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Prof.Ing.S.Cavalieri 1

Memorie InterneRAM, ROM e Cache

Misura della Memoria Classificazione della Memoria:

Interna ed Esterna Memoria Interna: Caratteristiche Generali RAM Statica RAM Dinamica ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash

Memory Memoria Cache


Misura della Memoria

Informazione di base = bitRaggruppamenti utilizzati:

1 byte = 8 bit1 word = N byte

Multipli (bit/byte)K (Kilo) = 210 (=1024) circa 103M (Mega) = 220

(=1024*1024=1.048.576) circa 106G (Giga) = 230 circa 109T (Tera) = 240 circa 1012 P (Peta) = 250 circa 1015


Alcuni Valori da Ricordare

24 = 16

28 = 256

216 = 65536 = 64 K (65536/1024)


Memoria Interna o Centralememorizza programmi e dati su cui lavora la CPU a

cui è collegata tramite il bus principale:si accede al singolo bit/byte/word

tempi di accesso bassi (<70 ns);

dimensioni tipiche sono 256Mbytes/512Mbytes

realizzata con circuiti elettronici


Memoria Esterna o di Massa

memorizza dati e programmi sotto forma di file. Per l’elaborazione, si devono trasferire programmi e dati in memoria centrale: Si accede a blocchi (cluster/settori) tempi di accesso elevati (msec) capacità elevate (decine/centinaia di Gbytes) Può essere:

Memoria di Massa on-line, normalmente realizzata con dischi magnetici fissi

Memoria di Massa off-line, normalmente realizzata con supporti (magnetici/ottici/elettronici) rimovibili


Memoria Interna: Caratteristiche Generali

1 bit

bus dei dati

bus degli indirizzin fili

bus di controlloread/write (strobe)

01

m-1

2


Indirizzi e valori: Con n bit di indirizzo si

possono selezionare 2n celle (m=2n).

Strobe: sono segnali generalmente impulsivi che

vengono inviati dopo il posizionamento dell’indirizzo per

discriminare tra operazione di letture e scrittura



Tempi di servizio: accesso, ciclo. Accesso. E' il tempo necessario affinché la memoria ponga in

uscita il valore richiesto (o possa registrare il valore in ingresso),

dopo aver posizionato l'indirizzo e lo strobe. Ciclo. E' il tempo minimo che deve intercorrere tra due

posizionamenti validi dell’indirizzo e dello strobe.

Modificabilità: Memoria a Sola Lettura/Riscrivibile. Qualsiasi memoria deve essere scritta almeno una volta. Le memorie che non possono essere riscritte si dicono a sola

lettura; altrimenti sono riscrivibili.



Persistenza: permanenti/volatili. Sono permanenti le memorie che

mantengono i dati senza bisogno di alimentazione elettrica; altrimenti

si dicono volatili. Accessibilità: casuale /sequenziale. Se non esiste alcun vincolo

sulla sequenza degli indirizzamenti effettuati, si parla di memoria ad

accesso casuale; quando invece il successivo indirizzo è l’attuale

incrementato di uno si parla di memorie ad accesso sequenziale. Il supporto: Il più comune per le memorie interne è il silicio drogato

(a stato solido)



bus dei dati

bus degli indirizzin fili

bus di controlloread/write

1 bit



Possiamo identificare diversi livelli funzionali di memoria:Random Access Memory (RAM)Read Only Memory (ROM)Memoria Cache



RAM - Random Access Memory

Il termine RAM deriva da Random Access Memory.

Attualmente assumono valori tipici di centinaia di MBytes.

La caratteristica principale delle RAM è il fatto che l'informazione in esse contenute rimane solo quando esse vengono alimentate. La mancanza di tensione provoca la perdita di tutte le

informazioni contenute. In presenza di tensione, ciascuna informazione

memorizzata rimane fino alla successiva scrittura.


RAM - Random Access Memory

La RAM vengono utilizzate per i seguenti scopi: memorizzare il Sistema Operativo (ad esempio

Windows). memorizzare i programmi utenti prima della loro

esecuzione. memorizzare i dati utenti provenienti dalle

periferiche o quelli intermedi. Dal punto di vista implementativo, le memorie RAM si

dividono in due grosse famiglie: RAM dinamiche RAM statiche.


