Memoria

4.1 Caratteristiche della Memoria

La gerarchia della memoria, più si va giù più spazio si ha, più è lento il caricamento delle informazioni

4.1.1 Catalogazione della memoria

Le tipologie di memoria sono presenti a fianco.

In generale più la memoria è veloce da riprendere, più è costosa da memorizzare (c’è poco spazio)

4.1.2 Byte e Word

Il libro a pagina 74 parte con la discussione del perché si è preferito evitare la BCD (Binary coded decimal, in cui i numeri da 0 a 9 erano codificato da 4 bit), per questioni di efficienza.

La memoria è, in modo spiccio, una serie di cellette numerate, ognuno può contenere qualche informazione.

Nacque nel 1960 circa con IBM 360 nacque la definizione di byte.

Word è una seguenza di byte → unità di dato che non stanno solamente in un singolo indirizzo.

4.1.3 Endianess

Questi termini descrivono l’organizzazione dei bytes all’interno della memoria. A volte è molto conveniente netere i bytes al contrario per facilità di accesso.

4.1.4 RAM

Abbiamo presentato il funzionamento hardware della RAM nel momento in cui abbiamo descritto il funzionamento di Circuiti Sequenziali come LATCH SR, D, DFF.

4.1.5 Paginazione - Caricamento

Una altra funzione della gerarchia di memoria è utilizzare la paginazione, ossia il caricamento di risorse utili nella ram veloce e scaricamento nella memoria secondaria di ciò che non viene utilizzato.

È gestito dal sistema operativo.

Sono dei blocchi di data nella memoria principale che vengono caricati nella memoria principale nel momento del bisogno.

Quindi ci sono proprio degli algoritmi per caricare e scaricare le pagine di memoria dalla memoria principale, gestiti dal sistema operativo.

4.2 Memoria Cache

La cache è una zona di memoria condivisa alle CPU, di facile accesso (meno facile in confronto ai registri, ma comunque veloce) ma senza molto spazio.

È sempre consultata ** prima di andare nella memoria.

Se va a cercare un word in memoria, questa viene messa nella cache dopo essere ritrovata.

Una caratteristica principale della cache è che non è necessario al programmatore sapere che esiste o meno, è solo qualcosa che si interpone in modo TRASPARENTE che può rispondere subito nel caso possieda una certa informazione.

Ma l’idea di tenere una memoria più veloce intermedia per dati più utili del prossimo futuro è una idea che si utilizza anche in altri ambiti (come Disco, accesso messaggi, e simili) e migliora molto la velocità.

4.2.1 Livelli memoria Cache

4.2.2 Principio di località spaziale e temporale

Programmi eseguiti vicini nel tempo sono messi in luoghi in memoria vicini

Si spera di guadagnare tempo in questo modo, così è più facile ritrovare delle informazioni utili quando si eseguono dei comandi vicini nella cache.

Chiaramente se un programma continua a saltare da un indirizzo della memoria a un altro questo principio non ha più senso e la cache servirebbe a poco.

Località spaziale e temporale

Un programma naturale di solito utilizza la cache (un programma potrebbe essere progettato in modo che usi 0 cache, ma sarebbe uno spreco di risorse).

Temporale: la stessa cella viene acceduta a breve distanza di tempo (come Stack)

Spaziale: celle vicine possono essere prese a breve tempo di distanza. (per esempio accedere ad un array, accesso sequenziale che ha un nome suo di località sequenziale)

È molto facile che la cache debba accedere alla stessa risorsa in termini brevi di tempo

Località secondo WIKI

4.2.3 Efficienza della cache

La velocità d’accesso alla cache è di granlunga minore rispetto a quello della memoria, di solito il tempo speso per memorizzare qualcosa qui viene sempre recuperato.

Usiamo un pò di matematica ora per descrivere questa cosa un pochino più rigorosamente:

$c << m$ con $c$ il tempo per accedere alla cache e $m$ il tempo per accedere alla memoria.

