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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Sistemi Operativi
Marco D. Santambrogio – [email protected]
Ver. aggiornata al 24 Agosto 2015
Agenda
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Intro e un po’ di storia
• Accenni sul funzionamento di un SO
2
Cosa vediamo adesso…
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Intro e un po’ di storia
• Accenni sul funzionamento di un SO
3
Le generazioni
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• 40’: Prima generazione
 E’ in realtà difficile parlare di SO
• 50’: Seconda generazione
 La General Motors Research Laboratories crea il 1mo SO per l’IBM
701
• 60’: Terza generazione
 Multiprogramming, più programmi simultaneamente nella memoria
centrale
 Time-sharing
• 70’-90’: Quarta generazione
 Circuiti LSI (Large Scale Integration)
• Nascita dei Personal Computer
• 00’: Quinta generazione
 Sistemi multicore
4
UNIX
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• 1969: La storia di UNIX inizia nei laboratori Bell
della AT&T
• 1973: La svolta, UNIX viene scritto in C.
• 1975: Viene scritta la Versione 6 di UNIX
 Divenne largamente utilizzata anche fuori dai
laboratori Bell
 Il problema/il vantaggio:
• Essendo allora UNIX libero, ogni venditore di macchine
si faceva una versione proprietaria esclusiva, un po'
diversa ed spesso incompatibile con le versioni degli altri
venditori
5
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
6
*NIX
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
7
Cosa vediamo adesso…
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Intro e un po’ di storia
• Accenni sul funzionamento di un SO
8
Il sistema Operativo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il sistema operativo (SO) è uno strato software
che nasconde agli utenti i dettagli
dell’architettura hardware del calcolatore
• Fornisce diverse funzionalità ad alto livello che
facilitano l’accesso alle risorse del calcolatore
• Supporta l’esecuzione dei programmi
applicativi definendo una macchina virtuale,
cioè un modello ideale del calcolatore,
sollevando il software applicativo dal compito di
gestire i limiti delle risorse disponibili
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Il SO e la macchina reale
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
utilizzo a rotazione
suddivisione in blocchi
utilizzo a rotazione
RAM
CPU
A, B, C, D
A
B
C
D
Periferiche
A, B, C, D
bus
10
Il SO e le macchine virtuali
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il sistema operativo può gestire più processi simultaneamente
• Rende quindi visibile ad ogni processo una macchina virtuale ad
esso interamente dedicata e quindi con risorse proprie
RAM B
HD B
CPU C
RAM C
HD C
bus
OD B
Rete B
I/O B
OD C
Rete C
I/O C
CPU A
RAM A
HD A
CPU D
RAM D
HD D
OD A
Rete A
I/O A
OD D
Rete D
I/O D
proc. D
proc. A
CPU B
proc. C
proc. B
 nella figura OD = other devices (altri dispositivi)
11
Tipi di Sistema Operativo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Esistono diversi tipi di sistema operativo, ma in
generale si possono dividere in:
 Monoutente e monoprogrammato
• Esecuzione un solo programma applicativo alla volta
• Viene utilizzato da un solo utente per volta
• Esempio: DOS
 Monoutente e multiprogrammato (multitasking)
• Consente di eseguire contemporaneamente più programmi
applicativi
• Esempio: Windows 95
 Multiutente
• Consente l’utilizzo contemporaneo da parte di più utenti
• E’ inerentemente multiprogrammato
• Esempio: Linux
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Gestione dell’interfaccia utente
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il SO fornisce un interprete dei comandi inseriti
dall’utente attraverso la tastiera o il mouse
• L’interfaccia utente può essere
 Testuale (esempio: DOS)
 Grafica (esempio: Windows)
• Consente l’inserimento di diversi comandi:




Esecuzione di programmi applicativi
Operazioni sulle periferiche
Configurazione dei servizi del SO
Operazioni sul file system (creazione, rimozione, copia,
ricerca, ecc.)