RAM DINAMICHE (DRAM)

La DRAM usa delle capacità interne per memorizzare i dati. Le capacità perdono la loro carica dopo un certo intervallo di

tempo. Queste capacità necessitano di un costante rinfresco per mantenere inalterata l'informazione memorizzata.

Il risultato finale è che tra due accessi consecutivi alla memoria, una carica elettrica viene mandata a rinfrescare la capacità del chip di memoria affinché il dato venga mantenuto nello stato logico corretto.

Durante il rinfresco della memoria non è possibile accedere ad essa, rallentando, dunque, le sue prestazioni in termini di accessi in lettura/scrittura.

Le DRAM sono caratterizzate da tempi di accesso (tempi di lettura/scrittura) che vanno dai 10ns ai 70 ns.


Utilizzano un condensatore per memorizzare 1 Bit

Necessitano di un circuito di Refresh Consumano poco Sono abbastanza veloci (da 10 a 70 ns) Sono utilizzate per le memorie centrali

Tipi di DRAM obsolete: FP DRAM (fast page) EDRAM (DRAM Evoluta) EDO RAM (extended data output RAM).



SDRAM. Quando sono apparsi i Bus con clock a 100 MHZ, si sono affermate le memorie dinamiche di tipo sincrono SDRAM. La Intel ha definito le specifiche PC100 (PC 133).

RAM BUS (o RDRAM) hanno un canale da 16 bit a 800 Mhz

Le DDR (double data rate) sono un tipo di SDRAM che lavorano sui due fronti del clock. Sono chiamate: DDR 300 (riferendosi al doppio del clock

effettivo, 150 MHz) PC 2400 (riferendosi alla banda 8 byte * 2 *

150 MHz) o PC 2100 (8*2*133 Mhz)



Sono montate su moduli (schedine): SIMM (30 pin) single in line module; hanno una

doppia fila di contatti ma connessi a coppie, quindi è come se avessero la metà dei contatti attivi; ogni modulo ha parallelismo 1 byte (un 486 usa 4 banchi)

SIMM (72 PIN); i pin sono sempre organizzati a coppie; ogni modulo supporta 4 byte (il 486 usa un solo banco); montano le EDO RAM

DIMM (168 PIN) Dual Inline Memory Module; tutti i pin sono indipendenti; gestisce 8 byte (un P6 usa un banco); Montano le SDRAM

DIMM (184 PIN); montano le DDR; sono uguali come geometria alle DIMM 168 PIN, ma si differenziano per il fatto di avere una sola tacca

DIMM con dissipatore per RDRAM



DDR in commercioModulo Frequenza

di lavoroBandwidth

massima teorica

DDR200PC1600

100 Mhz 1,6 Gbytes/sec

DDR266PC2100


DDR300PC2400


DDR333PC2700


DDR375PC3000

187,5 Mhz 3 Gbytes/sec

DDR400PC3200


DDR433PC3500

217,5 Mhz 3,5 Gbytes/sec


Parametri Prestazionali

Non è solo la frequenza di lavoro, e di conseguenza il tempo d'accesso, a determinare le prestazioni velocistiche di un modulo memoria;

Esistono alcuni parametri di funzionamento, tipicamente raccolti sotto il nome di timings, che influenzano le prestazioni velocistiche in modo marcato.

E' possibile intervenire manualmente a variare i timings di accesso, così da ottenere prestazioni velocistiche superiori;


I Bios delle schede madri mettono a disposizione settaggi di accesso differenti a seconda sia del modello di chipset, sia delle scelte del produttore della scheda madre.

Tra i vari timings, il CL è tra le sigle che più di frequente vengono ricordate:

• CAS (Column Address Strobe) Latency (CL): indica il numero di cicli di clock richiesti dalla memoria per processare una richiesta.

A valori inferiori della latenza corrispondono prestazioni superiori.



