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Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 1 ELETTRONICA DIGITALE (2^ Parte) (8) Il sistema di memoria.

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1 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 1 ELETTRONICA DIGITALE (2^ Parte) (8) Il sistema di memoria

2 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 2 Memoria Memoria interna o centrale o principale –ROM, PROM –RAM (SRAM, DRAM) Memoria esterna o ausiliaria –Dischi rigidi (magnetici, ottici, magneto-ottici) –Floppy –Nastri –Cassette

3 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 3 Memoria Centrale La memoria è un blocco funzionale di tipo sequenziale complesso. Serve per mantenere a tempo indefinito dati e programmi, e per permetterne laccesso, in lettura o in scrittura. Ha una struttura a vettore, i cui elementi sono le parole di memoria. Ogni parola di memoria è una sequenza di bit, in numero fissato 1.

4 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 4 Interfaccia di Memoria (1) Il contenuto della memoria viene letto o scritto una parola per volta, in un ciclo di clock (più cicli in memorie lente). Si accede a una parola di memoria (byte o più lunga) tramite la porta di accesso alla memoria. La porta di accesso può funzionare in lettura e scrittura (caso più frequente), solo in lettura e teoricamente anche solo in scrittura (caso poco frequente).

5 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 5 Interfaccia di Memoria (2) La porta di accesso alla memoria è costituita dai segnali seguenti: ingressi di indirizzo, che codificano in binario lindirizzo della parola dove si deve operare -se la memoria ha capacità di 2 m 1 parole, occorrono log 2 2 m ingressi di indirizzo uscite / ingressi di dato, che servono per leggere / scrivere una parola: -se la parola ha dimensione di n 1 bit, occorrono esattamente n uscite / ingressi di dato

6 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 6 Interfaccia di Memoria (3) Comando di lettura / scrittura, R/W (read/write) - R/W 1 lettura - R/W 0 scrittura Comando di abilitazione, CS (chip select): -CS 1 chip attivo, si può accedere al contenuto CS 0 chip in stato di riposo, non si può né leggere né scrivere Comando di abilitazione dati, OE (output enable): OE 1 le uscite dati sono funzionanti OE 0 le uscite dati sono isolate Nel seguito si considererà essenzialmente il comando R/W, che può anche assumere le funzioni di CS e OE, abilitando chip e dati.

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8 8 Memoria Memoria interna o centrale o principale –ROM, PROM –RAM (SRAM, DRAM) Memoria esterna o ausiliaria –Dischi rigidi (magnetici, ottici, magneto-ottici) –Floppy –Nastri –Cassette

9 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 9 Tipologie di Memorie allo stato solido Volatili Non Volatili RAM (Random Access Memory) SRAM (Static RAM) Flip-Flop Statiche Velocissime Cella Grande Costo per Bit Taglio ~ 100 Kbit DRAM (Dynamic RAM) Capacità Dinamiche (Refresh) Veloci Cella piccola Costo per Bit Taglio ~ 100 Mbit ROM (Read Only Memory) Programmate in fonderia Costo per Bit EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) MOS Floating Gate E-P Random Access R Lenta, E-P molto lenti Costo per Bit Masked ROM MOS Floating Gate Cancellabili mediante UV Fuse - Antifuse OTP (One Time Programmable) EPROM (Electrically Programmable ROM) Flash MOS Floating Gate P Random Access E a banchi R Lenta, P molto lenti, E lentissimo Costo per Bit Taglio ~ 100 Mbit SDRAM (Synchronous DRAM) Capacità Accesso a burst Self Refresh

10 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 10 Decodifica di Indirizzo Per costruire memorie di capacità elevata, si aggregano componenti integrati di memoria con capacità inferiore. Come primo passo, la matrice di celle da un bit può avere organizzazione diversa da quella dichiarata per la memoria ed esternamente visibile dall'utilizzatore. L'indirizzo può essere decodificato in maniera parziale, o suddivisa.

