Memoria e archiviazione

Con indirizzi a 32 bit un processore può indicare 4 294 967 296 byte, esattamente 4 GiB. Togli la corrente e la RAM dimentica tutto.

«Il mio portatile ha 16 GB di memoria, quindi può contenere 16 GB di foto.» Questa frase confonde due parti diverse, e lo stesso annuncio del portatile mostra perché. Elenca due dimensioni, per esempio 16 GB di memoria e 512 GB di archiviazione. La memoria, o RAM, contiene i programmi e i dati che la CPU sta usando in quel momento. L'archiviazione, un'unità a stato solido (SSD) o un vecchio disco rigido, conserva i tuoi file quando la corrente è spenta. Le foto stanno dalla parte dei 512 GB. I 16 GB sono lo spazio di lavoro dove va una foto mentre la stai modificando.

Perché la RAM dimentica quando manca la corrente

La maggior parte della RAM memorizza ogni bit come una minuscola carica che si disperde se non viene rinfrescata molte volte al secondo, quindi tutto quello che contiene si perde quando manca la corrente. È questo che significa «volatile». L'archiviazione conserva i dati senza corrente. Un SSD intrappola la carica in celle di memoria flash che la mantengono per anni, e un disco rigido registra i bit come punti magnetizzati su piatti che girano. L'archiviazione è molto più grande ed economica per byte, ma molto più lenta da raggiungere, quindi i programmi vengono copiati dall'archiviazione alla RAM prima di essere eseguiti. È questa copia che sta avvenendo mentre un'app dice che sta caricando.

Come la CPU trova un byte tra miliardi

La memoria è una lunga fila di celle, ognuna con un byte, e ogni cella ha un numero chiamato indirizzo, a partire da 0. Per leggere o scrivere, la CPU mette un indirizzo su un gruppo di fili e riceve il byte memorizzato lì. Il numero di bit di indirizzo stabilisce quanta memoria si può raggiungere. Quattro bit di indirizzo, come nel computer giocattolo, danno 2 alla 4 = 16 celle. Sedici bit ne danno 65 536. Trentadue bit danno 4 294 967 296 byte, cioè esattamente 4 GiB, ed è per questo che i vecchi sistemi a 32 bit non potevano usare più di 4 GiB di RAM. I processori a 64 bit di oggi possono indicarne molta di più.

Una cella non ha idea di che cosa significhino i suoi bit. Nel computer giocattolo gli 8 bit 00000100 in una cella di dati sono il numero 4, ma letti come istruzione gli stessi bit significano HALT 4. Decide solo il modo in cui la CPU arriva alla cella, come prossima istruzione o come dato indicato da un'istruzione. Questo deriva direttamente dall'idea di von Neumann di tenere entrambi in un'unica memoria. È anche il motivo per cui un bug che scrive all'indirizzo sbagliato può rovinare un intero programma.

Ogni livello più in basso è più grande e più lento

La memoria veloce costa cara, quindi i computer usano più livelli. I più vicini ai circuiti sono i registri, qualche decina di valori su cui la CPU lavora direttamente, come l'accumulatore del giocattolo. Poi vengono le cache, piccoli blocchi di memoria veloce sullo stesso chip del processore, di solito chiamati L1, L2 e L3, che tengono copie delle parti della RAM usate di recente. Poi la RAM, poi l'SSD o il disco rigido, e oltre ancora la rete. Ogni livello più in basso è più grande e più lento. Un programma è veloce quando quasi tutto ciò che gli serve è già nei livelli alti. Per questo leggere i dati in ordine di solito è più rapido che saltare qua e là.