Oltre a frequenza di lavoro e timings, vi è un altro elemento: rapporto tra frequenza di bus e frequenza di lavoro

della memoria. Più questo rapporto è vicino ad 1, più saranno

elevate le prestazioni velocistiche. Questo spiega perché, ad esempio, con molte

applicazioni la memoria DDR333 permetta di ottenere prestazioni velocistiche superiori a quella DDR400, con frequenza di bus di 166 Mhz



Ulcune DDR in Commercio

Infineon 256 MB DDR266 CL2 PC2100

Chip di Memoria DDR 32 MB Monta solo 8 chip di memoria DDR, 4 per lato;

dunque ogni chip avrà una densità di memoria pari a 32 MB. Frequenza della memorie pari a 133 MHz CAS Latency 2 DDR266.


RAM STATICHE (SRAM) La RAM statica o SRAM è la memoria più veloce

disponibile attualmente

Sono caratterizzate da tempi di accesso dell'ordine delle decine di nanosecondi (da 6 ns a 25 ns).

Le SRAM sono costose e possono memorizzare solo 1/4 dei dati rispetto le DRAM.

A differenza delle DRAM, nelle SRAM non occorre il rinfresco periodico.


Utilizzano per ogni bit un flip flop.

Il singolo bit occupa molto spazio (8 transistors).

Consuma molta energia. E’ molto veloce (< 10 ns). Ha un elevato costo per bit. Si usa nella cache, nei

convertitori video a/d.

RAM STATICHE (SRAM)


ROM - Read Only Memory

Il termine ROM significa Read Only Memory. Indicava originariamente il fatto che l'unico tipo di accesso in

queste memorie è la lettura (ovviamente la prima scrittura deve essere possibile).

Esistono particolari ROM che possono essere anche riscritte.

In ogni caso tutte le ROM sono caratterizzate dal fatto che l'informazione in esse contenute rimane anche quando manca la corrente.

Nelle ROM che possono essere riscritte, l'informazione rimane fino alla successiva scrittura.


ROM - Read Only Memory

Le ROM vengono in genere utilizzate per memorizzare programmi e dati di configurazione essenziali per il funzionamento del computer che devono essere memorizzati anche quando il computer è spento.

Esistono differenti tipi di ROM:ROM non programmabiliPROM. ROM ProgrammabiliEPROM. Erasable Programmable ROMEEPROM. Electrical Erasable Programmable ROMFlash Memory


ROM, PROM, EPROM

ROM: sono delle reti combinatorie già predisposte in

fabbrica (tramite il processo di mascheratura). Hanno

alte capacità bassi costi.

PROM: sono delle reti combinatorie programmabili

con un dispositivo da laboratorio. Molto utili per

prototipi, possono essere programmate una sola volta.

EPROM: sono programmabili con un dispositivo da

laboratorio. Hanno una finestra di quarzo tramite cui

è possibile esporre il chip ai raggi U.V. e “cancellare

“ il contenuto.


EEPROM – FLASH MEMORY

EEPROM: come le EPROM, ma cancellabili con particolari cicli di segnalazione senza togliere dalla piastra il chip. I tempi di cancellazione sono di norma molto più lunghi di quelli di lettura.

Flash Memory: come le EPROM, ma la scrittura avviene per blocchi e non per byte, molto velocemente. Non può essere usata come RAM per via della

scrittura a blocchi Si chiama flash perché il microchip è

organizzato in sezioni di celle cancellabili in un colpo solo (flash).


Memoria Cache Lo scopo della memoria cache è quello di reperire informazioni

utilizzate recentemente senza doverle nuovamente prelevare dalla RAM.

La memoria cache è generalmente gestita direttamente dalla CPU tramite bus privati.

L'utilizzo della memoria cache rispetto la RAM è più vantaggioso perché: il bus di indirizzi e dati è locale e non deve essere utilizzato

quello comune, che potrebbe essere occupato da altri dispositivi (ad esempio DMA), ritardando l'accesso alla RAM

il tempo di accesso alla cache per lettura/scrittura è molto più basso di quello della RAM (generalmente il tempo di accesso medio alla RAM è 50-70ns, mentre si può arrivare a valori inferiori a 10ns per accedere alla memoria cache).


