Elementi di informatica

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1 Elementi di informatica La memoria di massa La gestione dell I/O Una gerarchia di memoria Ottenuta per generalizzazione dell applicazione del principio di località e tipicamente costituita da 1. registri contenuti nella CPU (qualche KB) 2. cache (da circa 32KB a circa 1024KB) 3. memoria principale (da circa 64MB a qualche GB) 4. dischi fissi (da qualche GB a qualche TB) 5. nastri magnetici e dischi ottici (da qualche GB a qualche TB per ogni supporto) Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il valore dei parametri fondamentali: aumenta il tempo di accesso; aumenta la capacità di memorizzazione; ma diminuisce il costo per bit. 1

2 Una gerarchia di memoria tecnologia magnetica (HD esterni) Supporti esterni tecnologia ottica (CD, DVD) tecnologia elettronica (flash disk) Registri Cache I liv Cache II liv RAM CPU Disco fisso (hard disk) tecnologia magnetica Circuito Integrato (chip) Scheda madre (motherboard) Involucro esterno del calcolatore (case) Caratteristiche dei diversi livelli Livello Capacità Tempo di accesso Transfer rate (GB/s) Registri ~ 1 KB ~0.2ns (1 ciclo di clock) Cache I livello ~ 32 KB ~0.4ns (2/4 cicli di clock) Cache II livello ~ 1/2 MB ~1/2ns (5/10 cicli di clock) ~ 100 Cache III livello Memoria centrale Dischi interni ~ 2/8 MB ~ 2/8 GB > 300 GB ~5ns ~50ns(1ªparola richiesta) ~10ns(parole successive) ~10ms ~ 50 ~ 5/ /0.6 Dischi esterni > 300 GB ~10ms ~

3 I nastri e i dischi magnetici Sono costituiti da un supporto ricoperto da un sottile strato di materiale magnetico le cui condizioni di memorizzazione consentono di memorizzare i dati; Le operazioni di lettura/scrittura sono effettuate tramite una testina che può rilevare ed eventualmente modificare lo stato di magnetizzazione Dischi magnetici Sono piatti d alluminio (o di altro materiale) ricoperti di materiale ferromagnetico. Fattore di forma (diametro) Sempre più piccolo (consente velocità di rotazione maggiori) 3,5 pollici per i sistemi desktop e fino a 1 pollice per i mobili. Testina di un disco (strumento di lettura / scrittura) È sospesa appena sopra la superficie magnetica Scrittura: il passaggio di corrente positiva o negativa attraverso la testina magnetizza la superficie; Lettura: il passaggio sopra un area magnetizzata induce una corrente positiva o negativa nella testina. 3

4 Tracce e settori Traccia (track): sequenza circolare di bit scritta mentre il disco compie una rotazione completa; La larghezza di una traccia dipende dalla dimensione della testina e dall accuratezza con cui la si può posizionare; la densità radiale va da 800 a 2000 tracce per centimetro (5-10 um per traccia); Tra una traccia e l altra c è un piccolo spazio di separazione (gap) Settore (sector): parte di una traccia corrispondente a un settore circolare del disco Un settore contiene 512 byte di dati, preceduti da un preambolo, e seguiti da codice di correzione di errore; La densità lineare è di circa Kbit per cm (0,1 0,2 um per bit) Tra settori consecutivi si trova un piccolo spazio (intersector gap) Formattazione: operazione che predispone tracce e settori per la lettura/scrittura Un 15% circa dello spazio disco si perde tra gap preamboli e codici di correzione degli errori. 4

5 Prestazioni dei dischi Tempo di accesso (ms o10-3 s) Seek time La testina deve arrivare alla traccia giusta; Dipende dalla meccanica (5-15 ms, 1 per tracce adiacenti) Latency Il disco deve ruotare fino a portare il dato nella giusta posizione; Dipende dalla velocità di rotazione ( RPM 2,7-5,4 ms) Transfer rate (MBps) Velocità di trasferimento del disco Dipende dalla velocità di registrazione e dalla densità di registrazione Un settore di 512 byte richiede fra 25 e 100usec (5-10 MB/sec) Hard disk Un tipico hard disk è alloggiato all interno di un disk drive dove si trovano più dischi sovrapposti a distanza di pochi millimetri; Le testine sono posizionate tra un disco e l altro; Un motore viene utilizzato per far ruotare i dischi e tutti gli elementi elettronici necessari per il controllo e le operazioni di lettura scrittura 5

6 Hard disk Alcuni sono equipaggiati con interfacce veloci di ingresso uscita dette SCSI (Small Computer Standard Interface) Floppy disk Funzioni: Distribuzione software su larga scala (avvento dei PC) Archiviazione dati; Struttura analoga a quella di un disco magnetico Il disco si ferma quando non è operativo L avvio della rotazione comporta un ritardo di ½ sec; Caratteristiche tipiche di un floppy da 3,5 Capacità di 1.44 MB Tracce x Settori: 80 x 18 RPM= 300 Velocità di trasferimento di 500Kbps 6

