Architettura di un sistema di elaborazione N. 4

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1 Architettura di un sistema di elaborazione N. 4 La memoria secondaria o memoria di massa La memoria secondaria, detta anche di massa, è una memoria di supporto che contiene programmi e dati che possono essere sfruttati solo indirettamente dal processore, visto che l unica memoria con cui il processore è collegato risulta essere quella centrale. Racchiude tutti quei dispositivi che consentono all'utente la memorizzazione in modo permanente, cioè che consentono di contenere dati e programmi in modo stabile (una volta spento il processore i dati non vengono persi). I vari dispositivi di memorizzazione attualmente in uso si differenziano per la quantità di dati memorizzabili, per la loro velocità di fornirli alla memoria interna e per il loro costo per unità di memoria. Le memorie secondarie si dividono in: dischi magnetici, composti da uno o più dischi (i disk pack) ricoperti di materiale ferromagnetico, vengono "letti e scritti" mediante un braccio mobile dotato della "testina di lettura/scrittura". I dati vengono trasferiti ai dischi magnetici tramite un buffer nella memoria centrale ed occupano successive posizioni lungo le tracce. Il tempo di accesso ai dischi magnetici è superiore rispetto a quello della memoria centrale, ma i costi, a parità di quantità di informazione memorizzata, sono decisamente più bassi. Di questa categoria fanno parte ad esempio gli hard disk e i floppy disk (realizzati con materiale plastico flessibile). I dischi ottici, composti da materiale riflettente ricoperto da una sostanza protettiva, dove l'informazione viene registrata realizzando modificazioni della superficie e viene letta mediante un raggio laser che riscontra le irregolarità della superficie riflettente. I dischi ottici sono senza dubbio i supporti di memoria secondaria più diffusi: ne esistono di vari tipi, riscrivibili (cioè una volta scritti possono essere riscritti nuovamente) e non riscrivibili (una volta immagazzinati dei dati sul disco, questo non è più riscrivibile con altri dati). Fanno parte di questa categoria i CD, i CDROM, i DVD e ultimamente i Blu-ray Disc (BD) il supporto ottico proposto dalla Sony agli inizi del 2002 come evoluzione del DVD per la televisione ad alta definizione. Il Blu-ray attualmente offre diverse capacità di archiviazione (23.3, 25, 27 e 50 GB); nel giugno 2010 sono stati annunciati i BDXL, Blu-ray di 3 o 4 strati dalla capacità di 100 e 128 GB. Wikipedia: Grazie all'utilizzo di un laser a luce blu, il supporto Blu-ray riesce a contenere fino a 54 GB di dati, quasi 12 volte di più rispetto a un DVD. Anche se questa capacità sembra enorme, un disco da 25 GB può contenere a malapena 2 ore di filmato ad alta definizione utilizzando il tradizionale codec MPEG-2. Per questo motivo, oltre all'utilizzo dei dischi a doppio strato (oltre 50 GB), è stato previsto l'impiego di codec che permettono di raddoppiare il fattore di compressione senza incidere significativamente sulla qualità video. I nastri magnetici, composti da fettucce di nastri magnetizzabili e gestiti dalle unità a nastro (che dispongono della testina lettura/scrittura), servono per svolgere funzioni di back-up e log (registrazione delle operazioni effettuate in un certo tempo). I nastri magnetici consentono solo un accesso sequenziale ai dati (cioè è necessario leggere tutti i dati precedenti prima di accedere ad un certo dato). Le memory card, costituite da una memoria flash permanente riscrivibile (EAROM) organizzata a blocchi, ovvero un circuito semiconduttore sul quale è possibile immagazzinare dati in forma binaria mantenendoli anche in assenza di alimentazione. Trattandosi di un circuito elettronico, non presentano alcuna parte mobile, ed è per questo motivo piuttosto resistente alle sollecitazioni e agli 1

