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\section{Memorie a semiconduttore}

\subsection{Definizione di memoria}
Una memoria pu\`o essere definita come un sistema in grado di conservare delle
informazioni come per esempio un Hard-Disk, un libro o un DVD\@. In questo
capitolo sono analizzate solamente alcuni tipi di memoire dette \emph{memorie a
semiconduttore}. In queste forme di memoria l'informazione \`e rappresentata da
un livello di tensione (per esempio lo standard TTL) che come conseguenza
richiede un supporto fisico elettronico.

\subsection{Classificazione delle memorie}
Le memorie digitali possono essere classificate in base a vari criteri quali
\begin{itemize}
    \item Mantenimento dell'informazione senza l'uso di alimentazione: \\
        {\bf Volatili} o {\bf Non volatili}
    \item Tempo di permanenza con l'alimentazione: \\
        {\bf Statiche} o {\bf Dinamiche}
    \item Modalit\`a di accesso: \\
        {\bf Casuale} o {\bf Sequenziale} (o entrambe)
\end{itemize}

\subsection{Unit\`a di misura}
In informatica in molti casi sono pi\`u importanti le potenze di 2 che le
potenze di 10. Perci\`o oltre ai prefissi del sistema internazionale kilo (k)
\(10^3\), mega (M) \(10^6\), giga (G) \(10^9\) sono stati aggiunti dalla commissione
europea IEC i prefissi kibi (Ki) \(2^{10} = 1024^1\), mebi (Mi) \(2^{20} =
1024^2\), gibi (Gi) \(2^{30} = 1024^3\) ecc.

Naturalmente per\`o non essendo uno standard internazionale negli USA la
commissione JEDEC utilizza un sistema differente. Lo standard americano
modifica il significato dei simboli SI quando sono combinati con l'unit\`a Byte
(B). Quindi 1 KB = 1 KiB = \(2^{10}\) Bytes, 1 MB = 1 MiB = \(2^{20}\) Bytes, 1 GB
= 1 GiB = \(2^{30}\) ecc.

\begin{table}[H]
\centering {\def\arraystretch{1.2}
\begin{tabular}{ l l c l c }
\toprule
Valore & Nome IEC & Simbolo IEC & Nome JEDEC & Simbolo JEDEC \\
\midrule
\(2^{10} = 1024^1\) & KibiByte & KiB & KiloByte & KB \\
\(2^{20} = 1024^2\) & MebiByte & MiB & MegaByte & MB \\
\(2^{30} = 1024^3\) & GibiByte & GiB & GigaByte & GB \\
\bottomrule
\end{tabular}}
\caption{Riassunto delle unit\`a di misura}
\end{table}

\subsection{Notazione}
Le memorie vengono normalmente indicate con la seguente notazione.
\[ words~count \times word~size \]
In cui \(word~size\) indica la dimensione della parola, ovvero il numero di bit
utilizzato in uscita, mentre \(words~count\) indica il numero di parole presenti.
Per esempio una memoria da 2 KiB (o 2KB secondo la notazione JEDEC) viene 
indicata come memoria \(2048\times 8\) bit.
\`E anche possibile indicare la dimensione con il numero di bit
contenuti nella memoria. Sempre lo stesso esempio di una memoria da 2 KiB 
si indica quindi con \(16384\) bits oppure 16 K (che con lo standard JEDEC 
corrisponde a \(16 \cdot 1024 = 16384\)).

\subsection{Conversione Decimale \(\leftrightarrow{}\) Esadecimale}
Per rappresentare graficamente le regioni di indirizzabili occupare da una
memoria si utilizza spesso dei diagrammi che rappresentano l'\emph{address
space}. Nell'address space per\`o normalmente si indica gli indirizzi in base
16 azich\`e 10, perci\`o \`e necessario convertire le grandezze di una memoria
indicate in base decimale in esadecimale.

