1.4e: MEMORIA DI MASSA

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1 1.4e: MEMORIA DI MASSA

2 2 30 nov 2011 Bibliografia Curtin, Foley, Sen, Morin Informatica di base, Mc Graw Hill Ediz. Fino alla III : cap. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 IV ediz.: cap. 4.1, 15.1, 4.2, 4.3, 15.2, 4.4, 4.5, 4.6 Questi lucidi

3 Come Vengono Memorizzati i Dati

4 4 30 nov 2011 Tipi di Memorie Esistono tre tipi di memoria: La memoria interna al processore (cache e registri) che serve per velocizzare l elaborazione (cache) e porgere i dati al processore e memorizzarne le risposte (registri) la memoria centrale (memoria principale o di lavoro), utilizzata per memorizzare i programmi in esecuzione e i relativi dati la memoria di massa (memoria secondaria o archivio), utilizzata per memorizzare in modo perenne grandi quantità di dati

5 Necessità della Memoria di Massa La RAM per quanto grande possa essere, non può contenere tutti i programmi, i documenti e gli altri files dell utente è una memoria volatile, cioè perde tutti i dati non appena il computer viene spento. E quindi necessario disporre di supporti che consentano di memorizzare grandi quantità di byte e che li conservino anche quando il computer è spento Tali supporti sono le memorie di massa (dette anche ausiliarie, esterne, secondarie)

6 Interazione tra RAM e Memoria di Massa Quando si utilizza un programma per il trattamento di un documento (ad esempio un file di testo) bisogna: Caricare in RAM il documento già esistente e presente su memoria di massa (in alternativa creare un nuovo documento vuoto) Aggiornarlo, apportando tutte le modifiche necessarie, e questo avviene in RAM utilizzando il programma Salvare il documento modificato, cioè memorizzare su memoria di massa (eventualmente differente da quella di origine) il documento modificato.

7 7 30 nov 2011 Componenti di una Memoria di Massa Fisicamente le Memorie di Massa presentano due elementi distinti: Il dispositivo di lettura/scrittura (detto anche drive) Il supporto di memorizzazione vero e proprio (il CD, il FD, ecc ) Scrivere significa copiare dati dalla RAM al supporto Leggere significa copiare dati dal supporto alla RAM

8 3 categorie: Tipi di Memoria di Massa MEMORIE MAGNETICHE MEMORIE OTTICHE MEMORIE ALLO STATO SOLIDO 30 nov 2011

9 Le Caratteristiche della Memoria

10 10 30 nov 2011 Modalità di Accesso ai Dati Accesso Sequenziale: prima di poter leggere una cella, è necessario leggere quelle che la precedono (es. i nastri magnetici). Accesso Diretto: dato l indirizzo di una cella, ne è possibile l accesso immediato (es. la memoria centrale). Accesso misto: con un accesso diretto si accede a un blocco di celle all interno del quale la singola cella viene individuata con ricerca sequenziale (es. i dischi magnetici). Accesso associativo: l accesso a una cella non è guidato dal suo indirizzo ma dal suo contenuto, che viene ricercato in parallelo su più celle (es. le memorie cache)

11 12 30 nov 2011 Velocità di accesso ai dati Tempo di accesso è definito come l intervallo tra il momento in cui una richiesta di accesso viene presentata alla memoria dalla CPU e l istante in cui la memoria termina il proprio compito, rendendo disponibile il dato a leggere. Velocità di trasferimento (transfer rate): è misurata in bit/s o byte/s: corrisponde alla quantità di dati trasferiti nell unità di tempo da o verso la memoria.

12 13 30 nov 2011 Capacità e Rimovibilità (online e offline) Capacità: quanti dati possono essere memorizzati Rimovibilità: alcuni supporti possono essere rimossi (CD, DVD) e fungere da memoria off-line. La memoria on-line è invece quella sempre direttamente disponibile.

