Calcolatori elettronici - le funzioni delle memorie

LE MEMORIE - GENERALITÀ

Il modello di Von Neumann prevede che l'architettura sia fornita di un'unità che registri le informazioni e le memorie sono, appunto, quegli organi che hanno il compito di conservare dati. In particolare la memoria è un insieme di registri in grado di effettuare:

• lettura: rilievo dello stato di un registro o prelievo dalla memoria del valore registrato;
• scrittura: posizionamento del registro in un determinato stato o registrazione del valore di un dato;
• selezione: individuazione di un registro fra tutti quelli costituenti la memoria al fine di effettuare un'operazione.

Ciascuna operazione di scrittura o lettura avviene su un registro della memoria: a seconda dei casi, il registro contiene un carattere, una parola macchina o un blocco.

RE WEMS REGISTROMB:

• il memory buffer (MB) è il registro contenente il dato in transito verso la memoria per la scrittura o dalla memoria per la lettura;
• il memory...

(MS) è il registro in cui è contenuto il dato che individua il registro di memoria da selezionare; il dato può essere di tipo intero per le memorie indirizzabili e qualsiasi per le memorie associative. I segnali read enable (RE) e write enable (WE) sono segnali binari abilitanti rispettivamente l'operazione di lettura e scrittura. Non sono mai attivi contemporaneamente.

TIPOLOGIE DI MEMORIA

Le memorie possono essere classificate in base a vari parametri. Due di questi sono il tipo del registro MS e la tecnologia utilizzata per effettuare tutte le operazioni necessarie per il funzionamento della memoria. Si dice che una memoria, sulla base della politica di selezione delle celle, è:

• Indirizzabile: se ogni registro è individuato univocamente da un intero compreso tra i valori 0 ed (N-1), laddove N è il numero massimo di registri che la memoria contiene; il memory select memorizza pertanto un dato di tipo intero e il registro

di lettura-scrittura. L'accesso alla memoria è dinamico nel senso che richiede organi in movimento, come ad esempio i dischi rigidi. Il modello di memoria associativa è una forma di organizzazione della memoria in cui i dati sono strutturati e identificati univocamente da una chiave. Questo tipo di memoria può contenere dati di qualsiasi tipo. Le memorie meccanicamente statiche sono caratterizzate da un supporto fisico e da dati fermi rispetto al sistema di lettura-scrittura. L'accesso ai dati avviene in base alla loro posizione spaziale e non richiede organi in movimento. Un esempio di memoria meccanicamente statica è la RAM. Le memorie meccanicamente dinamiche, invece, sono caratterizzate da un supporto o da dati in movimento rispetto al sistema di lettura-scrittura. L'accesso ai dati richiede organi in movimento, come ad esempio i dischi rigidi.

Di lettura-scrittura, tale movimento viene sfruttato per compiere le operazioni (si pensi ai floppy disk, lettore CD o DVD).

PARAMETRI DI UNA MEMORIA

Una memoria si distingue per quattro caratteristiche fondamentali:

• capacità: il numero di dati, che può contenere la memoria; si esprime indicando da un lato il numero N complessivo di registri della memoria, dall'altro la lunghezza in bit dei singoli registri;
• tempo di accesso: il tempo necessario per compiere un'azione di lettura o scrittura. Nel caso più generale si compone di due tempi distinti: il tempo per operare la selezione e quello per effettuare la vera e propria operazione di lettura o scrittura;
• casualità d'accesso: ci sono tre modalità di accesso alla memoria:
  • accesso casuale: il tempo che occorre alla selezione di un dato è costante, il sistema di lettura/scrittura opera staticamente;
  • accesso quasi casuale (o diretto): il tempo è poco

variabile rispetto alla posizione dell'informazione; accesso non casuale: il tempo necessario alla selezione risulta dipendente dalla posizione che il dato assume all'interno del supporto di memoria; in questo caso il sistema di lettura/scrittura opera dinamicamente; volatilità: vengono definite tali quelle memorie in cui l'informazione tende a distruggersi con la mancanza di alimentazione elettrica; se ciò non avviene le memorie sono dette permanenti. METODOLOGIE DI SELEZIONE Un insieme di selezioni è definito lineare se è unico e seleziona direttamente e singolarmente ciascuno degli N registri, viceversa l'insieme è detto a più dimensioni se è costituito da più sottosistemi, ciascuno dei quali seleziona un gruppo degli N registri e la selezione di una singola unità di memoria si ottiene dall'azione combinata dei diversi sottoinsiemi. Se i sistemi di selezione sono due, la tecnica si dice.

semiselezione.