7 Velocità lineare vs. angolare Memorie Flash Funzioni: trasferimento dati (la capacità dei floppy è limitata); archiviazione dati sensibili. Tecnologia elettronica non volatile bassi consumi piccole dimensioni capacità dai 256MB ai 4GB File system come per i dischi Il sistema operativo gestisce l accesso come se fossero dischi; 7

8 La memoria di massa ottica: i dischi Lettura ottica basata sulla riflessione (o sulla mancata riflessione) di un raggio laser. Densità di registrazione più alte dei dischi magnetici. Creati in origine per registrare i programmi televisivi, poi usati come dispositivi di memoria nei calcolatori. Compact Disk - CD 8

9 Lettura di un CD 9

10 CD ReWriteable (CD RW) Digital Versatile Disk (DVD) 10

11 Diversi formati di DVD Nastri magnetici 11

12 Gestione dell I/O Collegamento periferica-calcolatore 12

13 Esigenze A controllo di programma Il processore controlla direttamente le operazioni di I/O. Esegue un ciclo di polling 13

14 A interruzione DMA 14

15 Struttura fisica di un PC 15

16 Terminali Monitor CRT (Cathode Ray Tube) L'immagine sullo schermo viene formata da fosfori, sostanze che emettono luce se colpite da cariche elettriche, opportunamente eccitati da un fascio di elettroni; questo fascio è generato da un apposito cannone posizionato nella parte iniziale del tubo catodico. Il fascio di elettroni colpisce i fosfori del colore voluto grazie all'adozione di apposite griglie in grado di guidare con precisione il fascio stesso sul punto desiderato Un immagine a schermo pieno viene completata 30/60 volte al giorno. Davanti allo schermo c è una griglia che lo divide in punti: quando la griglia ha una carica positiva gli elettroni vengono accelerati e raggiungono lo schermo; quando la griglia ha una carica negativa gli elettroni vengono respinti e il punto sullo schermo rimane spento. 16

17 Monitor CRT (Cathode Ray Tube) Il cannone di elettroni è perfettamente posizionato sull'asse del monitor e quindi in posizione centrale; il fascio è cilindrico e quando impatta sulla griglia dello schermo lo farà con differenti angoli di inclinazione a seconda del punto considerato; questo comporterà un'inevitabile ovalizzazione del fascio man mano che ci spostiamo dai punti centrali a quelli più periferici. L'ovalizzazione comporta una diminuzione nella precisione con cui il fascio di elettroni è in grado di colpire il singolo fosforo di quel determinato colore base (rosso, verde, blu) e questo si traduce in problemi legati alla corretta messa a fuoco delle immagini, nonché alla corretta definizione dei contorni; questi difetti saranno più evidenti quanto maggiore sarà la deviazione del fascio e quindi quanto più esterni saranno i punti dello schermo interessati LCD (Liquid Crystal Display) 17

18 Struttura di un LCD Plasma Lo schermo è come un pannello formato da migliaia di micro-lampadine in grado di accendersi a comando di colore diverso; per creare l'immagine sullo schermo, ogni singolo pixel è costituito da una cella composta da due elettrodi e da un quantitativo di gas neon imprigionato tra loro. Le pareti delle cella sono rivestite di fosforo e quando gli elettrodi inducono un campo elettrico nel gas questo reagisce emettendo energia luminosa che ha la potenza necessaria per eccitare il fosforo colorato e renderlo a sua volta luminescente. Ma con l'utilizzo del gas nasce un problema non secondario: quanto tempo può durare questo gas imprigionato prima che si esaurisca all'interno di queste celle?...oggi si parla di una vita massima di ore, ovvero anni considerando 5 ore al giorno. Gli schermi al plasma sono ancora oggi quanto di meglio si può avere come schermo televisivo perchè sono più luminosi, hanno un contrasto di immagine elevatissimo (si arriva al rapporto :1) e consentono un angolo visuale maggiore rispetto agli LCD. 18

19 Terminali a caratteri Terminali grafici 19

20 Mouse Interazione mouse computer 20

21 Porte Standard Universal Serial Bus USB Definito da un consorzio (Intel,( Compaq, Microsoft, ),, con l intento di sostituire le attuali porte seriali e parallele. Velocità di 12 MBit/sec /sec. Collega fino a 127 periferiche in cascata. Può alimentare direttamente le periferiche a basso consumo (e.g. tastiere e mouse). Completamente Plug and Play (anche per collegamento a caldo ). USB 2.0 (1999) arriva fino a Mbps 480Mbps. 21