Allora si ha che il tempo medio per accedere alle informazioni, tenendo $h$ come hit rate è di:

$$ hc + (1 - h)(c + m) = c + (1-h)m $$

4.2.4 Cache ad accesso diretto

Linee di cache, vanno k mod n, ogni linea di cache di dimensione m. ok? È una cosa temporale, a seconda di cosa ci sia ora.

Data: è effettivamente il data che sto prendendo n è il numero di linee di cache (che decide quanto grande sia la cache). Tag serve per sapere quale blocco sto utilizzando (quindi se 0-31 oppure 65536 e simili) Valid se è un blocco valido, se è 0 vuol dire che non è roba interessante.

• Esempio di query cache Teniamo 5 bit per l’indicizzazione dentro i 32 bit di data. 11 bit per sapere quale linea di cache utilizzare 16 bit per confrontare con il tag e vedere se è giusto oppure no. Così riesco a trovare in modo univoco la linea di cache che mi serve.

4.2.5 Cache hit and miss

Si dice che si ha un cache hit oppure cache miss a seconda del caso in cui la cache è riuscita a dare la richiesta oppure meno.

Miss

1. Riportare la cache in memoria centrale in quanto potrebbe essere modificata ora, è un aggiornamento della roba nella memoria centrale
2. Caricare la nuova memoria.

Se però si tenta di accedere alla cache allo stesso momento, si possono esserci data race e quindi bisognerebbe bloccare l’accesso all’inizio

Se vuoi approfondire su algoritmi per la gestione della cache:

https://en.wikipedia.org/wiki/Cache-oblivious_algorithm

e altro ancora

4.3 Memoria secondaria

Storicamente le velocità delle CPU si sono sviluppate molto più velocemente rispetto alle memorie secondarie.

4.3.1 Hard Disk (4)

I dischi magnetici oppure Hard disk sono generalmente in tre parti:

• Settore è il nome di una traccia specifica di memoria di dimensione fissata.
• Traccia è una sequenza di bit circolari
• Testina che magnetizza e modifica il contenuto nel disco.
• Controllore Disco .

Ogni settore comincia con un preamble che dovrebbe aiutare a diminuire gli errori di lettura.

Per dare un senso, circa in un centimetro di Hard Disk ci possono stare parecchi giga di informazioni.

I dati posso essere messi in due modi:

• Stessa densità per angolo (più rientri più hai i dati in modo compatto)
• Diverso numero di settori (la parte esterna del disco contiene più settori)

Processo di recupero di dati:

1. La CPU dice di andare a recuperare un blocco in un certo indirizzo di memoria
2. La testina gira e va fisicamente a recuperare la zona di memoria

4.3.2 SSD

SSD or Solid State drive non hanno nessuna parte che si muove quindi sono meno soliti a rompersi meccanicamente, tutto elettronico.

Storicamente sono state utilizzate per portatili per resistenza ad urti, ma poi si possono utilizzare anche per altro data la loro velocità (per minore spazio).

4.4 RAID

https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_RAID_levels

Redundant array of indipendend disks (originariamente inexpensive, per contrapporla a Single Large Expensive Disk ossia SLED, ma poi hanno scoperto che anche RAID costa, LMAO.

4.4.1 Vantaggi generali

Redundant Array of Inexpensive Disks.

• Ridurre il gap di efficienza fra CPU e HD
• Utilizzo di più dischi in contemporanea + lettura di dati
• Facilità di correttezza di dati e verifica errori

4.4.2 6 Tipologie di RAID

Diminuire di 1 l’intera lista, perché RAID va da 0

Non redundant data striping (C’è solo una copia di dati nel disco) Velocità, no info retrieval

Redundant, c’è una copia esatta dei RAID e sono entrambi striped

C’è bisogno di una grande sincronizzazione in quanto i dati sono divisi fra i dischi a livello bit.

1. Possono avere solamente una richiesta, a differenza di RAID 1 che può gestirne tanti

Unico raid mai utilizzato, però introduce Hamming per la corrrezione!

Uguale al terzo ma c’è un bit di parità per controllo errori invece che codice hamming, spesso bit di parità è bastato.

