ELETTRONICA DIGITALE (2^ Parte)
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Il sistema di memoria
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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
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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.
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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).
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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
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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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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
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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)
Capacità
Accesso a burst
Self Refresh
Flash
MOS Floating Gate
P Random Access
E a banchi
R Lenta, P molto lenti, E lentissimo
Costo per Bit
Taglio ~ 100 Mbit
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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.
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Indirizzamento Bi-dimensionale
Address
BUS
Indirizzo
della Riga
Decoder
di Riga
Indirizzo della
Colonna
Decoder
di Colonna
Parola
Indirizzata
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SRAM 512K x 8
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Comandi di Lettura/Scrittura
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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
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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
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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
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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
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Cella di Memoria RAM Statica
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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.
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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.
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Cella di Memoria RAM Dinamica
in genere
realizzato con
un transistore
il circuito di rinfresco qui non è mostrato
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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
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Cella di Memoria ROM
in genere
realizzato con
un transistore
l'interruttore viene fabbricato in uno stato definito (aperto o chiuso)
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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.
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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.
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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
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Tabella Riassuntiva
tipo
categoria
modalità di scrittura
cancellazione
byte
volatile
usi
specifici
SRAM
lett/scritt
-
si
si
cache
DRAM
lett/scritt
-
si
si
mem. centrale
ROM
sola lett
nessuna
no
no
grandi vol.
PROM
sola lett
nessuna
no
no
piccoli vol.
EPROM
sola lett
luce UV
no
no
prototipi
EEPROM
sola lett
elettrica
si (lenta)
no
prototipi
FLASH
lett/scritt
elettrica
a blocchi
no
multimedia
Le
memorie cancellabili vengono talvolta qualificate
come “memorie prevalentemente a sola lettura”
(read-mostly), invece che “a sola lettura” (read-only).
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Gerarchia di Memoria
sistema di memoria gerarchico
ruolo della memoria cache
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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:
1. Località spaziale: è altamente probabile che l’istruzione 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
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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)
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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
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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.
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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)
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