Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/1/2010
Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 1
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01/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 2
•• Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più rapidamente possibilerapidamente possibile
•• Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati periodi di tempoelevati periodi di tempo
•• Diverse esigenze:Diverse esigenze:▶ velocità per il supporto alla CPU▶ non volatilità ed elevate dimensioni per l’archivio
•• Diverse tecnologieDiverse tecnologie▶ elettronica: veloce, ma costosa e volatile▶ magnetica e ottica: non volatile ed economica, ma molto lenta
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•• VelocitàVelocità▶ tempo di accesso (access time)
(quanto passa tra una richiesta e la relativa risposta)▶ velocità di trasferimento (transfer rate)
(quanti byte al secondo si possono trasferire)•• VolatilitàVolatilità▶ cosa succede quando la memoria non è alimentata?▶ per quanto tempo i dati vi rimangono immagazzinati?
•• CapacitàCapacità▶ quanti byte può contenere? qual è la dimensione massima?
•• CostoCosto (per bit)(per bit)•• Modalità di accessoModalità di accesso▶▶ direttadiretta (o casuale): il tempo di accesso è indipendente dalla posizione▶▶ sequenzialesequenziale: il tempo di accesso dipende dalla posizione▶▶ mistamista: combinazione dei due casi precedenti▶▶ associativaassociativa: indicato il dato, la memoria risponde indicando l’eventuale posizione che il
dato occupa in memoria.
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•• Mantiene al proprio interno i dati e Mantiene al proprio interno i dati e le istruzioni dei programmi in esecuzionele istruzioni dei programmi in esecuzione
•• Memoria ad accesso “casuale”Memoria ad accesso “casuale”•• Tecnologia elettronicaTecnologia elettronica▶ veloce ma volatile e costosa
•• Due “eccezioni”Due “eccezioni”▶ ROM: elettronica ma permanente e di sola lettura▶ Flash: elettronica ma non volatile e riscrivibile
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•• I bit nelle memorie sono raggruppati in I bit nelle memorie sono raggruppati in cellecelle::▶ tutte le celle sono formate dallo stesso numero di bit;▶ una cella composta da k bit, è in grado di contenere una qualunque tra le 2k
combinazioni diverse di bit.
•• Ogni cella ha un Ogni cella ha un indirizzoindirizzo::▶ serve come accesso all’informazione;▶ in una memoria con N celle gli indirizzi vanno da 0 a N–1.
•• La cella è l’unità indirizzabile più piccolaLa cella è l’unità indirizzabile più piccola..In quasi tutti i calcolatori è di In quasi tutti i calcolatori è di 8 bit 8 bit (un (un bytebyte).).
•• I byte vengono raggruppati in parole (che oggi sono di I byte vengono raggruppati in parole (che oggi sono di 32/64 bit32/64 bit), ), su cui la CPU esegue le operazioni.su cui la CPU esegue le operazioni.
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•• Anche gli indirizzi della memoria sono rappresentati come numeri Anche gli indirizzi della memoria sono rappresentati come numeri binari:binari:▶ un indirizzo di M bit consente di indirizzare 2M celle;▶ per 6 o 8 celle bastano 3 bit, per 12 celle ne servono 4;▶ il numero di bit nell’indirizzo determina il numero massimo di celle indirizzabili nella
memoria ed è indipendente dal numero di bit per cella(una memoria con 212 celle richiede sempre 12 bit di indirizzo, quale che sia la dimensione di una cella).
•• Una memoria può essere organizzata in diversi modi:Una memoria può essere organizzata in diversi modi:▶ per esempio, con 96 bit possiamo avere� 6 celle di 16 bit (6*16=96), � 8 celle di 12 bit (8*12=96)� 12 celle di 8 bit (12*8=96).
▶ In genere si considerano celle di 8 bit (1 byte).
