Modulo didattico “Hardware del P.C.” I.T.I.S. Santhià – Dipartimento di Informatica La memoria del P.C. Modulo didattico “Hardware del P.C.” Ultima revisione 10 gennaio 2005 Autore M. Lanino

La gerarchia della memoria La memoria di un PC è organizzata secondo diversi livelli gerarchici, ognuno dei quali assolve ad uno scopo specifico: La memoria di sistema serve come cache per il file di paginazione e swap virtuale situato sul disco rigido. La cache di secondo livello (L2) funge da intermediario tra l'unità di calcolo e la memoria di sistema. E’ integrata nella CPU. Inoltre tutti i processori possiedono una più veloce cache di primo livello (L1) anch’essa integrata al loro interno. Taluni processori, di solito su cartuccia, (Intel Itanium e Itanium2) posseggono anche una cache di terzo livello denominata L3 ubicata sulla scheda che ospita la CPU

I principi fondamentali alla base delle architetture delle cache sono: il Principio della Localizzazione Temporale Il Principio della Localizzazione Spaziale. Il primo afferma che nel momento in cui un programma si appoggia ad una determinata locazione di memoria è molto probabile che farà riferimento ad essa anche in un momento successivo. Il secondo principio afferma invece che un'applicazione tende ad utilizzare e fare riferimento a locazioni di memoria contigue o vicine le une alle altre.   Quando la memoria cache riceve una richiesta per dati che non sono disponibili al suo interno si parla di cache miss la memoria di sistema è pensata e realizzata con lo scopo di minimizzare l'effetto collo di bottiglia che la memoria virtuale ha sulle prestazioni generali del sistema.

Nozioni base sulla latenza e sulla capacità della banda dati   Con il termine latenza si indica il tempo necessario a completare un'operazione sulla memoria, dall'inizio alla fine del processo. La capacità della banda dati è, invece, la misura della quantità di informazioni che possono fluire al secondo attraverso il canale da e verso la memoria. La banda di trasferimento dati è difficile da determinare: la capacità massima teorica può essere calcolata moltiplicando il numero di bit trasferiti ad ogni ciclo di clock per la frequenza di funzionamento della memoria.

Cenni sul funzionamento della RAM dinamica La Dram è costruita con celle di transistor e condensatori ordinati all'interno dei chip, in colonne e righe, organizzate a loro volta in banchi. poiché i condensatori perdono nel tempo il loro stato di carica è necessario effettuare un'operazione di ricarica periodica: da qui il concetto di refresh della memoria. Oltre a questo ogni qual volta viene letto un dato il condensatore perde la sua carica; per questo motivo i chip di memoria sono dotati di un circuito chiamato amplificatore di stato che identifica il dato in lettura e lo riporta allo stato originale dopo la fase di accesso.

Righe e colonne … La memoria Dram standard, quando riceve una richiesta dati dal controller principale della memoria, identifica in primo luogo la riga in cui si trova l'informazione. Dopo questa fase deve essere attivato l'amplificatore di stato relativo a questa riga se differente da quella dell'ultimo accesso e questa operazione richiede un po' di tempo. Questo intervallo di tempo è indicato con tRP (Time Row Precharge, tempo di attivazione della riga). Quindi intercorre un piccolo lasso di tempo durante il quale il segnale di riga si stabilizza prima di poter impostare la colonna. Questo intervallo di tempo è conosciuto come tRCD (Time Ras to Cas Delay; Ras: Row Access Strobe; Cas: Column Access Strobe). A questo punto può essere effettuato l'accesso alla colonna e dopo un intervallo di tempo tCAC (Column Access Time) il dato richiesto viene inviato ai pin di uscita della Dram.

Le fasi di un’operazione sulla RAM Riassumendo Richiesta di accesso e lettura del registro Individuazione della RIGA contenente la locazione Individuazione della COLONNA Identificazione della locazione e trasferimento del dato in uscita.

La D-Ram è Sincrona La memoria Fpm (Fast Page Mode Ram) e la Edo (Extended Data Output Ram), che le è succeduta per poco tempo, operavano in modalità asincrona, utilizzando cioè un proprio segnale di clock indipendente da quello del processore che, insieme al controller della memoria, doveva supervisionare a tutte le operazioni di trasferimento dati. Sdram è lo standard Dram definito dal Jedec e aiuta a risolvere questo problema impiegando il Fsb del processore come segnale di clock per le operazioni di input e output della memoria.   La Sdram utilizza uno speciale registro che, come una chiave, memorizza gli indirizzi di riga e colonna del dato richiesto, così che la Cpu possa proseguire l'esecuzione delle istruzioni nella pipeline mentre attende l'arrivo dell'informazione. Poiché questa arriva sincronizzata sul fronte del Fsb, il processore può programmare il rendez-vous dei dati con le istruzioni all'interno degli stadi di esecuzione della pipeline.