Consideriamo quindi un esempio di una memoria di 4 KiB all'indirizzo {\tt
2000h} di un address space a 16 bit. Per determinare quanto spazio
nell'address space viene occupato si deve trovare il numero di bits e poi
convertirlo in esadecimale.
\[
4~{\rm KiB} = 4 \cdot 1024 \cdot 8 ~{\rm bit} = 16384 ~{\rm bit} = 4000 {\rm h}
\]

\subsection{Read Only Memory ({\tt ROM})}
La memoria ROM \`e un circuito combinatorio che fornisce in uscita una serie di
dati \(Y_0\dotso Y_{m-1}\) in corrispondenza ad una serie di ingressi \(A_0\dotso
A_{n-1}\). Con \(n\) bit in ingresso si possono avere fino a \(2^n\) celle di
dimensione \(m\) in uscita.
In questo tipo di memoria come implica il nome le informazioni vengono
conservate permanentemente nella configurazione del circuito, siccome esse sono
`bruciate' fisicamente nel circuito.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{res/memorie/rom}
    \caption{Funzionamento di una ROM}
\end{figure}

Per ogni indirizzo in \(A\) corrisponde una riga che accende alcuni bit
sull'uscita \(Y\) in base alle connessioni presenti tra le linee dei dati e le
linee delle parole. La connessione pu\`o essere costruita con differenti
metodi, creando quindi differenti tipi di ROM\@. La seguente tabella descrive
brevemente le caratteristiche di ognuna.

\begin{table}[H]
\centering {
\def\arraystretch{1.4}\tabcolsep=6pt
\begin{tabular}{>{\ttfamily}p{.12\textwidth} p{.28\textwidth} p{.5\textwidth}}
\toprule
\rmfamily Acronimo & Nome & Caratteristica \\
\midrule
ROM & Read Only Memory & Programmata in fabbrica \\
PROM & Programmable ROM & Programmabile dall'utente una volta sola, per sempre.
    La programmazione avviene bruciando dei fusibili. \\
EPROM o UVPROM & Erasable PROM & Programmabile pi\`u volte dall'utente. \`E possibile 
    cancellare il contenuto esponendo il chip ai raggi UV per 15 - 20 min. \\
EEPROM o E\textsuperscript{2}PROM & Electronically Erasable PROM & 
    Programmabile pi\`u volte dall'utente, la memoria viene riscritta in pochi
    millisecondi utilizzando dei segnali elettrici. \\
FLASH & & Si controlla il gate di un tipo di transistor CMOS, che resta
            bloccato nella posizione anche in assenza di alimentazione. \\
\bottomrule
\end{tabular}}
\end{table}

% che diamine erano?
% \subsection{Memorie non volatili ({\tt NVRWM})}

\subsection{Random Access Memory ({\tt RAM})}
In una memoria ad accesso casuale, o memoria RAM (Random Access Memory), una
qualsiasi locazione \`e individuata da un numero (indirizzo o address) e
il suo contenuto pu\`o essere letto o modificato in un intervallo di tempo
costante detto \emph{tempo di accesso} \(t_a\).

%% doc: 01c memorie principali.pdf
% TODO: check
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{res/memorie/ram}
    \caption{Metodo per accedere al contenuto di una memoria ad acesso casuale}
\end{figure}

Quando viene richiesta un' operazione di lettura con il segnale {\tt R},
l'indirizzo comanda il multiplexer per passare sull'uscita il dato contenuto
alla locazione richiesta. Nell'operazione di scrittura il segnale {\tt W}
abilita la scrittura del dato presente in ingresso nella cella indicata tramite
il demultiplexer.

La RAM pu\`o essere di tipo \emph{statico} o \emph{dinamico}. Le {\tt SRAM}
(static RAM) sono dei flip-flops, mentre le {\tt DRAM} (dynamic RAM) sono dei
microcondensatori C-MOS nei quali 1 corrisponde al condensatore carico e 0
corrisponde al condensatore scarico.

\paragraph{La RAM dinamica ({\tt DRAM})} avendo un comportamento elettrico
tipico dei condensatori, essa \`e soggetta alla scarica, cio\`e tende a
perdere l'informazione contenuta, perci\`o necessitano di essere ricaricate
regolarmente con della circuiteria che esegue un \emph{refresh}.

\paragraph{La RAM statica ({\tt SRAM})} essendo un FF, \`e in grado di
mantenere le informazioni per un tempo indeterminato affinch\`e ci sia
l'alimentazione. Gli svantaggi delle SRAM rispetto alle DRAM sono il consumo
energetico (potenza dissipata) e la dimensione, che rendono la densit\`a di
bit per unit\`a di area minore. Come vantaggio invece le SRAM tendono ad essere
pi\`u veloci delle DRAM\@.

% \subsection{Indirizzamento sequenziale, 1D e 2D}
