Appunti dell'intero corso di Calcolatori elettronici

MEMORIE AD ACCESSO CASUALE

● Caratteristiche generali:

○ Ogni cella può essere indirizzata indipendentemente

○ I tempi di accesso sono uguali per ogni cella

● Segnali di controllo: Permettono alla memoria di sapere:

○ Il tipo di operazioni richieste (r, w)

○ quando i dati sono disponibili sul Dbus

○ quando gli indirizzi sono disponibili su Abus

Deve inoltre esistere un meccanismo con il quale è possibile sapere quando è

possibile procedere con un nuovo ciclo di accesso alla memoria:

○ Soluzione sincrona: la memoria e chi la utilizza condividono un segnale di

clock e sanno quando possono procedere con ciascuna operazione

○ Soluzione asincrone: la memoria e chi la utilizza non condividono nessun

segnale di clock, quindi necessitano di segnali di controllo, che dicono quand’

è possibile procedere con ciascun operazione, esempi di segnali di controllo

sono:

■ Chip Select (CS): da attivare per poter leggere o scrivere

■ Output enable (OE): da attivare per poter abilitare la scrittura su un

bus condiviso

■ Write enable (WE): da attivare per poter effettuare un'operazione di

scrittura

● Segnali di stato:

○ Errore: La memoria ha individuato una parola con un dato errato

○ MFC: la memoria ha completato l’operazione di lettura/scrittura

● Architettura: Formata da una matrice di memoria che è la parte HW che memorizza i

singoli bit, a tale matrice sono collegati due registri che memorizzano i dati prima di

entrare in memoria e dopo di uscire, sono utilizzati per la stabilità dei dati stessi ed

evitare dati spuri. Il registro d’indirizzi cattura un indirizzo dall’ Abus e lo manda al

decodificatore d’indirizzi che attiva la relativa linea da mandare alla memoria, tra i

pezzi collegati alla matrice di memoria è presente un Drivers che regolano la tensione

e la corrente

● Organizzazione: Il costo di una Ram dipende anche dalla complessità della circuiteria

di accesso, questa può essere ridotta tramite un'opportuna organizzazione delle celle

di memoria, abbiamo due tipologie principali:

○ Organizzazione a vettore: per ogni linea del decodificatore avremo una cella e

un driver, quindi avremo un decoder che cresce con l’aumentare delle parole

e di conseguenza aumentano anche i driver, è anche difficile il piazzamento

sul silicio se le parole sono tante

○ Organizzazione a matrice bidimensionale: sono presenti due decodificatori e

le celle sono disposte come una matrice, l’indirizzo è suddiviso in due parti,

ogni decodificatore riceve una parte dell’indirizzo e dunque ci permettono di

selezionare riga e colonna in modo da arrivare ad una singola cella, sono

presenti solo un decoder per riga e un decoder per colonna. Questo approccio

porta a un minor costo dell’HW ( due decoder piccoli al posto di uno grosso,

minor numero di driver), un layout più compatto e piazzamento su silicio più

semplice

● Segnali RAS e CAS: per ridurre il numero di segnali in ingresso, le RAM organizzate

a matrice prevedono un diverso protocollo di accesso, in tal caso l’indirizzo è fornito

in due fasi distinte e successive usando gli stessi segnali di indirizzo:

○ nella prima fase vengono forniti i segnali che vanno al decodificatore di riga,

accompagnati dal segnale RAS (Row Address Strobe)

○ nella seconda fase vengono forniti i segnali che vanno al decodificatore di

colonna, accompagnati dal segnale CAS(Column Address Strobe)

● Page mode: Qualora sia necessario accedere consecutivamente a celle poste ad

indirizzi successivi, e queste risiedono nella stessa riga della matrice è possibile

attivare il cosiddetto Page Mode:

○ si invia alla memoria l’indirizzo di riga accompagnato dal RAS

○ si invia alla memoria l’indirizzo di colonna accompagnato dal CAS

○ si accede al dato

○ si ripete dal punto 2

In questa maniera è possibile ridurre i tempi di accesso alla memoria

● Memorie a semiconduttore: le memorie sono attualmente i dispositivi a più alta

densità realizzati su silicio, al crescere dell’ integrazione è possibile aumentare la

capacità, aumentare la velocità, ridurre il consumo

● Le memorie possono essere suddivise in varie categorie:

○ ROM: la definizione del contenuto avviene prima della realizzazione su silicio,

e il suo contenuto non è in alcun modo modificabile in seguito. La ROM

dunque non è alterabile e non è volatile. Sono maggiormente utilizzate per:

programmi di sistema, tavole di funzioni e librerie di procedure

frequentemente usate. Il loro costo è dominato dal costo fisso per allestire la

produzione, il costo unitario è minimo

■ Costruzione: La cella ROM è costituita da una linea di dato connessa

all’alimentazione e una linea di parola pilotata dal decodificatore

d’indirizzi, a questa linea di parola è connesso un transistor che può

essere collegato o meno a massa, in base a P. Quando il transistor

riceve un 1 diventa un circuito chiuso, quindi se vogliamo memorizzare

0, P dovrà essere un cortocircuito (siamo collegati a massa), invece se

vogliamo memorizzare 1, P dovrà essere un circuito aperto

○ PROM: La scrittura è eseguita a fine del processo di produzione tramite delle

attrezzature chiamate programmatori che operano prima del montaggio del

dispositivo sulla scheda, architetturalmente si presentano come le ROM e

sono realizzate ponendo nel punto P un fusibile che può essere bruciato

durante la fase di programmazione creando un circuito aperto. Le PROM

dunque possono essere scritte una sola volta, sono preferibili alle ROM per

bassi volumi

○ EPROM: Possono essere riprogrammate dopo aver cancellato il loro

contenuto attraverso l’esposizione in maniera prolungata alla luce ultravioletta,

possono essere riscritte un numero indefinito di volte e possono essere

riscritte anche dopo che sono state montate sulla scheda (molto difficile).