2 urti, ed inoltre sono estremamente leggere e di piccole dimensioni. Questo tipo di memoria portatile è particolarmente indicato per la trasportabilità, proprio in virtù del fatto che non richiede alimentazione elettrica per mantenere i dati e che occupa poco spazio; è infatti molto usato nelle fotocamere digitali, nei lettori di musica portatili, nei cellulari, nei palmari, nei moderni PC portatili e in molti altri dispositivi che richiedono un'elevata portabilità e una buona capacità di memoria per il salvataggio dei dati. Ne esistono vari tipi: alcuni sono "proprietari", ovvero funzionano solo sui dispositivi elettronici per i quali sono stati progettati (come ad esempio le memory card per le PlayStation), mentre altri sono compatibili con una grande varietà di dispositivi elettronici, rendendo così possibile lo scambio di dati tra di essi. Le schede di memoria sono da considerarsi un'evoluzione dei classici dischetti utilizzati in passato per trasferire dati da un computer all'altro, rispetto ai quali hanno due fondamentali vantaggi: la non influenzabilità da parte dei campi magnetici, e l'enorme capacità di memoria rispetto ai floppy. Anche la più piccola tra le schede oggi in commercio, infatti, con una capacità di appena 128 o 256 MB, può contenere l'equivalente dei dati contenuti rispettivamente in 89 o 178 classici dischetti, con un ingombro notevolmente inferiore. Il disco rigido Il disco rigido o hard disk (anche chiamato disco fisso) è un dispositivo utilizzato per la memorizzazione a lungo termine dei dati in un computer. È costituito fondamentalmente da uno o più dischi in alluminio o vetro, rivestiti di materiale ferromagnetico in rapida rotazione e da due testine per ogni disco (una per lato). La testina è tenuta sollevata dall'aria mossa dalla rotazione stessa dei dischi che può superare i giri al minuto. I dischi rigidi moderni hanno capacità e prestazioni enormemente superiori a quelle dei primi modelli, ma la loro velocità nella lettura e scrittura dei dati, restano comunque di diversi ordini di grandezza, al di sotto delle prestazioni della RAM e della componentistica a stato solido che equipaggia un computer. Per questo motivo, il disco rigido è spesso la causa principale del rallentamento di un computer. Struttura di un disco rigido: Un disco rigido si compone di uno o più dischi paralleli, di cui ogni superficie, detta "piatto", è destinata alla memorizzazione dei dati. Ogni piatto si compone di numerosi anelli concentrici numerati, detti tracce (A). Ogni piatto si suddivide in "spicchi circolari" uguali (B), l intersezione tra una traccia e uno spicchio è detta settore (C). Il settore è la più piccola quantità che il sistema è in grado di leggere, solitamente 512 byte. L insieme di più settori contigui viene detto Cluster (D). I cluster hanno una dimensione che è un multiplo della dimensione di un settore, di solito 16 2

3 KB, 32KB, 64KB e sono la minima quantità che il file system può assegnare a dei dati. Questo significa che se il sistema deve scrivere un file lungo 1 Kb e la dimensione di un singolo cluster è di 4 Kb allora 3 Kb andranno sprecati. I cluster vengono chiamati da Microsoft anche con il nome di Unità di Allocazione. Esiste quindi una differenza tra settore e cluster: il settore è l entità elementare di memorizzazione coinvolta in un processo di lettura e scrittura tra il controller e il Bios, mentre il cluster è l entità elementare di memorizzazione coinvolta in un trasferimento di dati tra il file system e il Bios. (Per velocizzare il trasferimento dei dati tra memoria RAM e memoria di massa si raggruppano i settori in blocchi e cluster. Il vantaggio per il filesystem di effettuare le operazione di scrittura e lettura su queste unità è quello di ridurre il numero di posizionamenti della testina dell' HD). L'insieme di tracce alla stessa distanza dal centro presenti su tutti i dischi è detto cilindro. Corrisponde a tutte le tracce aventi il medesimo numero, ma diverso piatto. L'insieme di settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti è detto blocco. L'insieme di cilindri e settori formano il volume che è usualmente contrassegnato con una lettera, quasi sempre C ma non necessariamente. Un disco può anche essere diviso in zone che vengono gestite separatamente che prendono nome di partizioni. Ad ogni partizione è associato un volume ed i vari volumi vengono designati con lettere successive: C, D, E e via dicendo. I dati sono acceduti sul disco in scrittura o in lettura da una testina. Ogni piatto ha associata una testina, se una testina è posizionata sopra una traccia, tutte le testine saranno posizionate nel cilindro a cui la traccia appartiene. Le caratteristiche principali di un disco rigido moderno sono: la capacità il tempo di accesso la velocità di trasferimento La capacità è la quantità di dati memorizzabili e in genere è espressa in gigabyte (GB). Il tempo di accesso è la variabile più importante nel determinare le prestazioni di un disco rigido. Si tratta del tempo medio necessario perché un dato, residente in punto casuale del disco rigido possa essere reperito. Il tempo impiegato dipende dalla velocità della testina a spostarsi sulla traccia dove risiede il dato e dalla velocità di rotazione del disco, maggiore è la velocità e più breve è il tempo impiegato dal dato a ripassare sotto la testina nel caso questa non fosse arrivata in tempo sul dato, durante la rotazione precedente. (Per un hard disk consumer tale valore è attorno ai 10 millisecondi. Per un hard disk ad alte prestazioni( giri) è di 3 o 4 millisecondi.) 3

