MODULO 08 --> Le memorie

Insegnamento di Informatica – a.a. 2015-16
Le memorie
INSEGNAMENTO DI INFORMATICA – A.A. 2015-16
Francesco Ciclosi
Macerata, 27 ottobre 2015

Unimc - Dipartimento di Economia e Diritto - Corso di Laurea in Economia: banche, aziende e mercati
© Francesco Ciclosi – Settembre 2015 CC-BY-SA 4.0 – Common Deed – Legal Code
Categorie di memorie
 Le principali categorie di memorie sono:
• ROM (Read Only Memory), memoria di sola
lettura
• RAM (Random Access Memory), memoria ad
accesso casuale
 Sono molto veloci perché trasmettono i dati
elettronicamente
 Non hanno parti mobili

Il termine ROM
 Il termine è stato coniato per indicare le ROM a
maschera, create con un processo litografico
 Ma viene anche utilizzato per identificare alcune
memorie che posso essere cancellate o
riprogrammate con particolari procedimenti

La ROM (1/3)
 È statica e inalterabile
 Viene detta memoria non volatile
 Il suo contenuto è definito in sede di
fabbricazione e non è modificabile dall’utente
 Lo spegnimento dell’elaboratore non altera i
dati in essa contenuti

La ROM (2/3)
 Alcune memorie sono scrivibili una sola volta:
• PROM, OTPROM
 Altre sono riscrivibili più volte:
• EPROM, EEPROM, EAROM e flash ROM

La ROM (3/3)
 Gli elementi fisici utilizzati dalle ROM sono
diodi o transistor
 A livello architetturale la ROM utilizza una
matrice in cui ad ogni intersezione di riga e
colonna vi è una cella di memoria in cui viene
scritto il bit in sede di costruzione

Schema elettrico di una memoria ROM

Tipologie di ROM (1/3)
 MROM
• È la prima tipologia di ROM a stato solido realizzata
• I dati sono scritti nella ROM a maschera in fase di
costruzione
• La sua minima modifica comportava il cambiamento
dell’intera linea di produzione
 PROM
• È un evoluzione «programmabile» della MROM
• Può essere scritta una sola volta con uno speciale sistema

 EPROM
• È un’evoluzione della PROM (Erasable e Programmable)
• Può essere scritta e riscritta (mediante raggi U/V)
dall’utente successivamente alla sua costruzione
 EEPROM
• È un’evoluzione della EPROM
• Può essere scritta e riscritta
• La cancellazione dei dati avviene elettricamente con
utilizzo di tensioni più elevate

 EAROM
• È una tipologia di EEPROM che prevede la
modifica di un bit alla volta in luogo di blocchi di bit
 Flash ROM
• È una memoria di tipologia EEPROM
• Quando viene chiamata con questo nome ci si
riferisce al suo impiego come ROM e non come
memoria di massa

La RAM
 È detta memoria centrale o memoria dell’utente
 È una memoria di tipo volatile
 Lo spegnimento dell’elaboratore determina la
cancellazione dei dati in essa contenuti
 Consente l’accesso random (casuale) ai dati,
senza bisogno di rispettare una sequenza ben
definita

Una semplice analogia
La RAM è il tabellone di gioco, la ROM il libretto delle istruzioni

Tipi di memoria
 Esistono vari tipi di memoria
che si differenziano per
velocità, costo e ambito d’uso
 I principali tipi sono:
• la DRAM (Dynamic RAM)
• la SRAM (Static RAM) Wafer chip DRAM
Moduli DRAMModuli SRAM

La DRAM (Dynamic RAM)
 È il tipo di memoria centrale più diffuso
 Le celle di memoria mantengono i dati solo
per breve tempo e quindi devono essere
aggiornate centinaia di volte al secondo
 Si suddivide in varie sotto tipologie

Tipologie di DRAM (1/5)
 FPM (Fast Page Mode) DRAM
• È stata la prima tipologia di memoria per i sistemi
desktop
 EDO (Extended Data Out) DRAM
• È leggermente più veloce della FPM
 BEDO (Burst EDO) DRAM
• Invia alla CPU sia l’indirizzo richiesto che il
successivo assumendo che gli indirizzi siano richiesti
in successione