13 30 nov 2011 Caratteristiche delle memorie: riepilogo Velocità di accesso: tempo medio necessario perché un dato, residente in un punto casuale della memoria, possa essere reperito (1 msec = 10-3 sec; 1 nsec = 10-9 sec) T accesso a memoria centrale» nsec (nanosecondi) T accesso a dischi fissi» 4-10 msec (millisecondi) 14 Capacità: quanti dati possono essere memorizzati su un unico supporto Capacità Memoria Centrale» alcuni GB (GigaByte) Capacità disco fisso» attualmente alcuni Tbyte (Terabyte)

14 Gli Hard-Disk

15 La Memoria Magnetica I materiali ferromagnetici, quando esposti a un campo magnetico esterno, assumono lo stato di magnetizzazione e «ricordano» tale esperienza, permangono cioè in tale stato anche dopo la scomparsa del campo stesso. I dispositivi ferromagnetici sono memorie di massa il cui supporto di memorizzazione è costituito da una superficie ricoperta da uno strato di materiale ferromagnetico. Una testina, posizionata vicino alla superficie può magnetizzarne piccole aree e rappresentare i dati che rimangono memorizzati

16 17 30 nov 2011 La Memoria Magnetica Una particella magnetica ha due poli, uno negativo e uno positivo. Due particelle magnetiche si attraggono o si respingono se i poli accostati sono di segno opposto o uguale. La superficie di un disco presenta tante piccole particelle magnetiche, messe una accanto all altra, allineate in uno dei due possibili versi (il tipo di allineamento corrisponde al valore del bit da memorizzare)

17 18 30 nov 2011 La Memoria Magnetica

18 19 30 nov 2011 La Memoria Magnetica In fase di scrittura, mentre il disco gira una testina di lettura/scrittura emette piccoli impulsi elettrici. Questi impulsi hanno l effetto di invertire la polarità delle particelle che incontrano sulla superficie del disco. In fase di lettura avviene il processo inverso: le particelle magnetizzate inducono nella testina una corrente elettrica che viene trasmessa come una successione di 0 e di 1.

19 20 La Memoria Magnetica 30 nov 2011

20 21 30 nov 2011 Hard Disk L Hard Disk Magnetico è il tipo più comune di memoria di massa. L'hard disk è stato inventato nel 1956 dall'ibm. Il primo prototipo poteva immagazzinare circa 5 megabyte di dati. Era grande quanto un frigorifero. La denominazione originaria era fixed disk (disco fisso), il termine hard disk (disco rigido) nacque intorno al 1970 per contrapposizione coi neonati floppy disk (dischetti).

21 22 30 nov 2011 Hard Disk Contenitore a chiusura ermetica nel quale trovano posto più piatti con due superfici ciascuno rivestite da uno strato di materiale magnetico che ruotano attorno ad un perno centrale e distanti tra loro di qualche millimetro.

22 23 30 nov 2011 Organizzazione di un Hard Disk I dati sono registrati sulla superficie del disco in centri concentrici, detti tracce e in spicchi di uguale capacità (settori). Tipiche capacità per un settore sono 512, 1024, 2048 e 4096 bytes

23 24 30 nov 2011 Organizzazione di un Hard Disk L insieme di tutte le tracce poste sulla stessa verticale prende il nome di cilindro. Ogni superficie dispone di una propria testina di lettura/scrittura che si muove radialmente e che è posta alla distanza di poche decine di nanometri dalla superficie del disco.

24 Le tolleranze del Disco Fisso Il disco è in continua rotazione Attualmente i valori standard di rotazione sono 4.200, 5.400, 5.600, 7.200, e giri al minuto. Le testine di lettura/scrittura non vengono mai a contatto diretto con la superficie del disco, ma girano su un cuscinetto d aria molto sottile La testina è tenuta sollevata dall'aria mossa dalla rotazione stessa dei dischi Come se un aereo viaggiasse ad altissima velocità a pochi centimetri dal suolo

25 Le tolleranze del Disco Fisso Una piccola particella può far entrare in contatto testina e disco. Un incidente del genere (il disco ha una velocità di quasi 100 Km/h) può provocare danni irreparabili (Crash della testina).

26 I Controller del Disco Fisso Controller è l interfaccia tra dischi e computer centrale. EIDE (o ATA) che può gestire 4 HD /CD /DVD EIDE Ultra ATA 133 Serial ATA (versione attuale: SATA-3 in grado di trasmettere fino a 6 Gigabit/sec) SCSI che può gestire 16 HD /CD /DVD UltraWide Ultra 320

27 Tempo di accesso al disco Tempo necessario, in media, perché un dato, posto in un punto qualsiasi del disco, possa essere reperito. Esso dipende dai seguenti fattori: (tempo di seek) velocità della testina nello spostarsi dalla traccia su cui è attualmente posizionata alla traccia dove risiede il dato. Questo è il fattore più critico poiché si tratta di un movimento meccanico e non di un impulso elettrico (tempo di latenza) tempo da attendere affinché, a causa della rotazione del disco, l'inizio del settore che contiene il dato da reperire arrivi a trovarsi sotto la testina (tempo di trasferimento) tempo necessario per il trasferimento dei dati verso la memoria centrale, solitamente eseguito da un processore dedicato (Direct Memory Access, DMA). Normalmente è l operazione più veloce delle tre. Questo fattore è influenzato dal tipo di controller utilizzato (interfaccia di collegamento tra il disco e la scheda madre)

