MODULO 08 --> Le memorie

Insegnamento di Informatica – a.a. 2015-16

Le memorie

INSEGNAMENTO DI INFORMATICA – A.A. 2015-16

Francesco Ciclosi

Macerata, 27 ottobre 2015

Unimc - Dipartimento di Economia e Diritto - Corso di Laurea in Economia: banche, aziende e mercati

© Francesco Ciclosi – Settembre 2015 CC-BY-SA 4.0 – Common Deed – Legal Code


Categorie di memorie

Le principali categorie di memorie sono:

• ROM (Read Only Memory), memoria di sola

lettura

• RAM (Random Access Memory), memoria ad

accesso casuale

Sono molto veloci perché trasmettono i dati

elettronicamente

Non hanno parti mobili

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/


http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode




Il termine ROM

Il termine è stato coniato per indicare le ROM a

maschera, create con un processo litografico

Ma viene anche utilizzato per identificare alcune

memorie che posso essere cancellate o

riprogrammate con particolari procedimenti







La ROM (1/3)

È statica e inalterabile

Viene detta memoria non volatile

Il suo contenuto è definito in sede di

fabbricazione e non è modificabile dall’utente

Lo spegnimento dell’elaboratore non altera i

dati in essa contenuti




https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Read_Only_Memory&oldid=75479441




La ROM (2/3)

Alcune memorie sono scrivibili una sola volta:

• PROM, OTPROM

Altre sono riscrivibili più volte:

• EPROM, EEPROM, EAROM e flash ROM







La ROM (3/3)

Gli elementi fisici utilizzati dalle ROM sono

diodi o transistor

A livello architetturale la ROM utilizza una

matrice in cui ad ogni intersezione di riga e

colonna vi è una cella di memoria in cui viene

scritto il bit in sede di costruzione







Schema elettrico di una memoria ROM







Tipologie di ROM (1/3) MROM

• È la prima tipologia di ROM a stato solido realizzata

• I dati sono scritti nella ROM a maschera in fase di

costruzione

• La sua minima modifica comportava il cambiamento

dell’intera linea di produzione

PROM

• È un evoluzione «programmabile» della MROM

• Può essere scritta una sola volta con uno speciale sistema







Tipologie di ROM (2/3)

EPROM

• È un’evoluzione della PROM (Erasable e Programmable)

• Può essere scritta e riscritta (mediante raggi U/V)

dall’utente successivamente alla sua costruzione

EEPROM

• È un’evoluzione della EPROM

• Può essere scritta e riscritta

• La cancellazione dei dati avviene elettricamente con

utilizzo di tensioni più elevate







Tipologie di ROM (3/3)

EAROM

• È una tipologia di EEPROM che prevede la

modifica di un bit alla volta in luogo di blocchi di bit

Flash ROM

• È una memoria di tipologia EEPROM

• Quando viene chiamata con questo nome ci si

riferisce al suo impiego come ROM e non come

memoria di massa







La RAM

È detta memoria centrale o memoria dell’utente

È una memoria di tipo volatile

Lo spegnimento dell’elaboratore determina la

cancellazione dei dati in essa contenuti

Consente l’accesso random (casuale) ai dati,

senza bisogno di rispettare una sequenza ben

definita







Una semplice analogia

La RAM è il tabellone di gioco, la ROM il libretto delle istruzioni







Tipi di memoria

Esistono vari tipi di memoria

che si differenziano per

velocità, costo e ambito d’uso

I principali tipi sono:

• la DRAM (Dynamic RAM)

• la SRAM (Static RAM) Wafer chip DRAM

Moduli DRAM Moduli SRAM







La DRAM (Dynamic RAM)

È il tipo di memoria centrale più diffuso

Le celle di memoria mantengono i dati solo

per breve tempo e quindi devono essere

aggiornate centinaia di volte al secondo

Si suddivide in varie sotto tipologie







Tipologie di DRAM (1/5)

FPM (Fast Page Mode) DRAM

• È stata la prima tipologia di memoria per i sistemi

desktop

EDO (Extended Data Out) DRAM

• È leggermente più veloce della FPM

BEDO (Burst EDO) DRAM

• Invia alla CPU sia l’indirizzo richiesto che il

successivo assumendo che gli indirizzi siano richiesti

in successione








SDRAM (Synchronous DRAM)