Sono più costose delle PROM

○ EEPROM: Le EEPROM possono essere riprogrammate byte per byte anche

dopo il montaggio sulla scheda, ma l’operazione richiede più tempo di quella

di lettura, la scrittura viene eseguita tramite bus e segnali e sono più costose

delle EPROM

PROM,EPROM,EEPROM sono utilizzate quando devono essere realizzati sistemi in numero

limitato di pezzi, oppure per la realizzazione di prototipi.

○ Flash: Il costo è intermedio tra quello delle EPROM e EEPROM. Sono

memorie non volatili, in lettura si comportano come le RAM, mentre le

operazioni di scrittura: sono più lente, vanno eseguite a blocchi, richiedono

una precedente operazione di cancellazione. Le flash sono inoltre in grado di

eseguire un numero limitato di cicli di scrittura. Sono il componente principale

utilizzato per le memorie di massa a stato solido (SSD). La memoria flash è

un tipo specifico di EEPROM e le operazioni sono basate da un transistor

MOSFET. La memoria flash è composta da un Control Gate, un Floating Gate

e dalle linee di parola e di bit. Quando una cella è letta attiviamo il control gate

che porta la bit line a tensione alta o bassa a seconda che il Floating Gate sia

carico o meno. La scrittura avviene intrappolando elettroni nel Floating Gate,

tale operazione richiede l’applicazione di tensioni elevate sul Control Gate

Le flash si dividono in due tipi:

■ Flash di tipo NOR: hanno lo stesso comportamento di una RAM ma

sono più lente e resistono per un numero limitato di

cancellazioni/scritture

■ Flash di tipo NAND: possono essere e scritte solo a blocchi. Sono più

dense, più veloci e resistenti. Esistono due tipi di NAND flash:

● A singolo livello: ogni cella memorizza un bit

● A livello multiplo: ogni cella memorizza due bit

● RAM: Sono due i tipi di RAM:

○ memorie statiche:

■ la singola cella corrisponde a un Flip-Flop

Cella di ram statica: Composta da una linea di parola, due linee di dato e un

Flip-Flop di tipo SR modificabile solo se i due transistor ai lati si comportano

come un circuito chiuso.

Scrittura: per scrivere un dato in una cella di ram statica si deve prima attivare

la linea di parola corrispondente alla cella, in questo modo i due transistor

diventano dei corto circuiti. Forziamo adesso i bit (opposti )nelle due linee di

dato e a seconda di tali bit verrà memorizzato il valore corrispondente e il suo

valore negato.

Lettura: per leggere il valore di una cella di ram statica attiviamo la linea di

parola corrispondente alla cella, i transistor diventano dei circuito chiusi, così il

flip-flop forzerà i due valori opposti sulle linee di dato.

Se la linea di parola non è attivata i due transistor sono dei circuiti aperti e

dunque il flip-flop mantiene il suo valore.

Notiamo che per l’implementazione di una cella di ram statica abbiamo

bisogno di 6 transistor ( di cui 4 per il flip-flop, 2 per ogni porta NOR ), quindi il

costo totale di realizzazione di una ram statica è elevato, ma la memoria

complessiva sarà veloce.

○ memorie dinamiche:

■ La singola cella corrisponde ad un condensatore e ad un transistor

■ l’informazione è memorizzata sotto forma di carica del condensatore

■ richiedono un rinfresco periodico dell’informazione

■ la lettura è distruttiva

La cella di ram dinamica è composta da un condensatore ed un transistor

collegato ad una linea di parola ed a una linea di dato. Il suo funzionamento si

basa sullo sfruttare la capacità parassita che è sempre presente al momento

della costruzione del transistor.

Scrittura: per scrivere una cella di ram dinamica occorre attivare la

corrispondente linea di parola affinché il transistor diventi un corto circuito,

forziamo adesso la linea di dato che caricherà o scaricherà il condensatore.

Lettura: per leggere una cella di ram statica occorre attivare la corrispondente

linea di parola affinché il transistor diventi un corto circuito, cosicché il

condensatore possa forzare la carica ( se presente ) sulla linea di dato. E’

evidente che serve un sensore sulla linea di dato che permetta di rilevare se il

condensatore era carico o meno. Questa operazione comporta l’annullamento

della carica elettrica immagazzinata nel condensatore con la conseguente

perdita dell’informazione, infatti ad ogni lettura la memoria deve forzare un

ciclo di scrittura per ripristinare il valore letto

Caratteristiche: Per realizzare una cella di ram dinamica c’è bisogno di un

solo transistor, quindi possiamo realizzare memorie più dense e meno costose

delle precedenti, ma saranno più lente perché entra in gioco il processo di

carica/scarica del condensatore.

Rinfresco: Consiste nell’operazione di amplificazione ver