13
Architettura del SO
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il SO è tipicamente organizzato a strati
• Ciascun strato costituisce una macchina
virtuale che gestisce una risorsa del
calcolatore
• Le principali funzionalità offerte sono:





La gestione dei processi
La gestione della memoria
La gestione delle periferiche (tra cui la rete)
La gestione del file system
La gestione dell’interfaccia utente
• Le prime tre funzionalità sono indispensabili
per il funzionamento del sistema e pertanto
costituiscono il nucleo del SO (Kernel)
Programmi utente
Interprete comandi
File system
Gestione delle periferiche
Gestione della memoria
Gestione dei processi
Macchina fisica
Kernel
14
Gestione del file system
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il SO si occupa di gestire i file sulla memoria di
massa:
 Creare un file
 Dargli un nome
 Collocarlo in un opportuno spazio nella memoria di
massa
 Accedervi in lettura e scrittura
• Gestione dei file indipendente dalle caratteristiche
fisiche della memoria di massa
• I file vengono inclusi all’interno di directory (o
cartelle, o cataloghi)
 In genere, le directory sono organizzate ad albero
15
La struttura ad albero
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
16
Organizzazione dei file
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• A ciascun utente è normalmente associata
una directory specifica, detta home
directory
• Il livello di protezione di un file indica quali
operazioni possono essere eseguite da
ciascun utente
• Ciascun file ha un pathname (o nome
completo) che include l’intero cammino
dalla radice dell’albero
• Il contesto di un utente all’interno del file
system è la directory in cui correntemente
si trova
17
Gestione delle periferiche
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Sono meccanismi software a cui è
affidato il compito di trasferire dati da e
verso le periferiche
• Consentono ai programmi applicativi di
leggere o scrivere i dati con primitive di
alto livello che nascondono la struttura
fisica delle periferiche
 e.g., nel sistema Unix le periferiche sono
viste come file speciali
18
Gestione dei processi
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il SO multiprogrammato e multiutente si occupa
di gestire l’esecuzione concorrente di più
programmi utente
• La CPU del calcolatore (o le CPU nei sistemi
multiprocessore) deve essere distribuita in
maniera opportuna fra i programmi da eseguire
• Ogni programma eseguito ha a disposizione
una macchina virtuale realizzata dal SO che ne
consente l’esecuzione come se la CPU del
calcolatore fosse interamente dedicata a esso
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Che cosa è un processo per il SO?
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Processo ≠ programma !
• Processo = esecuzione di un programma, composto da:
 codice eseguibile (il programma stesso)
 dati
• Lo stesso programma può essere associato a più processi:
 Un programma può essere scomposto in varie parti e
ognuna di esse può essere associata a un diverso
processo
 Lo stesso programma può essere associato a diversi
processi quando esso viene eseguito più volte, anche
simultaneamente
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Processi e strutture dati
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ad un processo sono associate le
seguenti strutture dati:
 Uno o più segmenti di codice
 Uno o più segmenti di memoria dati
 I descrittori di eventuali risorse in uso (file,
finestre, periferiche, ecc.)
 Uno o più thread
• Un processo consta di tre zone di
memoria chiamate regioni: dati, codice
e stack
21
Ambiente di esecuzione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• L’ambiente di esecuzione di una funzione (variabili
e parametri formali) viene creato al momento della
chiamata e rilasciato quando la funzione termina
• In una sequenza di chiamate, l’ultima chiamata è
la prima a terminare
• La zona di memoria di lavoro che contiene
l’ambiente di esecuzione di un sottoprogramma è
gestito con la logica di una pila (stack)
 L’ultimo elemento inserito nello stack è il primo ad
essere estratto
 Logica LIFO (Last In First Out)
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Record di attivazione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Alla chiamata di una funzione
 si alloca uno spazio di memoria (record di attivazione) in cima allo
stack per contenere i parametri formali e le variabili locali
 lo spazio viene rilasciato quando la funzione termina
• Il record di attivazione contiene:
 L’ambiente locale della funzione
 L’indirizzo di ritorno al chiamante
• Funzionamento:
 Ad ogni attivazione viene allocato un record di attivazione
 Al termine dell’attivazione il record viene rilasciato (l’area di
memoria è riutilizzabile)
 La dimensione del record di attivazione è già nota in fase di
compilazione
 Il numero di attivazioni della funzione non è noto
 Il primo record di attivazione è destinato al main()
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Lo stack
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
•
•
•
•
Nello stack, i record vengono allocati “uno sopra l’altro”; il primo
record dello stack è relativo all’ultima funzione attivata e non
ancora terminata
Lo stack cresce dal basso verso l’alto
Stack pointer: registro della CPU che contiene l’indirizzo della
cima della pila
Una parte della RAM è destinata a contenere lo stack
 Stack overflow: quando l’area della RAM destinata allo stack
viene superata (troppi annidamenti di chiamate)
SP
312
Operazione di inserimento:
-incremento SP
-scrittura in parola indirizzata da SP
Operazione di estrazione:
-lettura da parola indirizzata da SP
-decremento SP
312
311
310
...