• È in grado di sincronizzarsi con il clock che controlla

la CPU, eliminando le discrepanze di tempo e

rendendo i trasferimenti più veloci e affidabili

DDR DRAM (Double Data Rate) DRAM

• È simile alla SDRAM ma in grado di trasportare il

doppio dei dati nello stesso ciclo di accesso








DDR2 DRAM

• È un’evoluzione della DDR RAM in grado di

trasportare il doppio dei dati

DDR3 DRAM

• È un’evoluzione della DDR2, che consente una

duplicazione della velocità di trasferimento variabile

tra 800 Mbit/s e 1,5 Gbit/s

• Opera a una tensione di 1.5 o 1.65 V con una

frequenza compresa tra 800 e 2133 MHz








DDR4 DRAM

• È un evoluzione della DDR3 con maggiore densità,

tensione inferiore e maggiore velocità di trasferimento

dati

• Opera a una tensione di 1,2 V con una frequenza

compresa tra 1600 e 3200 MHz

• I moduli DDR4 possono anche essere fabbricati con

una densità due volte superiore rispetto alle DDR3








RDRAM (Rambus DRAM)

• È una tecnologia proprietaria di Intel

• È molto veloce ma poco diffusa per l’alto costo e

per le modifiche richieste al sistema

• Invia i dati su di un canale ad alta velocità (10 volte

più veloce della DRAM standard)







DDR DRAM: approfondimento (1)

Trasmette i dati sia sul fronte di salita che sul

fronte di discesa del ciclo di clock

Consente quindi di raddoppiare la velocità di

trasferimento senza aumentare la frequenza del

bus di memoria







DDR DRAM: approfondimento (2)

Lavora con i cosiddetti prefetch buffer, utilizzati

per collezionare i dati prima di fornirli a

un’interfaccia più veloce

La DDR utilizzava un prefetch di 2, la DDR2 uno

di 4 e la DDR3 uno di 8

Il differente prefetch determina la differenza

prestazionale e il dilatarsi dei tempi di latenza







Alcuni tipi di DDR

DDR2

DDR3

DDR4







Compatibilità dei moduli DDR

I moduli DDR3 sono

identici per forma e per

dimensioni ai precedenti,

ma non sono tra di loro

intercambiabili

La tensione utilizzata dai

moduli DDR3 è differente

Per evitare errori di

assemblaggio la tacca è

stata riposizionata







Il problema della latenza

La velocità di trasferimento è notevolmente

influenzata dai fenomeni di latenza

• che si verificano nelle operazioni di lettura/scrittura

• che dipendono dal tipo e dalla qualità del chip

• e che derivano dalla frequenza di funzionamento

A ogni banco di memoria sono associati dei tempi

caratteristici (timing), misurati in unità di cicli di

clock (dove i valori bassi equivalgono a prestazioni

migliori a parità di frequenza)







I principali timing (1)

CAS Latency Time (tCl)

• Utilizzato durante un’operazione di lettura, indica

l’intervallo di tempo tra l’istante in cui il comando di

lettura giunge ad una certa cella di memoria e quello

in cui inizia il trasferimento dei dati

• Per identificare una cella di memoria, prima si

seleziona l’indirizzo di riga e infine quello di colonna








RAS to CAS Delay Time (tRCD)

• È l’intervallo di tempo che intercorre tra

l’attivazione della riga e della colonna che

identificano la cella di memoria in cui si vuole

leggere o scrivere il dato, ovvero il ritardo del

segnale CAS rispetto al segnale RAS

RAS Precharge Time (tRP)

• È il ritardo tra il momento in cui viene inviato un

comando di selezione riga e il comando successivo








Active-to-Precharge Delay (tRAS)

• Riguarda i diversi passi in cui può essere suddiviso il

processo di accesso alla memoria

• Il suo numero indica il numero minimo di cicli che

intercorrono fra i comandi «active» e «precharge»

Row Cycle Time (tRC)