Memoria Cache

L'uso della memoria cache prevede, però, opportuni accorgimenti dovuti al fatto che la dimensione di una cache è notevolmente inferiore a quella di una RAM la dimensione tipica della RAM è di centinaia di MBytes,

mentre la cache ha dimensioni dell'ordine di alcune centinaia di KBytes.

è impensabile poter memorizzare nella cache tutti i dati letti dalla RAM, ma sarà necessario sovrascrivere alcuni dati contenuti nella cache, per far spazio a nuovi dati da memorizzare.

In particolare, si adotta la politica di sovrascrivere i dati più vecchi, ossia quelli non utilizzati da più tempo.


Memoria Cache La gestione della cache, può essere formalizzata nella seguente

maniera: la CPU necessita di un particolare dato la CPU ricerca in dato nella cache se lo trova, lo legge e lo utilizza se non lo trova, lo reperisce nella RAM e lo trasferisce nella

cache nella locazione più "vecchia", ossia da più tempo non utilizzata.

Generalmente le memorie cache sono realizzate da memorie RAM statiche, che, come detto, sono quelle caratterizzate da più bassi tempi di accesso.


Attualmente le memorie cache hanno dimensioni medie di 256Kbyte, con picchi di 512Kbyte fino ad arrivare a valori di 2048Kbytes.

Potrebbe sembrare che quanto più grande è la cache, tanto più conveniente sia per le prestazioni della CPU.

Questa affermazione è vera relativamente, in quanto, aumentando la cache oltre certi limiti, il rapporto prezzo/prestazioni diventa non conveniente.

Memoria Cache


Per aumentare ulteriormente le prestazioni, si può: Frammentare la cache Trasferire una parte della cache all'interno della CPU

Sono definibili due tipi di cache dette: L1, di dimensioni minori (8KB...64KB): è in genere contenuta

all'interno del Core del processore e opera alla frequenza di clock; L2 (nelle CPU correnti compresa tra 128KB e 1MB): a seconda del

tipo di architettura è posta o all'interno del Core del processore oppure sulla motherboard; opera a frequenze differenti a seconda del tipo di architettura, variabili tra la frequenza di bus e quella di clock.

L3: generalmente è un'estensione della L2 (2 MB nel Pentium IV Extreme Edition 3.2 GHz)

Il processore cerca prima nella cache interna L1 e poi in quella esterna L2.

Memoria Cache


BIOS

Il nome BIOS significa Basic Input Output System, ossia sistema di base per ingressi e uscite.

Il BIOS è essenzialmente un "software", ossia un programma. Esso é contenuto in un chip di memoria non volatile

EEPROM o le Flash Memory. Le funzioni svolte dal BIOS sono essenzialmente tre:

1. Funzione di Avvio del Computer, all'interno della quale viene eseguito il POST (Power-On Self Test).

2. Funzione di Memorizzazione di Configurazione Hardware e di Parametri del ChipSet.

3. Interfaccia del Sistema Operativo.


BIOSAvvio del Computer

Quando si accende il PC, si inizializza l'alimentatore interno. Non appena la tensione si stabilizza il chipset invia un comando di reset del processore.

Il comando reset richiede alla CPU di eseguire l'istruzione posta sempre in una locazione fissa prestabilita nella ROM del BIOS e denominata indirizzo di jump.

La CPU esegue l'istruzione, che copia in memoria i programmi del BIOS e inizia l'esecuzione del BIOS.


La prima azione eseguita dal programma di BIOS è il POST (Power-On Self-Test): Il processo POST verifica e controlla la configurazione hardware

memorizzata nelle informazioni di configurazione del BIOS. Nel caso in cui dovesse rilevare un problema invia indicazioni

acustiche per mezzo di uno o più beep o beep code, attraverso l'altoparlante del sistema, per indicare la natura del problema o visualizzare un messaggio d'errore e il processo di boot si arresta.