11 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 11 Indirizzamento Bi-dimensionale

12 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 12

13 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 13

14 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 14

15 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 15

16 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 16

17 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 17 SRAM 512K x 8

18 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 18 Comandi di Lettura/Scrittura

19 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 19 Altre Ottimizzazioni La decodifica dell'indirizzo può anche essere effettuata in due momenti successivi: –indirizzo di riga per primo –indirizzo di colonna per secondo Se si opera su parole di memoria collocate a indirizzi consecutivi, l'indirizzo di riga (o di colonna) non varia per diverse operazioni, lo si può tenere fisso e la decodifica è più veloce. Occorrono segnali di controllo aggiuntivi per gestire questi schemi di decodifica più sofisticati

20 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 20

21 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 21

22 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 22

23 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 23 Tecnologie di Memoria Esistono svariate tecnologie di memoria. Tali tecnologie dipendono da vari fattori: –capacità della memoria –tempo di accesso a una parola (in lettura o scrittura) –politica di accesso alla parola: lettura e scrittura sola lettura programmabilità sul campo immodificabilità –stabilità del contenuto: volatile o persistente –e costo del componente

24 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 24 RAM Statica (SRAM) Memoria RAM (Random Access Memory) realizzata come matrice di bistabili. Capacità medio-piccola (da K a M parole). Tempo di accesso molto breve (1 ns o meno). Funziona sia in lettura sia in scrittura (non necessariamente alla stessa velocità). Volatile: senza alimentazione il contenuto della memoria svanisce (si tampona con batteria). Usi: svariati, in particolare come banco di registri interni di processore e come cache. La cella di base (memorizzazione di 1 bit) è costituita da 6 transistor Occupazione notevole Consumo di potenza non trascurabile

25 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 25 Memorie Statiche (SRAM) La cella di base (memorizzazione di 1 bit) è costituita da 6 transistor Tempi di accesso bassi (fino a 1 ns) Interfaccia semplice capacità, misurata in numero totale di bit memorizzabili sullo stesso chip Occupazione notevole Consumo di potenza non trascurabile Utilizzata per i registri interni e per piccole memorie Funzione: lettura e scrittura, solo lettura Numero di porte di accesso

26 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 26 Cella di Memoria RAM Statica

27 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 27 RAM Dinamica (DRAM) La tecnologia DRAM usa solo circa 1,5 transistori per bit memorizzato. Essa sfrutta il fenomeno dellaccumulo temporaneo di carica sul transistore. Internamente il componente di memoria DRAM contiene un circuito di rinfresco che rigenera le cariche sui transistori prima che queste svaniscano. La tecnologia memoria DRAM ha struttura molto regolare, e può raggiungere una densità di transistori estremamente elevata. Capacità grande-grandissima (da M a G parole), Tempo di accesso medio (10 ns ns), lettura e scrittura. Usi: numerossisimi, la memoria centrale dei calcolatori normalmente è DRAM.

28 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 28 RAM Dinamica (DRAM) Memoria RAM realizzata come matrice di transistori, ad altissima densità. Capacità grande-grandissima (da M a G parole), non conviene farla piccola. Tempo di accesso medio (10 ns ns). Funziona sia in lettura sia in scrittura (non necessariamente alla stessa velocità). Volatile: senza alimentazione il contenuto della memoria svanisce (batteria tampone). Usi: numerossisimi, la memoria centrale dei calcolatori normalmente è DRAM.

29 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 29 Cella di Memoria RAM Dinamica in genere realizzato con un transistore il circuito di rinfresco qui non è mostrato

30 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 30 Cella di Memoria ROM La memoria ROM (read only memory) ha contenuto fisso, non modificabile. La cella di memoria ROM è una variante semplificata della cella RAM dinamica. In sede di fabbricazione (o in seguito, secondo la tecnologia), lo stato del transistore che memorizza il bit viene definito in modo fisicamente persistente e non più modificabile. Ciò equivale a fissare lo stato dell'interruttore (aperto o chiuso), in modo definitivo. Capacità grande (da M a G). Tempo di accesso medio (10 ns ns). Funziona in sola lettura. Usi: per memorizzare programmi permanenti, non modificabili (software di base, e simili

31 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 31 Cella di Memoria ROM in genere realizzato con un transistore l'interruttore viene fabbricato in uno stato definito (aperto o chiuso)

32 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 32 Memoria Programmabile sul Campo Serie di tecnologie di memoria derivate dalla tecnologia ROM, con raffinamenti vari. Capacità e tempo di accesso simili a ROM. Funzionano in sola lettura e sono persistenti. Ma sono programmabili sul campo (field programmable), cioè il contenuto della memoria è definibile dopo la fabbricazione. In alcune di tali tecnologie, si può riprogrammare la memoria più volte. Usi: piccoli volumi di produzione, prototipi.