• È l’intervallo di tempo intercorrente tra l’attivazione

consecutiva di 2 righe di memoria dello stesso

banco







DDR e CAS

Il CAS (Column Address Select) indica il

numero di cicli di clock che servono alla RAM

per «riempire» il proprio prefetch buffer

• Le DDR1 lavoravano con CAS di 2/2,5/3 cicli di

clock

• le DDR2 arrivano a CAS 3/4/5

• le DDR3 ora arrivano a CAS 5/6/7/8







I moduli di memoria (1/2)

Normalmente i chip di memoria non sono

inseriti direttamente nel computer

I chip vengono installati in appositi circuiti

stampati (moduli di memoria), poi inseriti negli

slot di espansione della scheda madre







I moduli di memoria (2/2)

Esistono due tipi di moduli (form factor):

• DIMM (Dual In-line Memory Module), utilizzabili

singolarmente

• SIMM (Single In-line Memory Module), utilizzabili

a coppia di moduli







La SRAM (Static RAM) – (1/2)

È un tipo di RAM volatile che non necessita di

refresh

Consentono di mantenere le informazioni ivi

contenute per un tempo teoricamente illimitato

Hanno bassi tempi di lettura e bassi consumi

Sono più costose della DRAM perché usano

molti componenti per cella







La SRAM (Static RAM) – (2/2)

Sono solitamente utilizzate per le memorie cache

La famiglia delle memorie SRAM si divide in:

• async SRAM (SRAM asincrona)

o Lavora in modo asincrono rispetto al clock della CPU

o Viene utilizzata come cache di secondo livello (L2)

• sync SRAM (SRAM sincrona)

o Lavora in sincronia con il clock della CPU (tempi di attesa

ridotti)







Altre tipologie di memoria

Oltre alla RAM in ogni sistema esistono differenti

tipi di memoria che si contraddistinguono anche

per la particolare funzione di utilizzo

• La memoria virtuale

• La cache

• I buffer







La memoria virtuale (1/2)

La RAM ha una dimensione limitata, pertanto

molti dati e programmi vengono memorizzati

nell’hard disk usando la memoria virtuale







La memoria virtuale (2/2)

I dati in eccesso rispetto allo spazio disponibile nella RAM vengono

memorizzati nell’hard disk fintanto che non sono necessari

Se richiesti, i dati vengono trasferiti dall’hard disk alla RAM,

mentre altri dati effettuano il percorso inverso per liberare spazio







La cache (1/3)

È un area di memoria ad alta velocità localizzata

tra la CPU e la memoria centrale

Serve a velocizzare le operazioni di

trasferimento dei dati tra la CPU, il disco fisso e

la memoria centrale







La cache (2/3)

Quando la CPU cerca un dato

• controlla prima la cache

• se non lo trova lo carica dalla memoria centrale

Memoria Cache Dati Cache hit

Cache miss







La cache (3/3)

Il computer cerca di determinare

preventivamente cosa caricare nella cache

Solitamente se la CPU richiede un dato, questo

viene caricato nella cache insieme al successivo

(che potrebbe servire)

Non sempre l’elaborazione riesce a determinare

con esattezza il contenuto della cache







Tipologie di cache

La memoria cache utilizza chip di memoria

particolarmente veloci e costosi (SRAM)

Esistono più livelli di cache:

• L1 (cache interna o primaria), fa fisicamente parte del

microprocessore (si misura in kB)

• L2 (cache esterna o secondaria), è costituita da chip di

memoria installati (in moduli) sulla mainboard (MB)

• L3, collocata tra la cache L2 e la memoria principale, è

implementata in un apposito chip esterno alla CPU (MB)







Alcune implementazioni

delle cache L1 e L2







I buffer

Consistono in una data area della memoria RAM

che viene riservata da alcuni processi per vari utilizzi

La loro natura è dinamica

Esempi di buffer sono:

• Il buffer dei caratteri digitati con la tastiera

• Il buffer degli ultimi comandi usati

• Il buffer delle modifiche effettuate su di un file

• Gli appunti di Windows (clipboard) utili per le

operazioni di “copia”-”incolla” (CTRL+C – CTRL+V)







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