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0
1
2
3
4
5
6 parole da 16 bit
0
1
2
3
4
5
6
7
8 parole da 12 bit
0
1
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3
4
5
6
7
8
9
10
1112 parole da 8 bit
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16 celle di memoria
di 8 bit ciascuna
0 1 1 0 1 1 0 0 parola
selezionata
Dato
(letto o da scrivere) 0 1 1 0 1 1 0 0
Bus dati
Bus di
controllo
leggi/scrivi
linee di
selezione parola
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
linea 0
linea 1
linea 2
linea 3
linea 4
linea 5
linea 6
linea 7
linea 8
linea 9
linea 10
linea 11
linea 12
linea 13
linea 14
linea 15
DE
CO
DIF
ICA
TO
RE
Bus indirizzi
0110
•• Viene selezionata la parola di Viene selezionata la parola di indirizzo 0110indirizzo 0110duedue
•• il contenuto è 01101100;il contenuto è 01101100;•• l’operazione è di lettura (l’operazione è di lettura (loadload) o ) o
di scrittura (di scrittura (storestore) a seconda dei ) a seconda dei comandi presenti sul bus di comandi presenti sul bus di controllocontrollo
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•• LeLe CPUCPU sonosono sempresempre statestate piùpiù velociveloci delledelle memoriememorie▶ l’aumento di integrazione ha consentito di realizzare CPU pipeline e super
scalari, molto efficienti e veloci;▶ nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità.
•• L’L’accessoaccesso allaalla memoriamemoria passapassa attraversoattraverso ilil busbus▶ la frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa di quella della CPU;▶ il bus può essere impegnato ad effettuare trasferimenti controllati da
dispositivi di I/O “autonomi” (e.g. DMA).•• ÈÈ difficiledifficile riordinareriordinare lele istruzioniistruzioni inin modomodo dada poterpoter sfruttaresfruttare ii
tempitempi didi attesaattesa delladella memoriamemoria..•• ÈÈ possibilepossibile farefare memoriememorie moltomolto velociveloci sese stannostanno nelnel chipchip delladella
CPU,CPU, mama sonosono piccolepiccole ee costosecostose..
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•• Tecnologia elettronica (Tecnologia elettronica (veloceveloce ma ma volatilevolatile))•• Gerarchia di memoria:Gerarchia di memoria:
ai ai livelli più altilivelli più alti corrispondono le corrispondono le tecnologie più velocitecnologie più veloci ma anche ma anche più costosepiù costose▶ cache interna (Static RAM – SRAM)▶ cache esterna (SRAM)▶ memoria RAM
(Dynamic RAM – DRAM e sue varianti)▶ area di swap su memoria di massa
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Ottenuta per “generalizzazione” dell’applicazione del principio di Ottenuta per “generalizzazione” dell’applicazione del principio di localitàlocalità e tipicamente costituita dae tipicamente costituita da
1. registri contenuti nella CPU (qualche KB)2. cache (da circa 32KB a circa 4096KB)3. memoria principale (da circa 512MB a qualche GB)4. dischi fissi (da qualche centinaio di GB a qualche TB)5. nastri magnetici e dischi ottici (da qualche centinaio di GB a qualche TB
per ogni supporto)Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il valore dei parametri fondamentali:il valore dei parametri fondamentali:▶ aumenta il tempo di accesso;▶ aumenta la capacità di memorizzazione;▶ ma diminuisce il costo per bit.
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CP
U
Registri
Cache I liv
Cache II liv Cir
cu
ito I
nte
gra
to (
ch
ip)
RAM
Sch
ed
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moth
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Disco fisso (hard disk) tecnologia magnetica
Invo
lucro
est
ern
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el
calc
ola
tore
(case
)
Supporti esterni
tecnologia
magnetica
(HD esterni)
tecnologia
elettronica
(flash disk)
tecnologia
ottica
(CD, DVD)
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Livello Capacità Tempo di accesso Transfer rate (GB/s)
Registri ~ 1 KB ~ 0.2 ns (1 ciclo di clock) –
Cache I livello ~ 32 KB ~ 0.4 ns (2/4 cicli di clock) –
Cache II livello ~ 1/2 MB ~ 1/2 ns (5/10 cicli di clock) ~ 100
Cache III livello ~ 2/8 MB ~ 5 ns ~ 50
Memoria centrale ~ 2/8 GB~ 50 ns (1ª parola richiesta)
~ 10 ns (parole successive)~ 5/10
Dischi interni > 300 GB ~ 10 ms 0.15/0.6
Dischi esterni > 300 GB ~ 10 ms ~ 0.05
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