303
24
Lo stato di un processo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Lo stato del processo può essere distinto fra
stato interno e stato esterno.
• Lo stato interno indica:
 la prossima istruzione del programma che deve
essere eseguita;
 i valori delle variabili e dei registri utilizzati dal
processo.
• Lo stato esterno indica se il processo è:
 in attesa di un evento, ad es. la lettura da disco o
l’inserimento di dati da tastiera;
 in esecuzione;
 pronto per l’esecuzione, e quindi in attesa di
accedere alla CPU.
25
Stato di un processo (1)
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Inizio esecuzione
• In esecuzione:
assegnato al
processore ed
eseguito da esso
- Fine quanto di tempo
- Interruzione esterna
• Pronto: può andare
in esecuzione, se il
gestore dei processi
lo decide
• In attesa: attende il
verificarsi di un
evento esterno per
andare in stato di
pronto
Processo
pronto
Primo processo
pronto
Processo in
esecuzione
Evento esterno
atteso
Interruzione interna
- Fine esecuzione
- Abort per errore
Processo in
attesa
26
Stato di un processo (2)
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• I processi appena creati
sono messi in stato di
pronto
P1 P2
Processo
pronto
- Fine quanto di tempo
- Interruzione esterna
• Il kernel decide quale
processo pronto
mettere in stato di
esecuzione
Primo processo
pronto
• Il kernel assegna il
processore a un
processo per un quanto
di tempo
 Coda dei processi
pronti
 Round-robin
 Priorità dei processi
Inizio esecuzione
Processo in
esecuzione
Evento esterno
atteso
Interruzione interna
- Fine esecuzione
- Abort per errore
Processo in
attesa
27
Stato di un processo (3)
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il processo in
Inizio esecuzione
esecuzione passa in
P2
stato di attesa se
- Fine quanto di tempo
Processo
richiede operazioni di I/O - Interruzione esterna
pronto
(interruzione interna)
 Corrisponde alla
esecuzione dell’istruzione
“chiamata supervisore”
(SuperVisor Call, SVC)
P1
Processo in
esecuzione
Primo processo
pronto
Evento esterno
atteso
Interruzione interna
- Fine esecuzione
- Abort per errore
Processo in
attesa
28
Stato di un processo: cambio contesto
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Inizio esecuzione
 Cambiamento di contesto:
Salvare il contesto di P1
nel suo descrittore di
processo
 Il processore è ora libero, un
altro processo passerà in
esecuzione
P2
Processo
pronto
- Fine quanto di tempo
- Interruzione esterna
Primo processo
pronto
Processo in
esecuzione
Evento esterno
atteso
Interruzione interna
- Fine esecuzione
- Abort per errore
P1
Processo in
attesa
29
Stati di un processo (5)
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
 Quando l’operazione di
I/O è finita viene generata
una interruzione esterna
 Il processo in esecuzione
viene interrotto
 Il kernel esegue il gestore
delle interruzioni che
esegue le azioni
opportune
 P1 può tornare pronto
 Il kernel sceglie quale
processo mandare in
esecuzione
Inizio esecuzione
- Fine quanto di tempo
- Interruzione esterna
P2
Processo in
esecuzione
Processo
pronto
Primo processo
pronto
Evento esterno
atteso
Interruzione interna
- Fine esecuzione
- Abort per errore
P1
Processo in
attesa
30
Stato di un processo: Preemption
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
 Preemption:
quando il quanto di
tempo è scaduto, il
kernel interrompe il
processo in
esecuzione
 Si cerca di garantire
un uso equo della
CPU a tutti i
processi
Inizio esecuzione
P2
Processo
pronto
- Fine quanto di tempo
- Interruzione esterna
Primo processo
pronto
P1
Processo in
esecuzione
Evento esterno
atteso
Interruzione interna
- Fine esecuzione
- Abort per errore
Processo in
attesa
31
Pausa
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
32
Gestione della memoria
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• La gestione concorrente di molti programmi
applicativi comporta la presenza di molti
programmi in memoria centrale
• Il SO offre a ogni programma applicativo la