4 La velocità di trasferimento è la quantità di dati che il computer è teoricamente in grado di leggere o scrivere sul disco in un determinato tempo (in genere si prende 1 secondo come riferimento). Usare dischi che ruotino più velocemente o incrementare la densità di memorizzazione porta ad un miglioramento diretto della velocità di trasferimento. Con la modalità di trasferimento dei dati direttamente con la memoria tramite il controller DMA senza il passaggio attraverso il microprocessore, i valori di massima efficienza per il DMA sono: 120 nanosecondi per il tempo di accesso e 16,7 MBps per la velocità di trasferimento. Oltre alle tre viste sopra, altre caratteristiche influenzano in misura minore le prestazioni di un disco rigido. Tra queste: il buffer di memoria la velocità dell'interfaccia Il buffer è una piccola memoria cache (in genere di alcuni megabyte) posta a bordo del disco rigido, che ha il compito di memorizzare gli ultimi dati letti o scritti dal disco. Nel caso in cui un programma legga ripetutamente le stesse informazioni, queste possono essere reperite nel buffer invece che sul disco. Essendo il buffer un componente elettronico e non meccanico, la velocità di trasferimento è molto maggiore, nel tempo, la capacità di questa memoria è andata sempre aumentando. L' interfaccia di collegamento tra il disco rigido e la scheda madre (o, più specificatamente, il controller) può influenzare le prestazioni perché specifica la velocità massima alla quale le informazioni possono essere trasferite da o per il disco. La prima interfaccia utilizzata per collegare dischi fissi e la scheda madre è stata l interfaccia IDE. Informazioni tecniche... Esistono due tipologie di dischi che si differenziano per l'attacco a differenti porte di connessione e per la velocità con cui i dati sono trasferiti: SATA e PATA. SATA (Serial Advanced Technology Attachment) è nato circa nel 2000 ed è il più utilizzato attualmente. Sono stati introdotti Hard Disk SATA 2 con un'interfaccia in grado di trasmettere fino a 3 Gigabit/s. Di recente sono stati introdotti Hard Disk SATA 3 con un'interfaccia in grado di trasmettere fino a 6 Gigabit/s. PATA (Parallel Advanced Technology Attachment) è nato negli anni '80 e, a seconda delle specifiche di utilizzo, prende il nome di ATA, IDE o Ultra DMA. 4

5 Caratteristiche di un disco ATA a 30 GB Product Description IBM 07N hard drive - 30 GB - ATA-100 Type Hard drive Portable Form Factor 2.5" x 1/8H - internal Dimensions (WxDxH) 2.8 in x 3.9 in x 0.4 in Weight 3.4 oz Capacity 30 GB Interface Type DMA/ATA-100 (Ultra) Data Transfer Rate 100 MBps Average Seek Time 12 ms Spindle Speed 4200 rpm Cylinders Heads (Physical) 2 Buffer Size 2 MB Compatible Parts Numbers 07N9318, 07N8326, K Interfacce di I/O Le interfacce di ingresso/uscita sono i dispositivi circuitali che consentono il collegamento fisico e logico dell elaboratore con le varie periferiche. Tali unità sono molto diverse fra loro a seconda del dispositivo esterno a cui sono dedicati. Alcune interfacce possono essere intelligenti, dotate cioè di un proprio processore capace di convertire ed elaborare dati e di gestire il colloquio tra il processore principale e la periferica. Tutte le interfacce contengono comunque un registro dati, un registro comandi e informazioni sullo stato della periferica. Il registro dati viene collegato al bus dati e serve a trasferire le informazioni dalla periferica all elaboratore (i caratteri digitati sulla tastiera) e viceversa (i caratteri che compaiono sullo schermo). Il registro comandi è collegato al bus controlli e contiene il comando che la periferica dovrà eseguire; lo stato della periferica viene comunicato o attraverso il bus controlli o tramite linee dedicate (interrupt) ed è relativo alla situazione momentanea del dispositivo (per una stampante, ad esempio, lo stato può essere pronta, occupata oppure in una condizione di errore). Dispositivi di ingresso Le periferiche d ingresso sono quei dispositivi che consentono all elaboratore di acquisire informazioni dal mondo esterno ed in particolare dall operatore che interagisce con la macchina. 5

