La memoria, in informatica, è un elemento di un computer o di un suo sottosistema e ha il compito di garantire la persistenza dei dati e\o delle istruzioni dei programmi. Esistono diversi tipi di memoria e la loro realizzazione fisica dà vita ai vari supporti di memorizzazione esistenti.
Caratteristiche Descrizione generale
La memorizzazione di informazioni in memoria e il loro successivo recupero sono funzioni fondamentali nei processi di elaborazione dei dati. La capacità dei supporti di memoria elettronici di immagazzinare grandi quantità di dati in poco spazio e la velocità con cui è possibile prelevare un'informazione fa parte delle motivazioni chiave per lo sviluppo dell'elettronica, portando per esempio alla nascita dei database moderni. È anche possibile inserire ed eliminare programmi da una stessa memoria. Ciò fa sì che un computer possa teoricamente eseguire infiniti programmi nell'arco della sua esistenza, rendendo possibile una macchina di Turing con una memoria di capienza finita.
Una memoria può essere considerata astrattamente come una sequenza finita di celle in cui ogni cella contiene una sequenza finita di bit, normalmente gestiti a gruppi di otto detti byte. Pertanto lo spazio fisico della memoria può essere immaginato come una sequenza di posizioni, ognuna contenente un byte. Ogni posizione è individuata da un preciso indirizzo di memoria, normalmente espresso tramite un numero intero positivo. Ad oggi tra le tecnologie che implementano questo modello astratto, le più diffuse sono la memoria elettronica, la memoria magnetica e la memoria ottica.
Astrazione di von Neumann
L'architettura di von Neumann, che rappresenta il modello semplificato di calcolatore, mostra come vengono impiegate le memorie. Una macchina di Von Neumann è divisa in una parte destinata alle elaborazioni, detta processore, ed una parte destinata alla memorizzazione, detta memoria centrale. La memoria centrale contiene sia i dati su cui il processore opera, sia i programmi che forniscono le istruzioni che il processore deve effettuare.
Operazioni Più in particolare, le operazioni che la CPU può fare sulla memoria di un computer sono fondamentalmente le seguenti: Inizializzazione. È il trattamento che subisce la memoria prima dell'uso normale. Alcuni tipi di memoria (per esempio la RAM elettronica) non hanno bisogno di inizializzazione; per tali memorie, il contenuto iniziale è impredicibile. Per le memorie a sola lettura, l'inizializzazione consiste nella scrittura dei dati effettuata in fase di produzione. Per i dischi magnetici, l'inizializzazione consiste nella scrittura di dati che costituiscono un casellario in cui porre le informazioni utili (la cosiddetta formattazione). Scrittura. È l'operazione di memorizzazione delle informazioni. Un esempio di scrittura è assegnare il byte 123 alla cella di indirizzo 1000. Lettura. È l'operazione di recupero di informazioni memorizzate. Un esempio di lettura è chiedere alla memoria il contenuto della cella di indirizzo 1000. Si accede inoltre alla memoria e ai suoi contenuti ogni qual volta l'Unità di Controllo (Control Unit) del Processore richiede dati utili su cui eseguire un'operazione di elaborazione. Tutto ciò avviene grazie alle procedure di indirizzamento gestite dall'Address Logic, sottosistema del processore.
Per parlare indifferentemente di lettura o di scrittura, si usa il termine accesso. Per esempio, per indicare che una memoria è veloce sia in lettura che in scrittura, si dice che ha un basso tempo di accesso. Mentre l'operazione di cancellazione dei dati in memorie volatili in realtà non esiste in quanto più propriamente si può parlare di sovrascrittura dei dati, é diverso invece il concetto di cancellazione per il caso delle memorie non volatili dove, in base alle tecnologia utilizzata, ogni locazione può necessitare di una sequenza di inizializzazione del settore chiamata più propriamente cancellazione. Le memorie EEPROM ad esempio hanno semplicemente dei tempi lunghi di cancellazione del singolo byte rispetto alla lettura e scrittura, invece per le memorie flash la cancellazione avviene in blocchi di pagine scrivibili chiamati settori; successive letture dei bit dopo una cancellazione si osserva che i dati hanno tutti lo stesso valore, di norma il valore "1" binaro e la scrittura permette di invertire lo stato del bit a "0" binario, ma non da "0" a "1", rendendo necessaria un nuovo ciclo di cancellazione e scrittura. Le periferiche SSD contengono soffisticati controller al fine di ottimizzare i cicli di scrittura e rendere la memoria simile e a un disco rigido, ma non senza complicazioni.
Classificazione La memoria informatica si può classificare secondo vari criteri: ordine di accesso (memorie ad accesso diretto o memorie ad accesso sequenziale); possibilità di scrittura (memorie a lettura-scrittura, memorie scrivibili una sola volta, memorie a sola lettura); velocità di lettura; velocità di scrittura; costo unitario; volatilità; tecnologia (elettronica, magnetica, ottica, magneto-ottica).
Nell'architettura dei calcolatori, si distinguono due tipi di memoria: la memoria primaria, che lavora a più diretto contatto con il processore, costituita fondamentalmente da memoria RAM, memoria ROM, memoria Cache, e la memoria secondaria di cui maggiori rappresentanti sono gli hard disk, ma anche supporti rimovibili come dischi floppy, CD, DVD, nastri magnetici, memorie flash di ogni tipo ed altro ancora.
Le memorie per computer possono usare varie tecnologie che forniscono prestazioni e costi molto variabili. Spesso per le memorie veloci ma dall'alto costo unitario si usa l'espressione "memoria centrale" o "memoria primaria", mentre per le memorie dal basso costo unitario ma lente si usa l'espressione "memoria di massa" o "memoria secondaria".