33 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 33 La programmazione è un'operazione speciale: –si arresta il funzionamento normale della memoria –si sostituisce l'intero contenuto (non parte di esso) La programmazione va fatta tramite una macchina programmatrice apposita: –PROM: programmabile una volta sola –EPROM: cancellabile più volte con raggi UV –EEPROM: cancellabile più volte elettricamente (si può anche scrivere un solo byte per volta) In EEPROM il circuito di programmazione è integrato nella memoria stessa. Memoria Programmabile sul Campo

34 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 34 Memoria FLASH Tecnologia di memoria abbastanza recente con tempo di accesso simile a quello della tecnologia DRAM (o solo di poco peggiore). Funziona sia in lettura sia in scrittura (la scrittura però è a blocchi di byte). Persistente: il contenuto permane anche in assenza di alimentazione (per alcuni anni). Molti usi e in rapido aumento: –dati multimediali (immagini statiche, sequenze audio e video) –programmi fissi ma periodicamente aggiornabili

35 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 35 Tabella Riassuntiva Le memorie cancellabili vengono talvolta qualificate come memorie prevalentemente a sola lettura (read-mostly), invece che a sola lettura (read-only).

36 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 36 Gerarchia di Memoria sistema di memoria gerarchico ruolo della memoria cache

37 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 37 Concetto di Gerarchia Si possono migliorare le prestazioni (la velocità) del calcolatore tramite il sistema di memoria, con il concetto di gerarchia di memoria: –diversi livelli di memoria, con tecnologie differenti in modo da ottenere un buon compromesso tra costo / capacità / prestazione (cioè rapidità di accesso) Qui l'attenzione è sul sistema di memoria cache, che ha lo scopo di rendere rapida la memoria. Il divario di prestazioni tra CPU e DRAM è cresciuto (vel. DRAM +22% anno, vel. CPU +50,100% anno) Lanalisi sullesecuzione dei programmi mostra che i riferimenti alla memoria godono di 2 proprietà: 1.Località spaziale: è altamente probabile che listruzione successiva sia contigua a quella che si sta eseguendo 2.Località temporale: poiché tutti i programmi hanno dei cicli in cui si fa altamente probabile che nel prossimo futuro venga di nuovo eseguita la stessa istruzione o si faccia riferimento allo stesso dato

38 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 38 Gerarchia di Memoria Struttura complessiva della gerarchia: –banco registri di processore: tempo di accesso a una parola brevissimo ( 1 ns) capacità limitatissima ( bit) –sistema memoria cache (primo e secondo livello): tempo di accesso a una parola breve ( 1 ns) capacità limitata (ordine di grandezza: da Kbyte a Mbyte) –sistema di memoria centrale: tempo di accesso a una parola medio ( ns) capacità media (ordine di grandezza: da Mbyte - a Gbyte) –sistema di memoria di massa: tempo di accesso a un blocco di parole lungo ( ms) capacità grande (ordine di grandezza: Gbyte - Terabyte)

39 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 39 Gerarchia La località suggerisce lintroduzione di una gerarchia nella memoria Al livello più alto ci sono i registri della CPU Al livello più basso le memorie di massa

40 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 40 Gerarchia Il processore genera un indirizzo Si controlla la memoria di livello più alto (cache) Se il dato è contenuto nella cache si ha un hit ed il dato viene trasmesso alla CPU In caso contrario si ha un miss e si passa alla memoria di livello inferiore h = tasso di hit, il rapporto tra il numero di hit ed i riferimenti totali alla memoria m = tasso di miss, il rapporto tra il numero di miss ed i riferimenti totali alla memoria (m=1-h) Salendo di strato in strato nella piramide la capacità della memoria diminuisce e la velocità aumenta (e il costo per bit). Ogni strato della piramide contiene in copia un sottinsieme (di blocchi o parole) del contenuto dello strato sottostante.

41 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 41 Tre sottosistemi tecnologici: registri interni del processore per dati e indirizzi dove lavorano correntemente le istruzioni: alta velocità bassa capacità memoria primaria per programmi in esecuzione e dati in elaborazione corrente: serie di tecnologie, tutte elettroniche, veloci, capaci, volatili memoria secondaria per programmi e dati in deposito permanente o di uso differito: tecnologie, magnetiche od ottiche, lente, molto capaci, persistenti (ma di basso costo per bit memorizzato) Sistemi tecnologici


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