Se il POST non incontra problemi, il processo di boot continua. Il BIOS cerca il BIOS dell'adattatore video e lo attiva. Quasi tutti i

dispositivi periferici di un PC dispongono di un proprio BIOS. Le informazioni sulla scheda video sono visualizzate sullo schermo del monitor. informazioni della scheda video, BIOS della scheda video,

produttore e versione.



Vengono inizializzate la routine del BIOS delle periferiche presenti, oltre la scheda video.

Il BIOS effettua poi una serie di test nel sistema, inclusa la dimensione della memoria rilevata. Un contatore progressivo visualizza nello schermo la memoria

rilevata e verificata. Il BIOS verifica che i dispositivi elencati nei dati di configurazione

siano presenti e funzionanti. viene visualizzato un messaggio che comunica che il dispositivo è

stato trovato, configurato e verificato. Se il BIOS supporta la tecnologia PnP (Plug and Play), qualsiasi

dispositivo PnP rilevato sarà configurato. vengono visualizzate sullo schermo tutte le informazioni dei

dispositivi, tuttavia scorrono in modo troppo veloce per poter essere lette.




Alla fine della sequenza di test e configurazione, il BIOS visualizzerà una schermata che riassume i dettagli del PC verificati dal BIOS, per indicare che il sistema è pronto per l'uso.

Il BIOS dovrà trovare il sistema operativo ed essere in grado di accedervi, per poterlo attivare. I dati di configurazione memorizzati nel BIOS contengono un

parametro che indica le unità disco (floppy, hard disk o CD-ROM) e l'ordine di accesso per il caricamento del sistema operativo.

Se il programma di boot non viene trovato nel primo dispositivo elencato, verrà ricercato nel dispositivo successivo e così via;

se non si trova alcun dispositivo di boot la relativa sequenza si arresta e viene visualizzato un messaggio di errore: "Non è disponibile alcun dispositivo di boot".


BIOSMemorizzazione Configurazione

Il BIOS memorizza la configurazione hardware del computer (periferiche non plug&play) e i parametri del chipset e ne permette all’utente la modifica.

Programma di Configurazione: tasto DEL all'avvio In genere ogni versione di BIOS permette di intervenire su taluni parametri

del chipset ma non su altri. Esempio: alla voce Chipset Features Setup (o Advanced Chipset Setup)

e possibile intervenire sui tempi di accesso alla memoria e su altri parametri del chipset, così da migliorare anche sensibilmente le prestazioni del computer;

C'è il rischio di impostare alcuni parametri troppo performanti per l'hardware installato e il sistema si bloccherà durante il funzionamento: basterà rientrare nel Setup del BIOS (premendo, in genere, il tasto DEL

all'avvio) e reimpostare i valori precedentemente usati.


L'hardware, cioè la parte elettronica del PC, può presentare notevoli differenza da costruttore a costruttore o da modello a modello.

Se il S.O. deve ad esempio recuperare un file dal disco rigido, esegue tale lettura "chiedendo" al BIOS di leggere il file, senza occuparsene direttamente.

Il BIOS contiene programmi usati dal sistema operativo e software applicativo per interagire con l'hardware.

Visto che il BIOS è strettamente legato all’hardware, è facile comprendere è che ogni diverso computer possiede un diverso BIOS.

Non è possibile cioè utilizzare il BIOS del computer modello xyz nel computer modello hkw.

BIOSInterfaccia Sistema Operativo


Produttori di BIOS

Award, AMI (America Megatrends, Inc.) e Phoenix producono i BIOS più noti.

Come la maggior parte dei produttori, forniscono le ROM del BIOS in licenza d'uso alle case costruttrici di schede madri, mentre il servizio di supporto del BIOS compete generalmente a produttori delle schede.

In passato AMI era l'unico BIOS per Intel, il principale produttore di processori e schede madri.

Attualmente, oltre l'60% delle schede madri sono Intel e adottano il BIOS Phoenix.

Nel 1998 Phoenix ha acquistato Award e, pertanto, il BIOS Award viene distribuito con marchio Phoenix.

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