28 Tempo di latenza Il tempo di latenza dipende unicamente dalla velocità di rotazione del disco maggiore è la velocità di rotazione (espressa in giri al minuto) 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. Si supponga di avere un disco con velocità di rotazione pari a giri al minuto. La sua velocità di latenza sarà, allora: Velocità di rotazione: giri al minuto = /60 giri al secondo = 250 giri al secondo Tempo di rotazione (tempo perchè il disco effettui un giro intero) = 1/250= secondi (4 ms) Velocità di latenza: ½ Tempo di rotazione = 2 ms

29 Tempo di accesso al disco Calcolo del tempo di accesso: T i/o = T seek + (T rotazione / 2) + T trasferimento T seek (15 ms 1 ms) (T seek è il più lungo) Latenza di rotazione (6 ms 2 ms) RPM Velocita di trasferimento (misurata in MByte al secondo) Va ricordato inoltre che la velocità di trasferimento cala in modo proporzionale alla frammentazione del file ricercato Per effettuare il trasferimento dei dati in RAM occorre poi disporre di un area di memoria (buffer) di dimensioni pari al blocco (quantità di dati che viene trasferita con una sola operazione. Spesso corrisponde ad un settore).

30 Memorie RAID Redundand Array of Independent Disk: duplicazione dei dati su più supporti allo scopo di garantirne la sopravvivenza e la continuità nell accesso anche in caso di guasti a singoli dischi. Insieme di dischi a basso costo collegati tra di loro che vengono visti come una o più unità Veloci Economici Proteggono i dati Memorizzandoli più volte su dischi diversi (mirroring) Suddividendo i dati in più parti e memorizzando le varie parti su dischi diversi (sezionamento o striping) Prevengono malfunzionamenti dovuti al guasto di un singolo disco (che può addirittura essere sostituito con il sistema in funzione)

31 Formattazione La formattazione consiste nella preparazione del supporto al suo primo utilizzo. Comporta la cancellazione totale di eventuali dati preesistenti, l individuazione di eventuali blocchi danneggiati che vengono contrassegnati per non essere utilizzati e la predisposizione della struttura logica atta ad archiviare i dati (file system).

32 Formattazione e Partizionamento Formattazione Basso livello che viene fatta direttamente in fabbrica e che divide i dischi in tracce e settori. Viene inoltre creata la tabella dei Bad Blocks. Logica che viene fatta dall utente e predispone la creazione di particolari settori riservanti del disco: Boot sector contiene i comandi di sistema necessari all avviamento del PC. File Table tabella necessaria per la gestione del disco, contiene: nome dei file, dimensioni, data/ora di creazione e aggiornamento, tipo del file, settore iniziale, concatenamenti Partizionamento Una partizione di un disco è una sua suddivisione in una o più zone, ognuna delle quali può contenere ed essere gestita da un differente sistema operativo

33 Bad Blocks Bad Blocks Il software di gestione della periferica (il drive) gestisce la tabella (interna) dei settori danneggiati (Bad Blocks), che sono settori che non possono essere più utilizzati a causa di imperfezioni di superficie. Questa tabella è creata durante la formattazione a basso livello è aggiornata durante le operazioni di formattazione ad alto livello (o a seguito di operazioni di analisi approfondita della superficie del disco)

34 Deframmentazione La deframmentazione, ottimizza le prestazioni del disco riorganizzando in modo più efficiente l utilizzo dei blocchi nel file system.

35 I Dischi Ottici

36 La Memoria Ottica Caratterizzata da supporti rimovibili che, inseriti in un apposito drive (lettore) possono essere letti con una luce laser. La memorizzazione avviene alterando o meno la superficie tramite la luce prodotta da un raggio laser.

37 Scrittura dei dati binari La Memoria Ottica Sulla superficie del disco vengono incisi dei buchi (o scanalature) che rappresentano il bit 1, l assenza della scanalatura (detta intersolco) rappresenta il bit 0 Lettura dei dati binari Il raggio laser in fase di lettura colpisce la superficie del disco, che riflette più o meno luce a seconda che il raggio colpisce un intersolco o una scanalatura. Un dispositivo, il rivelatore fotoelettrico, misura i diversi gradi di rifrazione della luce, che vengono poi trasformati in bit.