6 La loro suddivisione è per tipologia di dati da raccogliere; non esistendo un dispositivo che consenta il facile inserimento, ad esempio, sia di testo che di suoni, ogni elaboratore sarà normalmente dotato di più di un dispositivo d ingresso in modo che l utente possa scegliere in ogni momento la periferica più adatta allo scopo contingente. Le principali periferiche d ingresso normalmente usate sono: - Tastiera (inserimento alfanumerico) Le tastiere si differenziano per la disposizione dei tasti (che è legata al paese di utilizzo) e per il numero di tasti di cui dispongono - Mouse (inserimento posizioni) I mouse possono essere dotati di due o tre tasti; la funzionalità di ogni singolo tasto dipende dal programma. Il costo di un mouse è legato alla sua sensibilità e precisione. - Tavoletta grafica (inserimento posizioni) La tavoletta grafica è un rettangolo di materiale elettricamente sensibile in cui possiamo segnalare delle posizioni utilizzando una particolare penna o un dispositivo simile al mouse. Viene utilizzata, ad esempio, per inserire mappe geografiche o per memorizzare nel computer disegni già eseguiti su carta. - Scanner (inserimento immagini) Lo scanner consente di acquisire immagini in bianco e nero o a colori. L acquisizione viene effettuata punto a punto e quindi la memorizzazione richiede un notevole spazio: non è infrequente trovare immagini che occupano decine di MB. - Modem (inserimento dati) Il modem (MOdulatore-DEModulatore) è un dispositivo che consente di trasformare impulsi elettrici provenienti dalla linea telefonica o da altre linee dedicate in dati memorizzabili sul calcolatore. - Microfono (suoni) Un normale microfono può essere collegato, con l ausilio di una speciale scheda detta scheda audio, ad un Personal Computer; si rende così possibile l acquisizione di dati sonori che consentono, ad esempio, di far funzionare il PC tramite comandi vocali. - Fotocamere e telecamere digitale (immagini e filmati) Particolari macchine fotografiche digitali o telecamere possono essere collegate direttamente ad un sistema di elaborazione per acquisire semplici immagini o filmati. Dispositivi di uscita Le periferiche d uscita sono tutti quei dispositivi che consentono di ottenere i risultati delle elaborazioni effettuate dal calcolatore. Analogamente al caso dei dispositivi d ingresso, queste periferiche si suddividono in base al supporto fisico su cui vengono fornite le elaborazioni. I principali dispositivi attualmente in uso sono: - Monitor (visualizzazione) E una periferica fondamentale ed è indispensabile per il funzionamento dell intero calcolatore. Esistono anche particolari monitor detti touch screen che consentono, tramite il tocco di aree particolari della loro superficie, di acquisire informazioni. I parametri fondamentali di un monitor sono la sua dimensione, la sua risoluzione intesa come punti distinti che possono essere attivati sulla superficie e la sua precisione misurata con un indice. Gli schermi LCD che, grazie alle nuove tecnologie, sono in grado di fornire prestazioni migliori con una minore emissione di onde elettromagnetiche e un minore ingombro. - Stampanti (trasferimento su carta) Consentono di trasferire su carta i risultati delle elaborazione per poi poterli utilizzare come strumenti di verifica o di memorizzazione. Esistono essenzialmente tre tipi di stampanti che si distinguono per la loro tecnica di trasferimento su carta: ad impatto: il trasferimento avviene in maniera meccanica premendo un intero carattere od una serie di aghi su di un nastro inchiostrato che, a sua volta, va a contatto con la carta lasciando l immagine desiderata. E un metodo di stampa vecchio ma economico; l inconveniente del rumore prodotto dall impatto è ripagato dal fatto che è l unica tecnologia che consente di ottenere copie multiple simultanee. 6

7 a getto d inchiostro: in questo caso l inchiostro viene sparato attraverso una serie di fori calibrati sulla carta per ottenere le forme desiderate. La definizione è migliore delle stampanti ad impatto ed anche il rumore è ridotto a quello causato dal movimento della carta; per contro il costo per copia è più elevato, non si possono ottenere copie multiple e il funzionamento cessa improvvisamente al termine della cartuccia d inchiostro. Laser: il funzionamento è simile a quello di una fotocopiatrice solo che l immagine da riprodurre viene fornita direttamente dall elaboratore. La qualità di stampa è ottima, ma il costo del dispositivo e della sua manutenzione sono elevati. - Plotter (disegni e grafici) A questo dispositivo è demandato il compito di trasferire su carta immagini e grafici di dimensioni elevate, normalmente per disegno tecnico o meccanico. La tecnologia attuale è quella a getto d inchiostro del tutto simile a quella della stampanti, anche se esistono ancora dei plotter a penna, in cui la macchina simula il funzionamento del braccio umano con più precisione e velocità. - Modem (dati) Lo stesso strumento che consente di acquisire dati dalla linea telefonica può essere utilizzato per lo scopo inverso e cioè per trasformare dati memorizzati nel calcolatore in impulsi elettrici trasmissibili tramite linee dedicate. 7