 SDRAM (Synchronous DRAM)
• È in grado di sincronizzarsi con il clock che controlla
la CPU, eliminando le discrepanze di tempo e
rendendo i trasferimenti più veloci e affidabili
 DDR DRAM (Double Data Rate) DRAM
• È simile alla SDRAM ma in grado di trasportare il
doppio dei dati nello stesso ciclo di accesso

 DDR2 DRAM
• È un’evoluzione della DDR RAM in grado di
trasportare il doppio dei dati
 DDR3 DRAM
• È un’evoluzione della DDR2, che consente una
duplicazione della velocità di trasferimento variabile
tra 800 Mbit/s e 1,5 Gbit/s
• Opera a una tensione di 1.5 o 1.65 V con una
frequenza compresa tra 800 e 2133 MHz

 DDR4 DRAM
• È un evoluzione della DDR3 con maggiore densità,
tensione inferiore e maggiore velocità di trasferimento
dati
• Opera a una tensione di 1,2 V con una frequenza
compresa tra 1600 e 3200 MHz
• I moduli DDR4 possono anche essere fabbricati con
una densità due volte superiore rispetto alle DDR3

 RDRAM (Rambus DRAM)
• È una tecnologia proprietaria di Intel
• È molto veloce ma poco diffusa per l’alto costo e
per le modifiche richieste al sistema
• Invia i dati su di un canale ad alta velocità (10 volte
più veloce della DRAM standard)

DDR DRAM: approfondimento (1)
 Trasmette i dati sia sul fronte di salita che sul
fronte di discesa del ciclo di clock
 Consente quindi di raddoppiare la velocità di
trasferimento senza aumentare la frequenza del
bus di memoria

DDR DRAM: approfondimento (2)
 Lavora con i cosiddetti prefetch buffer, utilizzati
per collezionare i dati prima di fornirli a
un’interfaccia più veloce
 La DDR utilizzava un prefetch di 2, la DDR2 uno
di 4 e la DDR3 uno di 8
 Il differente prefetch determina la differenza
prestazionale e il dilatarsi dei tempi di latenza

Alcuni tipi di DDR
DDR2
DDR3
DDR4

Compatibilità dei moduli DDR
 I moduli DDR3 sono
identici per forma e per
dimensioni ai precedenti,
ma non sono tra di loro
intercambiabili
 La tensione utilizzata dai
moduli DDR3 è differente
 Per evitare errori di
assemblaggio la tacca è
stata riposizionata

Il problema della latenza
 La velocità di trasferimento è notevolmente
influenzata dai fenomeni di latenza
• che si verificano nelle operazioni di lettura/scrittura
• che dipendono dal tipo e dalla qualità del chip
• e che derivano dalla frequenza di funzionamento
 A ogni banco di memoria sono associati dei tempi
caratteristici (timing), misurati in unità di cicli di
clock (dove i valori bassi equivalgono a prestazioni
migliori a parità di frequenza)

I principali timing (1)
 CAS Latency Time (tCl)
• Utilizzato durante un’operazione di lettura, indica
l’intervallo di tempo tra l’istante in cui il comando di
lettura giunge ad una certa cella di memoria e quello
in cui inizia il trasferimento dei dati
• Per identificare una cella di memoria, prima si
seleziona l’indirizzo di riga e infine quello di colonna

 RAS to CAS Delay Time (tRCD)
• È l’intervallo di tempo che intercorre tra
l’attivazione della riga e della colonna che
identificano la cella di memoria in cui si vuole
leggere o scrivere il dato, ovvero il ritardo del
segnale CAS rispetto al segnale RAS
 RAS Precharge Time (tRP)
• È il ritardo tra il momento in cui viene inviato un
comando di selezione riga e il comando successivo

 Active-to-Precharge Delay (tRAS)
• Riguarda i diversi passi in cui può essere suddiviso il
processo di accesso alla memoria
• Il suo numero indica il numero minimo di cicli che
intercorrono fra i comandi «active» e «precharge»
 Row Cycle Time (tRC)
• È l’intervallo di tempo intercorrente tra l’attivazione
consecutiva di 2 righe di memoria dello stesso
banco