visione di una memoria virtuale, che può avere
dimensioni maggiori di quella fisica
• Per gestire la memoria virtuale il SO dispone di
diversi meccanismi:
 Rilocazione
 Paginazione
 Segmentazione
33
Il SO e la gestione della memoria
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• E’ un modello lineare
MEMORIA
0
• La memoria è una
sequenza di celle
numerate da 0 fino a un
valore massimo M
1
2
• Il numero che identifica
ogni cella è detto indirizzo
• La dimensione della cella
dipende dal tipo di
calcolatore (per noi sarà di
8 bit, ossia un byte)
M
34
Spazio di indirizzamento
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Lo spazio di indirizzamento è il numero massimo di
indirizzi possibili della memoria
• Dipende dalla lunghezza in bit degli indirizzi
• Se gli indirizzi sono lunghi N bit, lo spazio di
indirizzamento è di 2N celle
• Tutte le celle devono essere indirizzabili (cioè
devono avere un indirizzo), quindi
 Dimensione memoria  Spazio indirizzamento
• Le dimensioni della memoria sono generalmente
espresse in:
 KB (Kilobyte) = 210 byte
 MB (Megabyte) = 220 byte
 GB (Gigabyte) = 230 byte
35
Memoria virtuale vs. fisica
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• La memoria virtuale e quella fisica non coincidono per i seguenti
motivi:
 nella memoria fisica risiedono contemporaneamente il SO e i
diversi processi
 conviene mantenere nella memoria fisica una sola copia di parti di
programmi che sono uguali in diversi processi (memoria condivisa)
• Per evitare la frammentazione della memoria (spazi vuoti in
memoria inutilizzabili) è utile allocare i programmi suddividendoli
in pezzi
• La memoria fisica può essere insufficiente a contenere la
memoria virtuale di tutti processi
• Gli indirizzi contenuti in un programma eseguibile sono indirizzi
virtuali e fanno riferimento alla memoria virtuale
• La memoria effettivamente presente nel calcolatore è la
memoria fisica e i suoi indirizzi sono detti indirizzi fisici
36
Rilocazione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Rilocazione: meccanismo di trasformazione da
indirizzo virtuale (detto anche rilocabile) a fisico
 Statica: i nuovi indirizzi vengono calcolati al caricamento
del programma in memoria
 Dinamica: ogni indirizzo viene calcolato al momento
durante l’esecuzione
Registro base
+
Indirizzo
calcolato
(fisico)
Indirizzo
virtuale
(rilocabile)
37
Rilocazione: esempio
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
MEMORIA
PROCESSORE
Registro base
999
1000
RB
1000
0
1001 1
+
1002
2
1003
3
processo in
esecuzione
1004
PC
3
indirizzi fisici
indirizzi virtuali
38
Problema della frammentazione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
MEMORIA
Sistema Operativo
Processo P
MEMORIA
Processo S
Sistema Operativo
Processo P
Processo S (1)
Processo Q
Processo Q
Processo S (2)
Processo R
Processo R
Paginazione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Si rinuncia ad avere una zona contigua
della memoria fisica per ciascun processo
• La memoria virtuale del programma viene
suddivisa in porzioni (pagine virtuali) di
lunghezza fissa (pot. di 2, e.g., 4K)
• La memoria fisica viene divisa in pagine
fisiche della stessa dimensione
• Le pagine virtuali di un programma
vengono caricate in altrettante pagine
fisiche, non necessariamente contigue
40
Paginazione: esempio
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
MEMORIA
FISICA
MEMORIA
VIRTUALE P
MEMORIA
VIRTUALE Q
dimensione
pagina
Struttura degli indirizzi virtuali
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Un indirizzo virtuale è costituito da un
numero di pagina virtuale (NPV) e da
uno spiazzamento (offset) all’interno
della pagina
indirizzo virtuale
NPV
offset
42
Struttura degli indirizzi fisici
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• E’ del tutto analoga: si hanno un
numero di pagina fisica (NPF) e da uno
spiazzamento (offset) all’interno della
pagina
indirizzo fisico
NPF
offset
43
Traduzione dal virtuale al fisico
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
