Fondamenti di Informatica: memoria e tipi di architettura, eCampus Università

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Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 5 Titolo: Memoria Ingegneria Fondamenti di Informatica Memoria Prof. Giuseppe Tradigo giuseppe.tradigo@uniecampus.it

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Tipi di Memoria

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Memoria Principale e Secondaria

• Memoria principale, detta anche centrale ◦ Può essere acceduta direttamente dal processore
• Come abbiamo visto memorizza sia dati che programmi
• Velocità di accesso elevata ◦ Capacità di memorizzazione limitata o Dati salvati in modo non permanente

• Memoria secondaria o di massa ◦ Memorizza grandi moli di dati
• Velocità di accesso bassa ◦ Capacità di memorizzazione elevata o Dati salvati in modo permanente

Parametri di Descrizione della Memoria

( Parametri per la descrizione di una memoria

• Volatilità: le memorie volatili mantengono l'informazione solo finché vengono alimentate; le memorie non volatili anche non alimentate
• Velocità di accesso: le memorie volatili sono più veloci delle memorie non volatili
• Velocità di trasferimento dei dati: la quantità di dati che la memoria riesce a trasferire nell'unità di tempo
• Capacità: il numero di bit che possono essere memorizzati
• Costo per bit: rapporto tra il costo dell'unità di memoria e la sua capacità

Classificazione per Velocità

• Memoria interna alla CPU (registri)

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• Accesso molto veloce e interno alla CPU stessa ◦ Poco spazio di memorizzazione ◦ Memorizzazione temporanea
• Memoria esterna alla CPU (memoria centrale) o Accesso veloce e diretto da parte della CPU ◦ Spazio di memorizzazione limitato ◦ Memorizzazione non permanente
• Memoria ausiliaria (memoria di massa) o Accesso lento e indiretto ◦ Spazio di memorizzazione elevato ◦ Memorizzazione permanente

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Struttura della Memoria Centrale

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128 celle di memoria di 16 bit ciascuna indirizzo della cella 00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 bus indirizzi 00000111 01111010 01111000 01111001 1010100111110000 01111010 01111011 cella selezionata 01111100 01111101 01111110 01111111 leggi/scrivi 1111111100000000 parola letta o da scrivere bus dati

Figura 1 - La figura riporta lo schema tipico di una memoria RAM La Figura 1 mostra una memoria RAM (Random Access Memory)

• Il bus dati permette l'interfacciamento con l'esterno tramite una parola (word)
• tramite il bus indirizzi si sceglie la cella su cui si desidera operare
• tramite il bus di controllo si può impartire l'operazione desiderata:
• di scrittura - la parola sarà trasferita nella RAM tramite il bus indirizzi; o di lettura - il valore nella RAM sarà scritto sul bus dati e inviato alla CPU.

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Unità a Disco

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Un disco magnetico, o disco fisso, è composto da un insieme di piatti di alluminio ricoperti di materiale magnetico e da un gruppo di testine.

faccia piatto traccia 1 - settore cilindro

Figura 2 - schema di una unità a disco Ogni testina legge e scrive i bit su un disco, memorizzati in facce, tracce, settori e cilindri.

Classificazione per Tipo di Accesso

• Accesso sequenziale (memoria secondaria - unità a nastro)
• Per leggere una cella bisogna leggere tutte le tutte le celle che la precedono;
• Accesso casuale (memoria centrale - RAM)
• L'accesso ad una cella non richiede la lettura delle celle precedenti;
• velocità di accesso indipendente dalla posizione (e costante per tutte le celle); o La memoria centrale è la RAM (Random Access Memory) e l'accesso può essere casuale e a velocità costante;
• Accesso misto (memoria secondaria - unità a dischi)

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• L'indirizzo di una cella di memoria non consente di determinare con precisione la sua posizione fisica sul dispositivo;
• L'accesso va quindi effettuato compiendo diversi accessi;
• Il tempo di accesso è variabile;

• Accesso associativo (memoria cache)
• È un metodo di accesso casuale in cui la ricerca delle celle non avviene per indirizzo ma per contenuto cercato.

