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La memoria
Pagina in fase di preparazione
Struttura di una generica memoria ad accesso casuale
Una memoria ad accesso casuale (nota 1) è costituita da un certo numero di celle
identiche come dimensione, identificate da un numero progressivo (indirizzo,
ADDR). Ciascuna cella (word) contiene un numero fisso di bit
il cui significato è genericamente indicato come valore o DATA.
Per esempio le tre immagini seguenti rappresentano una memoria formata da
512 celle (quindi con indirizzo compreso tra 0 e 511) ciascuna in grado di
contenere parole con valore compreso tra 0 e 15. Le tre immagini sono
relative alla stessa identica realtà e si differenziano tra di loro solo per
la base utilizzata per rappresentare i numeri (nell'ordine: decimale,
binario, esadecimale):
- La rappresentazione nella prima tabella descrive male la realtà dei
computer e quindi non è in genere usata
- La seconda rappresenta bene la realtà delle macchine, ma è di
difficile lettura e memorizzazione per gli umani
- La terza è la "via di mezzo" più utilizzata
Per esempio, per descrivere la decima cella, evidenziata in rosso, si può
scrivere indifferentemente:
- La cella con indirizzo 9 contiene il valore
1
- La cella con indirizzo 0b1001 contiene il valore
0b1 (è stata utilizzata la sintassi presa a
prestito da alcuni compilatori C per rappresentare i numeri binari,
premettendo 0b). Quando i numeri diventano grandi questa
rappresentazione diventa inutilizzabile per gli umani.
- La cella con indirizzo 0x9 contiene il valore
0x1 (è stata utilizzata la sintassi presa a prestito
dal C per rappresentare i numeri esadecimali, premettendo 0x)
Spesso è necessario rappresentare il contenuto di molte celle. In questo
caso l'uso di una tabella che riporta per ciascuna cella indirizzo e
contenuto occupa molto spazio... Per questo si preferisce a volte riportare
il contenuto di più celle su una sola riga, riportando solo per la prima
cella l'indirizzo.
Per esempio la seguente tabella (nota 2) mostra il
contenuto di 176 celle di memoria (11 righe, ciascuna con il valore di 16
celle consecutive):
- La prima colonna riporta in esadecimale gli indirizzi, da 0x00000000
a 0x000000A0, saltando di 16 in 16
- La prima riga riporta il contenuto delle 16 celle con indirizzo
0x00, 0x01 ... 0x0F
- L'ultima riga riporta il contenuto delle 16 celle con indirizzo
0xA0, 0xA1.... 0xAF
Per esempio:
- La cella con indirizzo 0x00000000 contiene il calore 0x25 (in verde)
- La cella con indirizzo 0x00000012 contiene il valore 0x0A (in rosso)
- Quale è il contenuto della della con indirizzo 0x000000AB? (nota
3)
Di seguito due esempi tratti da due diversi programmi reali utilizzati
per scrivere codice:
Architettura di Von Neumann
La macchina di Von Neumann (o stored-program computer) è caratterizzata
dall'avere:
- Una CPU
- Una memoria contenente dati e istruzioni (programmi)
- Una serie di dispositivi di ingresso/uscita (che in seguito
ignoreremo)
I collegamenti tra i tre blocchi sono realizzati tramite bus (nota
4), ciascuno capace di trasportare un numero anche elevato di bit:
- Un DATA Bus che trasporta i dati tra CPU e memoria oppure viceversa
(si noti la doppia freccia che indica questo bus come bidirezionale).
Questo bus deve essere in grado di trasportare tanti bit quanto è la
dimensione di una parola.
- Un ADDR Bus che indirizza la cella di memoria da cui il dato deve
essere letto o in cui deve essere scritto (si noti la freccia che indica
questo bus come unidirezionale). Questo bus deve essere in grado di
trasportare tanti bit quanti sono necessari per indirizzare ciascuna
cella di memoria.
- Un CTRL Bus che trasporta i segnali di controllo: per esempio il
comando di lettura o di scrittura
Per esempio, in riferimento alla seguente figura:
- Il DATA Bus è formato da 8 bit (in pratica: 8 fili)
- L'ADDR Bus è formato da 32 bit (in pratica 32 fili)
Quesito: da quanti bit sono formati DATA e ADDR Bus per gli altri due
esempi mostrati in questa pagina?
La macchina di Von Neumann viene spesso considerata l'architettura su cui
si basano i computer attuali, perlomeno quelli di uso generico, perché
permette la massima flessibilità nel scegliere quanta memoria assegnare alle
istruzioni e quanta ai dati.
Il fatto che la memoria sia unica porta però ad alcuni compromessi:
- La presenza di un solo Bus per indirizzi e dati costituisce un
collo di bottiglia che rallenta il funzionamento del computer.
- Istruzioni e dati devono avere la stessa dimensione
- L'intera memoria deve essere a lettura/scrittura (e quindi in genere
volatile)
Per un
approfondimento.
Architettura Harvard
Una architettura di tipo Harvard possiede:
- Una CPU
- Una memoria contenente istruzioni (programmi)
- Una memoria contenente dati
- Una serie di dispositivi di ingresso/uscita (che in seguito
ignoreremo)
Una macchina di tipo Harvard è poco flessibile e quindi è adatta solo per
sistemi che eseguono programmi che non cambiano nel tempo,
Ha diversi vantaggi:
- Permette maggiori prestazioni in quanto istruzioni e dati possono
essere letti contemporaneamente. Praticamente questo porta ad un
raddoppio della velocità
- Le due memorie possono avere lunghezza di parola diversa
- La memoria programma può essere di tipo non volatile, evitando
quindi la fase di boot (ottenendo quindi una partenza "istantanea" dopo aver fornito
alimentazione). Si noti il verso dei dati unidirezionale dalla memoria
programma alla CPU, tipico di questa architettura
Per un
approfondimento.
Quanto detto è oggi in parte superato e la realtà è più articolata:
- Molti sistemi indicati come Harvard in realtà sono modified
Harvard architecture al fine di rendere meno rigida la separazione tra
le due memorie.
- Quasi tutte le CPU moderne usate in computer con architettura di Von Neumann
hanno internamente una architettura Harward con due memorie cache, una
per i dati ed una per le istruzioni, al fine di migliorare sensibilmente
le prestazioni.
Note
- Quanto descritto in questa pagina fa riferimento indifferentemente
sia alle memorie volatili (in genere indicate con il termine RAM, Randon
Access Memory) che alle memorie non volatili (in genere oggi
identificate con le memorie Flash).
- L'immagine è stata ottenuta con il comando Linux
hexdump
- Il valore della cella con indirizzo 0x000000AB è 0x93
- Questa architettura andrebbe più propriamente indicata come
System Bus
Data di creazione di questa pagina: settembre 2017
Ultima modifica: 4 ottobre 2017