indirizzo virtuale
offset
NPV
traduzione
NPF
offset
indirizzo fisico
le pagine virtuali e quelle fisiche hanno la
stessa dimensione, quindi l’offset è lo stesso
Esempio
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Spazio di indirizzamento virtuale:
 indirizzi da 32 bit  232 indirizzi
• Dimensione di pagina:
4K parole (o celle)  212byte (1 cella occupa 1 byte)
 Offset  numero di bit necessari per indirizzare una cella
all'interno di una pagina = log2(dimensione_pagina)=12
• Numero di pagine dello spazio di indirizzamento
virtuale
 232/212 = 220 pagine
• Spazio di indirizzamento fisico:
 4M parole (o celle)  222 indirizzi
• Numero di pagine dello spazio di indirizzamento fisico
 222/ 212 = 210 pagine
45
Esempio (segue)
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
indirizzo virtuale
offset
NPV
20bit
12bit
10bit
NPF
12bit
offset
indirizzo fisico
46
La tabella delle pagine
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• E’ il meccanismo più semplice per la
traduzione da virtuale a fisico
indirizzo virtuale
NPV = 0
NPV
offset
NPF
0
1
2
3
NPF
offset
indirizzo fisico
C’è una tabella delle pagine per
ciascun processo
47
Memory Management Unit
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Per accelerare la traduzione da NPV a NPF si ricorre
allora alla MMU
• La MMU è una memoria particolarmente veloce
(memoria associativa) dalle dimensioni ridotte,
contenente le informazioni per la traduzione da NPV a
NPF delle pagine più utilizzate
• Visto che gli NPV e gli NPF si riferiscono alle pagine di
un processo, ogni volta che il processo in esecuzione
cambia la MMU dovrebbe essere tutta riscritta
• Per evitare ciò si aggiunge una colonna che dice a
quale processo appartengono le pagine e un registro
che dice qual è il processo attualmente in esecuzione
48
Pagine residenti e non
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Durante l’esecuzione di un programma solo un
certo numero delle sue pagine virtuali è caricato in
altrettante pagine fisiche
• Tali pagine sono dette pagine residenti
• A ogni accesso alla memoria si controlla che
all’indirizzo virtuale corrisponda una pagina
residente, altrimenti si produce un interrupt di
segnalazione di errore detto page-fault
• Il processo viene sospeso in attesa che la pagina
richiesta venga caricata in memoria,
eventualmente scaricando su disco una pagina già
residente per liberare lo spazio necessario
49
La memoria cache
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Il problema della memoria: costo vs. prestazioni
• Obiettivo:
 fornire agli utenti una memoria grande e veloce
 fornire al processore i dati alla velocità con cui è in grado
di elaborarli
• Problema: Il tasso di crescita nella velocità dei
processori non è stato seguito da quello delle memorie
 Tempo di accesso alle SRAM (Static Random Access
Memory):
• 2 - 25ns al costo di $100 - $250 per Mbyte.
 Tempo di accesso alle DRAM (Dynamic Random Access
Memory):
• 60-120ns al costo di $5 - $10 per Mbyte.
 Tempo di accesso al disco:
• da 10 a 20 million ns al costo di $0.10 - $0.20 per Mbyte.
50
Prestazioni di processori e cache
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
1000
CPU
Legge di Moore
Divario di prestazioni
Processore-Memoria
(cresce 50% / anno)
10
DRAM
1
DRAM
9%/anno
(2X/10yr)
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
Prestazioni
100
µProc
60%/anno
(2X/1.5yr)
Tempo
51
Gerarchia di memoria
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Tipicamente costituita da
1.
2.
3.
4.
5.
registri contenuti nella CPU (qualche KB)
cache (da circa 32KB a circa 4096KB)
memoria principale (da circa 512MB a qualche GB)
dischi fissi (da qualche centinaio di GB a qualche TB)
nastri magnetici e dischi ottici (da qualche centinaio di GB a
qualche TB per ogni supporto)
Man mano che ci si sposta verso il basso
nella gerarchia aumenta il valore dei
parametri fondamentali:



aumenta il tempo di accesso;
aumenta la capacità di memorizzazione;
ma diminuisce il costo per bit.