Unità di Misura della Capacità

Tabella dei multipli del byte in uso per misurare la capacità di memoria.

byte B 8 bit kilobyte KB 210 = 1.024 byte ~103 megabyte MB 220 = 1.048.576 byte ~106 gigabyte GB 230 = 1.073.741.824 byte ~109 terabyte TB 240 = 1.099.511.627.776 byte ~1012

Esempi sulle Unità di Misura

• Processore a 3GHz (operazioni al secondo)
• durata micro-operazioni: 0,33 ns (1 ns = 10-9 s) o numero di core: 2 o bus: 64 bit
• memoria RAM: 1333MHZ
• tempo di accesso di 0,75 ns
• disco rigido: 7200 rpm = 120 rps
• tempo medio di accesso 4 ms per un intero settore di 4KB (1 ms=10-3 s)
• 1 us per byte (1 us = 10-6 s)

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Memoria Gerarchica

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Esempio di Memoria Gerarchica

Sistema di memoria gerarchica

Memoria piccola e veloce (cache) Livello 1 Trasferimento dati Livello 2 CPU Memoria grande e lenta (RAM)

Figura 3 - Schema di memoria gerarchica Quando la CPU richiede alla memoria gerarchica di accedere ai dati, il sistema chiede prima al livello 1 (la cache) se il dato è disponibile:

1. scenario a massima velocità: il dato è già disponibile nel livello 1, nel qual caso viene ritornato alla CPU;
2. scenario medio: il dato non esiste nel livello 1, allora viene letto dal livello 2 e trasferito al livello 1 sovrascrivendo i dati più vecchi, prima di essere ritornato alla CPU.

Funzionamento della Memoria Gerarchica

L'organizzazione gerarchica di memoria serve a migliorare l'efficienza nell'accesso ai dati combinando l'accesso casuale (RAM) con l'accesso associativo (cache). Nei sistemi reali esistono più livelli nella gerarchia della memoria ma per semplicità ipotizziamo che siano due, come in Figura 3.

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Al livello 2 troviamo la memoria principale ad accesso casuale (RAM), più grande e lenta, mentre al livello 1 troviamo la cache, più piccola e veloce. Le richieste di accesso ai dati in memoria passano sempre prima dalla cache. Se lo stesso dato viene richiesto più volte si ha un aumento di prestazioni. Quando la cache si riempie, i dati utilizzati meno recentemente vengono sostituiti.

Pila (o Stack)

I calcolatori sono provvisti di una zona di memoria chiamata Pila o Stack.

Pile e Code

Una Pila è una struttura lineare di celle contigue in cui:

• I nuovi elementi vengono inseriti sempre dalla cima;
• Per togliere un elemento, lo si estrae dalla cima secondo la politica LIFO (Last In First Out).

Una Coda è un struttura lineare in cui:

• I nuovi elementi, entrano dalla cima;
• L'estrazione degli elementi avviene dal fondo, secondo la politica FIFO (First In First Out).

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Schema Pile e Code

elem elem elem push pop push elem Pila (Stack) Coda elem elem elem pop elem

Figura 4 - schemi delle strutture di memoria Pila e Coda Nella Pila e nella Coda gli elementi vengono inseriti tramite una operazione di push e vengono estratti tramite una operazione di pop.

Pile e Code: Operazioni

Sia sulla Pila che sulla Coda le operazioni che possiamo compiere sono:

• push(elemento) - l'elemento verrà inserito in cima alla Pila (o alla Coda);
• pop() - l'elemento verrà estratto dalla cima della Pila (o dal fondo della Coda).

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Operazioni su Pila e Coda

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Pila: Operazione di Push

push(4) 4 3 3 2 2 1 1 Prima Dopo

Pila: Operazione di Pop

pop() - 4 4 3 3 2 2 1 1 Prima Dopo

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Coda: Operazione di Push

push(4) 4 3 3 2 2 1 1 Prima Dopo

Coda: Operazione di Pop

4 3 4 2 3 1 2 pop() - 1 Prima Dopo

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