Moduli di memoria PC133 Sdram Memoria SD-RAM Memoria Sdram Il tipo di memoria più diffuso sui vecchi (età > 3 anni) PC è il Single Data Rate (Sdr) Sdram che trasferisce i dati sul fronte di salita del segnale di clock. La Sdr Sdram, oggi ormai fuori mercato, era disponibile in tre tipologie definite dalle specifiche Jedec: Pc66, Pc100, Pc133. Queste vennero sviluppate perché nel momento in cui la Sdram arrivò sul mercato sorsero molti problemi inerenti ai timing di funzionamento: moduli certificati per essere Pc100 in realtà difficilmente funzionavano in modo corretto. In seguito Intel sviluppò un proprio documento sulle specifiche Pc100, che ancora oggi risulta essere la guida più completa sull’argomento. Pc133 è un'evoluzione dello standard Pc100 che implica il solo innalzamento della frequenza di funzionamento a 133MHz; Con Pc66 ci si riferisce ai moduli di memoria Sdram che aderiscono alle specifiche originali Jedec. Moduli di memoria PC133 Sdram

Considerazioni tecniche Le Sdram possono disporre di diverse caratteristiche: la Sdram con controllo di parità indica moduli in grado di identificare eventuali errori nei dati se la scheda madre e il chipset supportano l'impiego del bit di parità; la memoria Sdram Ecc possiede dei pin extra ed è in grado di effettuare anche correzioni sui dati errati. Queste proprietà addizionali comportano un costo aggiuntivo, ma sono generalmente impiegate solo per sistemi server e per hardware destinati ad applicazioni mission critical ; per la maggior parte delle applicazioni sono invece sufficienti normali moduli Sdram. Altri termini che descrivono i moduli di memoria Sdram sono Cas2 e Cas3. Il termine Cas (Column Address Strobe) indica il numero di cicli (basati sul tempo tCAC) necessari perché il segnale di Cas attivi la colonna desiderata all'interno della griglia di celle di memoria. Un modulo Cas2 è più veloce di uno Cas3 ed è preferibile per operazioni di overclock; inoltre determina un incremento significativo della banda i di trasferimento dati effettiva, anche se le prestazioni i generali del sistema ne traggono poco beneficio. Un'osservazione importante per chi intende utilizzare moduli Cas2 è di installare un singolo modulo in quanto l'impiego di più moduli distinti causa generalmente l'abbassamento, effettuato in automatico dalla scheda madre, a Cas3 dei timing di accesso.

Identificazione della capacità Nota sulla capacità L’identificazione della capacità di memoria di un modulo DIMM (#) avviene attraverso le informazioni del chip SPD (Serial Presence Detect), una piccola eprom (*) che contiene tutti i parametri operativi necessari. Il formato delle informazioni presenti nel chip SPD è stato fissato dal JEDEC, organizzazione che raggruppa i principali costruttori di memorie RAM. La non conformità dei dati presenti su tale chip è spesso causa di mancati riconoscimenti del corretto formato del modulo o della presenza dell’intero modulo. # DIMM è l’acronimo di Dual In Line Memory Module ed è il formato di memoria per i PC, mentre SODIMM è l'acronimo di Small Outline Dual In-line Memory Module ed è il formato dei moduli di memoria utilizzati sui notebook. * Eprom = Electrically programmable Rom , cioè memoria a sola lettura scritta elettricamente dal produttore del chip e non modificabile.

La memoria DDR Memoria Ddr – Sdram La memoria Ddr (Double Data Rate) Sdram è molto simile a quella Sdr Sdram, ma con la caratteristica di trasferire le informazioni sia sul fronte ascendente che su quello discendente del segnale di clock. Gli standard per i moduli Ddr I Sdram sono Pc1600 (200MHz), Pc2100 (266 MHz), Pc2700 (333 MHz) e Pc3200 (400 MHz).   Modulo di memoria DDR

La DDR vista da vicino Questo è un modulo di memoria DDR400 (PC3200) di S3+ (www.s3plus.com) da 512 MB che supporta frequenze di lavoro fino a 533MHz

L’identificazione del modulo La foto mostra la targhetta di riconoscimento del modulo, con le indicazioni principali e il bar code. Si noti anche l’integrato SPD sulla destra.