DDR e CAS
 Il CAS (Column Address Select) indica il
numero di cicli di clock che servono alla RAM
per «riempire» il proprio prefetch buffer
• Le DDR1 lavoravano con CAS di 2/2,5/3 cicli di
clock
• le DDR2 arrivano a CAS 3/4/5
• le DDR3 ora arrivano a CAS 5/6/7/8

I moduli di memoria (1/2)
 Normalmente i chip di memoria non sono
inseriti direttamente nel computer
 I chip vengono installati in appositi circuiti
stampati (moduli di memoria), poi inseriti negli
slot di espansione della scheda madre

I moduli di memoria (2/2)
 Esistono due tipi di moduli (form factor):
• DIMM (Dual In-line Memory Module), utilizzabili
singolarmente
• SIMM (Single In-line Memory Module), utilizzabili
a coppia di moduli

La SRAM (Static RAM) – (1/2)
 È un tipo di RAM volatile che non necessita di
refresh
 Consentono di mantenere le informazioni ivi
contenute per un tempo teoricamente illimitato
 Hanno bassi tempi di lettura e bassi consumi
 Sono più costose della DRAM perché usano
molti componenti per cella

La SRAM (Static RAM) – (2/2)
 Sono solitamente utilizzate per le memorie cache
 La famiglia delle memorie SRAM si divide in:
• async SRAM (SRAM asincrona)
o Lavora in modo asincrono rispetto al clock della CPU
o Viene utilizzata come cache di secondo livello (L2)
• sync SRAM (SRAM sincrona)
o Lavora in sincronia con il clock della CPU (tempi di attesa
ridotti)

Altre tipologie di memoria
 Oltre alla RAM in ogni sistema esistono differenti
tipi di memoria che si contraddistinguono anche
per la particolare funzione di utilizzo
• La memoria virtuale
• La cache
• I buffer

La memoria virtuale (1/2)
 La RAM ha una dimensione limitata, pertanto
molti dati e programmi vengono memorizzati
nell’hard disk usando la memoria virtuale

La memoria virtuale (2/2)
I dati in eccesso rispetto allo spazio disponibile nella RAM vengono
memorizzati nell’hard disk fintanto che non sono necessari
Se richiesti, i dati vengono trasferiti dall’hard disk alla RAM,
mentre altri dati effettuano il percorso inverso per liberare spazio

La cache (1/3)
 È un area di memoria ad alta velocità localizzata
tra la CPU e la memoria centrale
 Serve a velocizzare le operazioni di
trasferimento dei dati tra la CPU, il disco fisso e
la memoria centrale

La cache (2/3)
 Quando la CPU cerca un dato
• controlla prima la cache
• se non lo trova lo carica dalla memoria centrale
Memoria Cache Dati
Cache hit
Cache miss

La cache (3/3)
 Il computer cerca di determinare
preventivamente cosa caricare nella cache
 Solitamente se la CPU richiede un dato, questo
viene caricato nella cache insieme al successivo
(che potrebbe servire)
 Non sempre l’elaborazione riesce a determinare
con esattezza il contenuto della cache

Tipologie di cache
 La memoria cache utilizza chip di memoria
particolarmente veloci e costosi (SRAM)
 Esistono più livelli di cache:
• L1 (cache interna o primaria), fa fisicamente parte del
microprocessore (si misura in kB)
• L2 (cache esterna o secondaria), è costituita da chip di
memoria installati (in moduli) sulla mainboard (MB)
• L3, collocata tra la cache L2 e la memoria principale, è
implementata in un apposito chip esterno alla CPU (MB)

Alcune implementazioni
delle cache L1 e L2

I buffer
 Consistono in una data area della memoria RAM
che viene riservata da alcuni processi per vari utilizzi
 La loro natura è dinamica
 Esempi di buffer sono:
• Il buffer dei caratteri digitati con la tastiera
• Il buffer degli ultimi comandi usati
• Il buffer delle modifiche effettuate su di un file
• Gli appunti di Windows (clipboard) utili per le
operazioni di “copia”-”incolla” (CTRL+C – CTRL+V)

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