1. Solo una richiesta

https//en.wikipedia.org/wiki/Parity_bit disk with each color representing the group of blocks in the respective parity block (a stripe)](Memoria%20f3746a630031414b935cca93dd06f1ad/Untitled%2010.png)

A RAID 4 setup with dedicated parity disk with each color representing the group of blocks in the respective parity block (a stripe)

Ritornano gli stripe, ma stavolta un intero disco è utilizzato per verificare che la scrittura è stata corretta,

1. è brutto se vogliamo scriverci

Anche questo utilizzato poco Diagram of a RAID 3 setup of six-byte blocks and two parity bytes, shown are two blocks of data in different colors.

Risolve una lentezza del punto 5 distribuendo le sezioni di controllo sui vari dischi.

https//en.wikipedia.org/wiki/Parity_bit block (a stripe). This diagram shows Left Asynchronous layout](Memoria%20f3746a630031414b935cca93dd06f1ad/Untitled%2012.png)

RAID 5 layout with each color representing the group of data blocks and associated parity block (a stripe). This diagram shows Left Asynchronous layout

Non so quale sia la differenza con il 5, per saperlo vai a leggere i raid su Devices OS. In pratica fault tolerance maggiore.

4.5 Errori

Controllare come sono causati gli errori E tipologie di errori

Questa parte è scritta molto meglio in Rappresentazione delle informazioni

dove si parla di hamming distance e correzione errori.

4.5.1 Cause degli errori

Gli errori possono essere causati da:

• Raggi cosmici provenienti dal sole
• Vibrazioni fisiche

Esistono codici per correggere gli errori, puoi trovare più informazioni qui: Rappresentazione delle informazioni

4.6 Altri dispositivi

4.6.1 Dischi ottici

Un laser va a leggere i pattern di Pit-land e Land-pit, pit-pit presenti sul compact disk.

I dischi sono sostanzialmente uguali per quanto riguarda l’encoding di 1 e 0 ma sono diversi per quanto riguarda il materiale impiegato, il raggio impiegato **lo spazio presente fra le varie linee di informazioni (la compattezza dei bit) e simili.

4.6.2 Output-Input

Per gestire tutti i pixel c’è la necessità di avere architetture molto complicate, circa devono fare update di milioni di pixel in decimi di secondo (altrimenti l’occhio capisce che c’è la distanza)

• Core complessi per la gestione di di milioni di Pixel.
• Linguaggi di programmazione specifici perché più efficienti della CPU per programmi non grafici e.g. Cuda-C.

4.6.3 Bus per dispositivi

sono legati tramite BUS, collegamenti elettrici.

• BUS di dati
• BUS di indirizzi

I bus trasportano piccole quantità di informazioni. Si possono dividere in sotto-bus.

I bus si sono evoluti nel tempo, partendo da standard ISA (industry standard architetture) sono state creati moderni bus molto più veloci PCI, PCIe e simili.

Collegamento con memoria e CPU

• Controller collega gli attacchi ai dispositivi ai Bus che si collegano all’unità di controllo. (la scrittura sul bus è controllata dalla CPU)
• Altri dispositivi parlano direttamente alla memoria DMA mandano e ricevono degli interrupt. (se non usasse interrupt altra soluzione sarebbe continuamente inviare delle richieste per chiedere se sta ancora andando o meno)

Direct Memory Access

Di questo ne parliamo un pò meglio, anche se alla fine è lo stesso concetto in Note sull’architettura

Per saperne di più su interrupt e trap

Sarebbe molto inefficiente leggere e inviare continuamente, quindi mettiamo un trasferimento RAM → Disco senza passare dalla CPU. Quando finisce il trasferimento il dispositivo invia un Interrupt che viene gestito subito dalla CPU interrompendo il processo corrente, iniziando un interrupt handler che gestisca eventuali errori del dispositivo e informa il sistema operativo che è finito il processo di I/O. l processo corrente, iniziando un interrupt handler che gestisca eventuali errori del dispositivo e informa il sistema operativo che è finito il processo di I/O.