuto.

28 Prof.Ing.S.Cavalieri28 EEPROM – FLASH MEMORY EEPROM: come le EPROM, ma cancellabili con particolari cicli di segnalazione senza togliere dalla piastra il chip. I tempi di cancellazione sono di norma molto più lunghi di quelli di lettura. Flash Memory: come le EPROM, ma la scrittura avviene per blocchi e non per byte, molto velocemente. Non può essere usata come RAM per via della scrittura a blocchi Si chiama flash perché il microchip è organizzato in sezioni di celle cancellabili in un colpo solo (flash).

29 Prof.Ing.S.Cavalieri29 Memoria Cache Lo scopo della memoria cache è quello di reperire informazioni utilizzate recentemente senza doverle nuovamente prelevare dalla RAM. La memoria cache è generalmente gestita direttamente dalla CPU tramite bus privati. L'utilizzo della memoria cache rispetto la RAM è più vantaggioso perché: il bus di indirizzi e dati è locale e non deve essere utilizzato quello comune, che potrebbe essere occupato da altri dispositivi (ad esempio DMA), ritardando l'accesso alla RAM il tempo di accesso alla cache per lettura/scrittura è molto più basso di quello della RAM (generalmente il tempo di accesso medio alla RAM è 50-70ns, mentre si può arrivare a valori inferiori a 10ns per accedere alla memoria cache).

30 Prof.Ing.S.Cavalieri30 Memoria Cache L'uso della memoria cache prevede, però, opportuni accorgimenti dovuti al fatto che la dimensione di una cache è notevolmente inferiore a quella di una RAM la dimensione tipica della RAM è di centinaia di MBytes, mentre la cache ha dimensioni dell'ordine di alcune centinaia di KBytes. è impensabile poter memorizzare nella cache tutti i dati letti dalla RAM, ma sarà necessario sovrascrivere alcuni dati contenuti nella cache, per far spazio a nuovi dati da memorizzare. In particolare, si adotta la politica di sovrascrivere i dati più vecchi, ossia quelli non utilizzati da più tempo.

31 Prof.Ing.S.Cavalieri31 Memoria Cache La gestione della cache, può essere formalizzata nella seguente maniera: la CPU necessita di un particolare dato la CPU ricerca in dato nella cache se lo trova, lo legge e lo utilizza se non lo trova, lo reperisce nella RAM e lo trasferisce nella cache nella locazione più "vecchia", ossia da più tempo non utilizzata. Generalmente le memorie cache sono realizzate da memorie RAM statiche, che, come detto, sono quelle caratterizzate da più bassi tempi di accesso.

32 Prof.Ing.S.Cavalieri32 Attualmente le memorie cache hanno dimensioni medie di 256Kbyte, con picchi di 512Kbyte fino ad arrivare a valori di 2048Kbytes. Potrebbe sembrare che quanto più grande è la cache, tanto più conveniente sia per le prestazioni della CPU. Questa affermazione è vera relativamente, in quanto, aumentando la cache oltre certi limiti, il rapporto prezzo/prestazioni diventa non conveniente. Memoria Cache

33 Prof.Ing.S.Cavalieri33 Per aumentare ulteriormente le prestazioni, si può: Frammentare la cache Trasferire una parte della cache all'interno della CPU Sono definibili due tipi di cache dette: L1, di dimensioni minori (8KB...64KB): è in genere contenuta all'interno del Core del processore e opera alla frequenza di clock; L2 (nelle CPU correnti compresa tra 128KB e 1MB): a seconda del tipo di architettura è posta o all'interno del Core del processore oppure sulla motherboard; opera a frequenze differenti a seconda del tipo di architettura, variabili tra la frequenza di bus e quella di clock. L3: generalmente è un'estensione della L2 (2 MB nel Pentium IV Extreme Edition 3.2 GHz) Il processore cerca prima nella cache interna L1 e poi in quella esterna L2. Memoria Cache

34 Prof.Ing.S.Cavalieri34 BIOS Il nome BIOS significa Basic Input Output System, ossia sistema di base per ingressi e uscite. Il BIOS è essenzialmente un "software", ossia un programma. Esso é contenuto in un chip di memoria non volatile EEPROM o le Flash Memory. Le funzioni svolte dal BIOS sono essenzialmente tre: 1.Funzione di Avvio del Computer, all'interno della quale viene eseguito il POST (Power-On Self Test). 2.Funzione di Memorizzazione di Configurazione Hardware e di Parametri del ChipSet. 3.Interfaccia del Sistema Operativo.

35 Prof.Ing.S.Cavalieri35 BIOS Avvio del Computer Quando si accende il PC, si inizializza l'alimentatore interno. Non appena la tensione si stabilizza il chipset invia un comando di reset del processore. Il comando reset richiede alla CPU di eseguire l'istruzione posta sempre in una locazione fissa prestabilita nella ROM del BIOS e denominata indirizzo di jump. La CPU esegue l'istruzione, che copia in memoria i programmi del BIOS e inizia l'esecuzione del BIOS.

