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

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

Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 Memoria Centrale La memoria è un blocco funzionale di tipo sequenziale complesso. Serve per mantenere a tempo indefinito dati e programmi, e per permetterne l’accesso, 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. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

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

Interfaccia di Memoria (2) La porta di accesso alla memoria è costituita dai segnali seguenti: ingressi di indirizzo, che codificano in binario l’indirizzo della parola dove si deve operare - se la memoria ha capacità di 2m  1 parole, occorrono log2 2m  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 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

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

Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 RAM Dinamica (DRAM) La tecnologia DRAM usa solo circa 1,5 transistori per bit memorizzato. Essa sfrutta il fenomeno dell’accumulo 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 - 100 ns), lettura e scrittura. Usi: numerossisimi, la memoria centrale dei calcolatori normalmente è DRAM. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 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 - 100 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. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

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

Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 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 - 100 ns). Funziona in sola lettura. Usi: per memorizzare programmi permanenti, non modificabili (software di base, e simili Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

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

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

Memoria Programmabile sul Campo 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. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

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

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

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

Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 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) L’analisi sull’esecuzione dei programmi mostra che i riferimenti alla memoria godono di 2 proprietà: Località spaziale: è altamente probabile che l’istruzione successiva sia contigua a quella che si sta eseguendo 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 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 Gerarchia di Memoria Struttura complessiva della gerarchia: banco registri di processore: tempo di accesso a una parola brevissimo ( 1 ns) capacità limitatissima (8 - 1024 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 (10 - 100 ns) capacità media (ordine di grandezza: da Mbyte - a Gbyte) sistema di memoria di massa: tempo di accesso a un blocco di parole lungo (1 - 10 ms) capacità grande (ordine di grandezza: Gbyte - Terabyte) Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8

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

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

Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8 Sistemi tecnologici 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) Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_8