Il doppio canale verso la memoria I chipset delle schede madri più recenti ed i nuovi microprocessori a 64 bit supportano un doppio canale verso la memoria di sistema. Questa tecnologia migliora l’ampiezza della banda dati ed i tempi di latenza ma induce ad alcune considerazioni. Il numero di slot di memoria delle schede madri che supportano il Dual Channel è pari (di solito 4) in quanto i moduli devono essere installati a coppie. se sono presenti solo 3 slot, per lavorare in modalità dual channel si potrà installare una sola coppia di moduli I moduli devono essere rigorosamente identici, cioè omologhi per dimensione e caratteristiche tecniche per evitare malfunzionamenti (es. 2x256 MB DDR400 o meglio 2x512 MB DDR400)

Il futuro: DDR2 Attese per la prima metà del 2005 e per ora utilizzate per lo più sulle schede video di fascia medio-alta, le memorie Ddr II si preparano a sfondare, sia nel segmento Pc desktop sia nei dispositivi portatili, anche se le specifiche sono in continua evoluzione. Il nuovo standard per le memorie di sistema ha debuttato nel 2004 sugli adattatori grafici Nvidia della serie GeForce FX e si appresta ora a entrare anche nel mercato di massa.   Oltre alle schede video, anche le schede madri presto sfrutteranno in modo massiccio memoria DDR2. I chipset 915 e 925 di Intel supportano lo standard DDR2 400-533 e 667.

Alcune info aggiuntive … Dai sistemi domestici dedicati al gioco fino ai server, le memorie Ddr2 consentiranno di raggiungere prestazioni nettamente superiori a quelle fornite dalle attuali memorie. Le Ddr2 sono infatti in grado di fornire, a parità di frequenza, una banda passante doppia rispetto alle odierne Ddr. I nuovi moduli, con tensione di alimentazione di 1,8 V, garantiscono un transfer rate di 533 Mbps, estendibile a 667 Mbps per i sistemi server o per particolari soluzioni che richiedano un ulteriore incremento di prestazioni. Per capire I vantaggi e I miglioramenti delle DDR2 rispetto alle DDR SDRAM occorre far propri alcuni aspetti fondamentali di questa architettura. In primo luogo occorre dire che le DDR2 sono fondamentalmente simili alle DDR, ma, mentre le DDR possono trasferire i dati attraverso il bus due volte per ciascun ciclo del clock, le DDR2 sono in grado di operare quattro trasferimenti per ciclo. Le DDR2 utilizzano le stesse celle di memoria, ma raddoppiano la banda passante utilizzando la tecnica del multiplexaggio.

Spieghiamo meglio Le DDR2 presentano clock alla stessa frequenza delle DDR e delle SDRAM, ma la frequenza di lavoro dei buffer di I/O è più elevata nelle DDR2. Il bus che collega le celle di memoria con i buffer è due volte più ampio rispetto alle DDR. Così, i buffer di I/O possono eseguire il multiplexaggio: i dati provengono dalle celle percorrendo un bus ampio e escono dal buffer I/O attraverso un bus largo la metà (della stessa ampiezza di quello delle DDR tradizionali), ma con frequenza due volte maggiore. Questo permette di raddoppiare la larghezza di banda senza incrementare la frequenza operativa delle celle di memoria.

Ci sono degli aspetti negativi Questo metodo di incremento della banda passante, nella sua semplicità, presenta anche aspetti negativi. Il principale svantaggio è l’aumento della Latenza. La latenza della memoria DDR2 non dipende dalla frequenza di lavoro dei buffer di I/O o dall’ampiezza del bus che i dati percorrono in uscita dalle celle, bensì essenzialmente dalla latenza intrinseca delle celle stesse. La latenza di una DDR2-533 è comparabile con quello di una DDR-266 o di una PC133 e peggiore rispetto a quello di una DDR-400 o superiore. Così le DDR2 hanno una banda passante più ampia delle DDR, ma una latenza peggiore ed è per questo che i sistemi basati su DDR2 potrebbero perdere il confronto con i sistemi DDR in determinate applicazioni reali (ci sono molti programmi che sono sensibili non solo alla velocità con cui i dati vengono loro trasferiti, ma anche al tempo che occorre per accedervi).

JEDEC JEDEC = Joint Electronic Device Engineering Council Il logo Organismo internazionale preposto al controllo degli standard relativi a dispositivi elettronici. Vi appartengono delegati di tutti i più importanti produttori di circuiti integrati a livello mondiale, quindi anche i costruttori di memorie.