36 Prof.Ing.S.Cavalieri36 La prima azione eseguita dal programma di BIOS è il POST (Power-On Self-Test): Il processo POST verifica e controlla la configurazione hardware memorizzata nelle informazioni di configurazione del BIOS. Nel caso in cui dovesse rilevare un problema invia indicazioni acustiche per mezzo di uno o più beep o beep code, attraverso l'altoparlante del sistema, per indicare la natura del problema o visualizzare un messaggio d'errore e il processo di boot si arresta. Se il POST non incontra problemi, il processo di boot continua. Il BIOS cerca il BIOS dell'adattatore video e lo attiva. Quasi tutti i dispositivi periferici di un PC dispongono di un proprio BIOS. Le informazioni sulla scheda video sono visualizzate sullo schermo del monitor. informazioni della scheda video, BIOS della scheda video, produttore e versione. BIOS Avvio del Computer

37 Prof.Ing.S.Cavalieri37 Vengono inizializzate la routine del BIOS delle periferiche presenti, oltre la scheda video. Il BIOS effettua poi una serie di test nel sistema, inclusa la dimensione della memoria rilevata. Un contatore progressivo visualizza nello schermo la memoria rilevata e verificata. Il BIOS verifica che i dispositivi elencati nei dati di configurazione siano presenti e funzionanti. viene visualizzato un messaggio che comunica che il dispositivo è stato trovato, configurato e verificato. Se il BIOS supporta la tecnologia PnP (Plug and Play), qualsiasi dispositivo PnP rilevato sarà configurato. vengono visualizzate sullo schermo tutte le informazioni dei dispositivi, tuttavia scorrono in modo troppo veloce per poter essere lette. BIOS Avvio del Computer

38 Prof.Ing.S.Cavalieri38 BIOS Avvio del Computer Alla fine della sequenza di test e configurazione, il BIOS visualizzerà una schermata che riassume i dettagli del PC verificati dal BIOS, per indicare che il sistema è pronto per l'uso. Il BIOS dovrà trovare il sistema operativo ed essere in grado di accedervi, per poterlo attivare. I dati di configurazione memorizzati nel BIOS contengono un parametro che indica le unità disco (floppy, hard disk o CD-ROM) e l'ordine di accesso per il caricamento del sistema operativo. Se il programma di boot non viene trovato nel primo dispositivo elencato, verrà ricercato nel dispositivo successivo e così via; se non si trova alcun dispositivo di boot la relativa sequenza si arresta e viene visualizzato un messaggio di errore: "Non è disponibile alcun dispositivo di boot".

39 Prof.Ing.S.Cavalieri39 BIOS Memorizzazione Configurazione Il BIOS memorizza la configurazione hardware del computer (periferiche non plug&play) e i parametri del chipset e ne permette allutente la modifica. Programma di Configurazione: tasto DEL all'avvio In genere ogni versione di BIOS permette di intervenire su taluni parametri del chipset ma non su altri. Esempio: alla voce Chipset Features Setup (o Advanced Chipset Setup) e possibile intervenire sui tempi di accesso alla memoria e su altri parametri del chipset, così da migliorare anche sensibilmente le prestazioni del computer; C'è il rischio di impostare alcuni parametri troppo performanti per l'hardware installato e il sistema si bloccherà durante il funzionamento: basterà rientrare nel Setup del BIOS (premendo, in genere, il tasto DEL all'avvio) e reimpostare i valori precedentemente usati.

40 Prof.Ing.S.Cavalieri40 L'hardware, cioè la parte elettronica del PC, può presentare notevoli differenza da costruttore a costruttore o da modello a modello. Se il S.O. deve ad esempio recuperare un file dal disco rigido, esegue tale lettura "chiedendo" al BIOS di leggere il file, senza occuparsene direttamente. Il BIOS contiene programmi usati dal sistema operativo e software applicativo per interagire con l'hardware. Visto che il BIOS è strettamente legato allhardware, è facile comprendere è che ogni diverso computer possiede un diverso BIOS. Non è possibile cioè utilizzare il BIOS del computer modello xyz nel computer modello hkw. BIOS Interfaccia Sistema Operativo

41 Prof.Ing.S.Cavalieri41 Produttori di BIOS Award, AMI (America Megatrends, Inc.) e Phoenix producono i BIOS più noti. Come la maggior parte dei produttori, forniscono le ROM del BIOS in licenza d'uso alle case costruttrici di schede madri, mentre il servizio di supporto del BIOS compete generalmente a produttori delle schede. In passato AMI era l'unico BIOS per Intel, il principale produttore di processori e schede madri. Attualmente, oltre l'60% delle schede madri sono Intel e adottano il BIOS Phoenix. Nel 1998 Phoenix ha acquistato Award e, pertanto, il BIOS Award viene distribuito con marchio Phoenix.