• selezione spaziale: la selezione spaziale consiste nell'individuare la posizione fisica in cui è allocato il registro da selezionare; questo meccanismo risulta diverso per diversi tipi di memorie:
  • memorie statiche: questo metodo richiede tanti circuiti di accesso quante sono le memorie ed appositi selettori o decodificatori, che di volta in volta individuano il registro da selezionare;
  • memorie dinamiche: questo meccanismo viene usato su sottoinsiemi di selezione e necessita dello spostamento del sistema di lettura-scrittura.
• selezione temporale: la selezione temporale coinvolge unicamente le memorie dinamiche. Il sistema di lettura-scrittura è fermo ed accede fisicamente ad un'unica posizione, dinamicamente attraversata dai singoli registri della memoria.
• selezione con informazioni di riferimento: spesso si adopera una tecnica di carattere associativo o con informazioni di riferimento; insieme alle informazioni utili è inclusa

di utilizzare una gerarchia di memorie, in cui le memorie più veloci sono posizionate più vicine al processore, mentre quelle con una maggiore capacità sono posizionate più lontano. La gerarchia di memorie è composta da diversi livelli, ognuno dei quali ha caratteristiche diverse. Il livello più vicino al processore è la cache, una memoria molto veloce ma di capacità limitata. La cache memorizza i dati e le istruzioni più frequentemente utilizzati dal processore, in modo da ridurre i tempi di accesso alla memoria principale. La memoria principale, o RAM, è il livello successivo nella gerarchia. La RAM ha una capacità maggiore rispetto alla cache, ma è più lenta. La RAM viene utilizzata per memorizzare temporaneamente i dati e le istruzioni durante l'esecuzione dei programmi. Al livello successivo si trova il disco rigido, che ha una capacità ancora maggiore ma è ancora più lento della RAM. Il disco rigido viene utilizzato per memorizzare permanentemente i dati, anche quando il computer è spento. Infine, ci sono altri livelli di memoria, come i dischi SSD o le memorie flash, che offrono una combinazione di velocità e capacità. La gerarchia di memorie permette di bilanciare le esigenze di velocità e capacità, garantendo al contempo un accesso efficiente ai dati e alle istruzioni.l'articolazione della memoria in due principali sistemi: quello centrale e di massa. CPU cache primaria cache secondaria memoria principale memoria secondaria. Solitamente la strategia, che viene comunemente adottata, è quella di tenere nella memoria più veloce segmenti di programmi e programmi per i quali si richiede un'elevata frequenza di accessi e di lasciare alla memoria più capace, tuttavia più lenta, quelli meno movimentati. Esistono dunque due tipi di processi che realizzano questa politica di gestione: - segmentazione: qualora un programma non dovesse entrare integralmente nella memoria centrale, viene preso un frammento ed eseguito, quando da questo si fa riferimento ad istruzioni contenute in un altro segmento, quest'ultimo viene portato in memoria centrale andando a sostituire il primo; - memoria virtuale: il sistema percepisce una memoria più ampia di quella fisica, dove vi sono solo alcune pagine prelevate dalla memoria di.

massa; all’accesso in memoria centrale, la nuova pagina richiesta viene prelevata dalla memoria di massa e va a rimpiazzare un’altra pagina. Le memorie spesso vengono dotate di un’ulteriore memoria detta cache, nella quale vengono posti direttamente segmenti o dati ai quali, da parte di un organo o della stessa memoria, si deve aver accesso. Funzione analoga svolgono le memorie di transito o buffer, tipiche delle memorie di massa, dove i dati vengono registrati per poi essere mandati altrove. Le memorie sono allora organizzate in una gerarchia, che in generale, comprende:

• nastri magnetici;
• dischi ottici o magnetici;
• memorie a stato solido.

MEMORIE RAM

Le memorie a stato solido indirizzabili ad accesso casuale sono genericamente dette RAM (random access memory). Per questo genere di memorie la selezione avviene attraverso l’indirizzo posto all’interno del memory address e un decodificatore. Se assumiamo n come il numero di bit del memory address e

Il numero di bit del memory buffer, allora è evidente che: n• la capacità C di memoria è di 2 ;• il parallelismo è pari a p bit.

Le memorie sono di norma prodotte in moduli, che combinandosi tra loro ed impiantate su una scheda, formano un’unica unità di memoria. Sia t il numero di moduli presenti sulla scheda, allora p = p +…+p e C =1 tC +…+C .1 t

MEMORIE SRAM E DRAM

Una memoria è costituita da celle elementari, ciascuna delle quali memorizza un bit. Le celle possono essere di due tipi: • realizzate con una coppia di transistori ogni cella di memoria occupa sul chip uno spazio maggiore, è dunque possibile realizzare memorie con chip di minore capacità, ma con ridottissimi tempi d’accesso, da qui il nome di memoria statica SRAM;• realizzate con un transistore ciò che tiene traccia del valore del bit è la capacità di carica che è presente all’interno della

zione degli indirizzi consecutivi non corrisponde più alla posizione fisica dei registri nella memoria. Per risolvere questo problema, si utilizzano dei tagli di memoria, chiamati "buchi di memoria", che permettono di creare spazi vuoti all'interno della memoria A. In questo modo, è possibile sostituire i registri inattivi con quelli del modulo B, mantenendo la corrispondenza tra gli indirizzi e la posizione fisica dei registri. I buchi di memoria sono utilizzati per ottimizzare l'utilizzo della memoria e permettere la sostituzione di moduli senza dover riscrivere l'intera memoria.