38 39 La Memoria Ottica Sul supporto ci sono delle piccole rientranze (pit) tra aree piatte (land). Per leggere le informazioni si usa una luce infrarossa che viene: dispersa sui pit riflessa e rilevata sui land. pit land 17 mag 2012

39 Dischi ottici La struttura di questi dischi è paragonabile a quella dei dischi musicali, infatti i dati sono ordinati lungo un unica traccia a forma di spirale. Storia dei Dischi ottici 1982, CD audio 1985, CD-ROM (Compact-Disk Read-Only Memory) e CD-WORM (WORM: Write Once Read Many) 1996, CD-RW (RW: Read Write), cioè CD riscrivibili più volte. 1997, DVD-ROM 2002 BLU-RAY DISK

40 CD-ROM Sono trasportabili, economici e possono contenere da 650 fino a 800 MB di dati e programmi. I CD-ROM sono di sola lettura mentre CD Scrivibili e i CD-Riscrivibili possono essere anche scritti utilizzando appositi dispositivi chiamati masterizzatori Velocità di trasferimento: Originariamente 150 Kbyte / secondo ( 1x ); Oggi: 12, 16, 24,, 52 volte tanto

41 DVD-Rom DVD (Digital Versatile Disk) Evoluzione del CD-ROM Capacità fino a 17 Gbyte (26 volte quella di un CD) Velocità di trasferimento molto elevata I DVD sono nati come supporto per filmati in alta risoluzione. I DVD non possono essere letti dai lettori CD- ROM, ma richiedono unità apposite, mentre è possibile il contrario.

42 Blu-Ray Disk Il Blu-Ray Disk deriva il nome (raggio blu) dal fatto di essere letto con un laser caratterizzato da una lunghezza d onda di colore blu-violetto. Raggiungendo una capacità di 25GB o %= GB sui supporti dual-layer, consente la distribuzione di materiale audiovisivo ad alta risoluzione.

43 Maggiore Densità 30 nov 2011

44 45 30 nov 2011 Memorie allo stato solido Memoria Flash, dispositivi recenti (Pen Drive USB, ma anche memorie dei cellulari o delle fotocamere digitali) Simile alla RAM Statica Non è volatile Più lenta delle RAM classiche Più veloce delle memorie di massa (non hanno parti mobili come la testina) Facilmente deteriorabili, a causa della modalità di scrittura. ( operazioni di scrittura)

45 Aumentare la Capacità di Memorizzazione

46 Juke Box Mantiene in linea anche centinaia di CD Permette di selezionare e leggere automaticamente dal CD di cui si ha bisogno

47 Nastri e cassette magnetiche Nastri magnetici la memorizzazione avviene attraverso la magnetizzazione della superficie del nastro Sul nastro sono tracciate delle piste orizzontali parallele. Di solito, 9 piste parallele di cui 8 corrispondono ad un byte e la nona è il bit di parità. capacità di memorizzazione di qualche Gb tempi di accesso molto alti possibilità di accedere ai dati in modo solo sequenziale molto usate in passato, attualmente sono utilizzate come unità di backup Cassette a nastro: servono principalmente per fare il back-up dei dati. La loro capacità varia da 120 MB a 35 GB

48 La gestione gerarchica della memoria Criteri per valutare una memoria di massa: Tempo di accesso Costo dei dispositivi Per i dati di uso frequente conviene usare dispositivi più veloci (e più costosi)

49 Il Backup dei Dati

50 BACKUP Copia di salvataggio dei files più importanti. Il valore maggiore di un sistema informatico è quello dei dati che contiene Possono verificarsi incidenti quali Furto dei dischi o dei computer Accesso non autorizzato con conseguente distruzione (deliberata o meno) dei dati Infezione da virus Impatto della testina sul disco (con conseguente distruzione fisica di parte o di tutto il disco) Spesso il supporto di backup è off-site (cioè fisicamente lontano dal computer)

51 BACKUP: supporti di memorizzazione Ad accesso Diretto. Veloci, ma costosi HD FD ad alta capacità (Iomega Zip, LS-120, ) CD-ROM e DVD-ROM Ad accesso Sequenziale. Supporti economicamente più convenienti Nastri Cassette

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