Una gerarchia di memoria
RAM
Supporti esterni
tecnologia tecnologia
magnetica
ottica
(HD esterni) (CD, DVD)
tecnologia
elettronica
(flash disk)
Disco fisso (hard disk)
tecnologia magnetica
Involucro esterno del calcolatore (case)
Cache II liv
Scheda madre (motherboard)
Cache I liv
Circuito Integrato (chip)
Registri
CPU
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Caratteristiche dei diversi livelli
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Livello
Capacità
Tempo di accesso
Transfer rate (GB/s)
Registri
~ 1 KB
~ 0.2 ns (1 ciclo di clock)
–
Cache I livello
~ 32 KB
~ 0.4 ns (2/4 cicli di clock)
–
Cache II livello
~ 1/2 MB
~ 1/2 ns (5/10 cicli di clock)
~ 100
Cache III livello
~ 2/8 MB
~ 5 ns
~ 50
Memoria centrale
~ 2/8 GB
~ 50 ns (1ª parola richiesta)
~ 10 ns (parole successive)
~ 5/10
Dischi interni
> 300 GB
~ 10 ms
0.15/0.6
Dischi esterni
> 300 GB
~ 10 ms
~ 0.05
Località
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• E’ la proprietà fondamentale dei programmi che
rende possibile sfruttare l’organizzazione gerarchica
della memoria per incrementarne le prestazioni
• Località: in ogni istante di tempo un programma
accede a una parte relativamente piccola del suo
spazio di indirizzamento
 Località temporale: se un dato viene referenziato in un dato
istante, è probabile che lo stesso dato venga nuovamente
richiesto entro breve
 Località Spaziale: Se un dato viene utilizzato in un dato
istante, è probabile che dati posizionati in celle di
memoria adiacenti vengano
55
Cache
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Memoria al livello superiore della
gerarchia
• Sfruttare il principio di località dei
programmi e tenere in memoria cache i
dati utilizzati più di recente
• Obiettivo: fornire dati al processore in
uno o due cicli di clock
• Memoria cache: veloce nei tempi di
accesso ma di dimensioni ridotte
56
Gerarchia di memoria
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Si considerino solo due livelli di
gerarchia
• Il processore richiede un dato al sistema
di memoria:
 La richiesta viene prima inviata al livello di memoria
superiore (più vicino al processore)
 Se il dato non è presente nel livello superiore
(fallimento della richiesta) la ricerca viene effettuata nel
livello inferiore
Al Processore
Livello sup.
di memoria
Livello inf
di memoria
blocco X
Dal Processore
blocco Y
57
Gerarchia di memoria: definizioni
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
•
Hit (successo): dati presenti in un blocco del livello
superiore (esempio: Blocco X)
 Hit Rate (“%” di successo): numero di accessi a
memoria che trovano il dato nel livello superiore
sul numero totale di accessi
 Hit Time (tempo di successo): tempo per
accedere al dato nel livello superiore della
gerarchia
58
Gerarchia di memoria: definizioni
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Miss (fallimento): i dati devono essere recuperati dal livello
inferiore della memoria (Blocco Y)
 Miss Rate (“%” di fallimento) = 1 - (Hit Rate)
 Miss Penalty (tempo di fallimento): tempo per
determinare il MISS + tempo necessario a sosituire un
blocco nel livello superiore + tempo per trasferire il
blocco al processore
 tipicamente si ha: Hit Time << Miss Penalty
• Tempo medio di accesso in presenza di memoria cache:
semplicemente la media pesata con le probabilità
 HitTime*HitRate + MissRate*MissPenalty
59
Cache e principio di località
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Le memorie cache sfruttano il principio di località
spaziale trasferendo dal livello inferiore della
gerarchia più dati di quanti non ne siano stati
strettamente richiesti (blocco o linea di cache)
• La località temporale viene sfruttata nella scelta del
blocco da sostituire nella gestione di un fallimento
(es: sostituire il blocco a cui si è fatto accesso meno
di recente)
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Fonti per lo studio + Credits
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Fonti per lo studio
 Il Sistema di elaborazione, Slide Info B, M. D. Santambrogio
 Informatica arte e mestiere, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella,
McGrawHill
• Capitolo 2
 Introduzione ai sistemi informatici, D. Sciuto, G. Buonanno, L. Mari,
4a Ed, McGrawHill
• Capitolo 1, 2, 5
 The Art & Craft of Computing, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella,
Addison-Wesley
• Capitolo 2
• Approfondimenti
 Struttura e progetto dei calcolatori, D. A. Patterson, J. Hennessy,
3a Ed, Zanichelli
• Capitolo 1, 2
• Credits
 Prof. G. Buonanno e D. Sciuto, LIUC
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