Per gerarchia Memoria primaria o centrale Collegata alla scheda madre tramite connettori chiamati socket ed alla CPU tramite il BUS di sistema, la memoria primaria, chiamata anche memoria centrale o memoria principale, contiene dati ed istruzioni prelevati dalla memoria di massa in attesa che questi siano a loro volta prelevati ed elaborati dal microprocessore, lavorando dunque in maniera strettamente accoppiata con esso ed essendo quindi assimilabile ad una memoria di transito o appoggio.
Molto spesso si tratta di memoria RAM e memoria cache e nelle moderne architetture dei processori è spesso incorporata nella scheda CPU o direttamente nel chip del processore stesso. È una parte importante del computer in quanto dalle sue dimensioni in termini di capacità di immagazzinamento dipende la quantità massima di dati che possono essere prelevati e di conseguenza elaborati dal processore in condizioni di monotasking e multitasking, ed è quindi considerata a tutti gli effetti un parametro prestazionale del computer stesso. Qualora la memoria primaria venga esaurita molti sistemi di elaborazione moderni sono in grado di implementare il cosiddetto meccanismo della memoria virtuale come estensione provvisoria della memoria primaria. Per realizzare una memoria principale vengono normalmente utilizzate tecnologie a semiconduttore (cioè vengono utilizzati circuiti integrati a base di silicio).
Tale memoria è costituita da numerosissime celle di memoria, dispositivi bistabili, capaci cioè di assumere due stati stabili alternativi attraverso i quali è possibile memorizzare la quantità minima di informazione (1 bit). Le operazioni che possono essere effettuate su questo componente sono due: lettura (load) e scrittura (store). Poiché nella realtà quotidiana le scelte possibili in vari casi sono molte più di due, un bit non è più sufficiente a rappresentarle e pertanto si è pensato di unire più celle di memoria in registri di memoria. Se con un solo bit è possibile ottenere solo due diversi stati, con due celle (2 bit) è possibile rappresentare 22 alternative, con l'associazione di 3 celle (3 bit) 23 alternative, e così via... In particolare, la dimensione del registro più diffusa è quella da 8 bit. L'unione di 8 bit forma infatti 1 byte di memoria, il primo multiplo del bit, il quale può rappresentare fino a 256 possibili combinazioni diverse (28). In un registro di memoria le operazioni di lettura/scrittura avvengono contemporaneamente su tutte le celle facenti parte del registro. In memorie con registri da 1 byte, quindi, vengono lette 8 celle alla volta.
Ogni registro di memoria è denotato da un indirizzo.
L'operazione di lettura Nell'operazione di lettura sulla memoria principale la CPU assume una posizione master rispetto alla memoria che è lo slave. I due componenti sono collegati tra loro dal bus di sistema.
Il processo consiste essenzialmente nella seguente sequenza di operazioni: La CPU trasferisce l'indirizzo del dato da leggere dal Program Counter (PC) al Memory Address Register (MAR); Il MAR invia tale indirizzo alla memoria tramite la linea degli indirizzi del bus di sistema parallelamente al segnale che specifica il tipo di operazione che si sta effettuando (in questo caso, lettura); La memoria preleva il dato contenuto nell'indirizzo specificato dalla CPU e lo invia, tramite la linea dei dati (presente anch'essa sul BUS di sistema), al Memory Data Register (MDR) della CPU.
MAR, PC e MDR sono registri speciali dell'unità centrale della macchina.
L'operazione di scrittura La scrittura consiste principalmente nelle seguenti operazioni: Trasferimento dell'indirizzo che si intende scrivere dalla CPU al MAR e contemporaneamente trasferimento all'MDR del valore che si intende scrivere; Trasferimento del valore dell'MBR (Memory Byte Register) alla cella di memoria il cui indirizzo è presente nel MAR.
La memoria centrale è organizzata come una tabella di celle, ciascuna delle quali è denotata da un indirizzo (celle che contengono una sequenza di bit; ogni bit può rappresentare l'informazione 0 oppure 1 tramite un diverso stato elettrico). Ogni cella ha una dimensione prefissata e gli indirizzi delle celle variano tra 0 e n, dove n è una potenza di 2.
Le operazioni che la memoria può effettuare sono due: lettura (load) e scrittura (store).
Bisogna distinguere tra vari tipi di memorie primarie, a seconda della funzione svolta e delle loro caratteristiche peculiari. Di seguito vengono elencate quelle più importanti.
RAM, l'acronimo per "random access memory", ovvero "memoria ad accesso casuale", è la memoria in cui vengono caricati i dati che devono essere utilizzati dal calcolatore per elaborare. La RAM può essere volatile (si cancella spontaneamente ed ha bisogno di essere aggiornata), statica o tamponata (mantiene l'alimentazione anche a macchina spenta). Il processore identifica le celle della RAM tramite indirizzi preassegnati che ne specificano la posizione: la memoria si presenta, quindi, come un enorme vettore (stringa ordinata di elementi detti byte, ciascuno individuabile con un indirizzo). Il termine "random" evidenzia che non ci sono differenze ad accedere alle varie celle della memoria. Le caratteristiche della RAM vengono ereditate anche da tutte le altre memorie ad accesso casuale (individuabili facilmente dal fatto che contengono RAM alla fine). Sostanzialmente le memorie RAM si suddividono in DRAM (dinamiche), SRAM statiche e che vengono utilizzate per la memoria cache. Cache RAM, una memoria associativa integrata nel processore, che ha la caratteristica di essere molto veloce; dato l'elevato costo, viene utilizzata esclusivamente per contenere i dati e le istruzioni utilizzati più di frequente (in modo da migliorare notevolmente le prestazioni del processore).