IL CALCOLATORE ELETTRONICO

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1 IL CALCOLATORE ELETTRONICO Indice IL CALCOLATORE ELETTRONICO... 1 Il Calcolatore... 2 Definizione di Calcolatore... 2 Unità del Calcolatore... 2 Unità del Calcolatore... 2 Processore e Memoria... 3 Istruzione e Dato... 3 SCHEMA DI UN MICROPROCESSORE... 4 Processore e Memoria... 4 Collegamento tra Unità - Bus... 5 Memoria Primaria... 5 Memoria Cache e Centrale... 5 Livelli di Astrazione nella Struttura del Calcolatore... 6 Livello di Astrazione... 6 Schema Riassuntivo... 7 Storia del calcolatore... 7 Prima Generazione Seconda Generazione Terza Generazione Quarta Generazione 1975-oggi... 7 Guida ai componenti del computer... 8 Scheda Madre... 8 Standard schede madri Processore o CPU Memoria RAM Le unità di misura : Hard Disk o Disco Fisso Principi fisici di registrazione magnetica Organizzazione fisica della memorizzazione dei dati Struttura di un settore FORMATTAZIONE DI UH HARD DISK Motivi Livelli di formattazione Formattazione ad alto livello Formattazione a basso livello Cosa vuol dire formattare a basso livello e quando si usa? Schede Video Lettore/Masterizzatore Ottico Alimentatore GLOSSARIO... 25

2 Definizione di Calcolatore Il calcolatore elettronico Il Calcolatore Un calcolatore moderno è una macchina elettronica (quanto meno, in modo prevalente); è in grado di eseguire calcoli in modo automatico; prende in ingresso informazioni in formato digitale (o numerico); Elabora le informazioni secondo le regole stabilite da una lista predefinita di istruzioni macchina; Manda in uscita i risultati dell elaborazione, come informazioni in formato digitale; La lista di istruzioni macchina che guida tutto quanto il processo è il programma, e si trova nella memoria. Unità del Calcolatore Unità funzionali fondamentali del calcolatore. Unità del Calcolatore Unità di memoria, per contenere e conservare informazioni (dati e programmi), costituita da: memoria cache (contiene dati e programmi in esecuzione o di frequente accesso); memoria centrale ( contiene dati e programmi in esecuzione) Unità di ingresso-uscita (o di input-output, I/O), per introdurre dati ed emettere risultati, costituita da: una o più unità di solo ingresso (tastiera, mouse, ecc) una o più unità di sola uscita (video, stampante, ecc) una o più unità di ingresso e uscita (touch-screen ) Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 2

3 Processore, per eseguire il programma, costituito da: unità aritmetico-logica (ALU - data path), per eseguire calcoli; unità di controllo (control path), per controllarne l esecuzione; memoria di massa archivio di dati e programmi persistenti; Sistema di collegamento: bus Processore e Memoria Processore e memoria sono i due sistemi fondamentali del calcolatore (e sempre necessariamente presenti); Il processore elabora dati e contiene svariati registri interni, per comunicare con la memoria: si occupa di: prelevare le istruzioni del programma; leggere da memoria i dati da elaborare; contenere i dati in elaborazione; scrivere in memoria i risultati dei calcoli; Istruzione e Dato L elemento di informazione minimo trattato dal calcolatore è la parola (word): (parola: sequenza di bit 0 o 1 (p. es. 8, 16, 32 o 64 bit)) Sia il dato (numero intero, carattere, ecc) sia l istruzione macchina sono codificati in parole, secondo varie rappresentazioni ( o standard). Dati e istruzioni complessi sono codificati mediante sequenze di più parole. Il processore elabora parole e la memoria contiene parole (e anche il sistema di I/O scambia parole). Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 3

4 SCHEMA DI UN MICROPROCESSORE Processore e Memoria Collegamenti tra unità funzionali e alcuni elementi strutturali interni. Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 4

5 Registri del Processore Il calcolatore elettronico Contatore di programma (program counter, PC): punta all istruzione da prelevare ed eseguire; Registro di istruzione (instruction register, IR): contiene l istruzione correntemente in esecuzione (l istruzione è codificata in forma numerica) ; Registri di uso generale o banco di registri (register file, R0 Rn-1): contengono dati (e indirizzi) correntemente in uso; Registro di indirizzo di memoria (memory address register, MAR) e registro dei dati di memoria (memory data register, MDR): servono per leggere e scrivere la memoria Collegamento tra Unità - BusLe unità funzionali fondamentali del calcolatore si scambiano informazioni (istruzioni e dati) mediante un organo di collegamento: il bus. Il bus è un fascio di fili che trasportano bit, cioè informazioni (parole) codificate in forma binaria, come sequenze di bit. Il calcolatore contiene un bus, e spesso più di uno con funzioni più o meno specializzate. Calcolatore strutturato intorno a un solo bus. Memoria Primaria La memoria primaria è destinata a contenere il programma in esecuzione e i dati da elaborare. È formata da memoria cache e centrale, ed entrambe sono sempre memorie elettroniche. La memoria cache, piccola e veloce, contiene la parti attive di programma e i rispettivi dati, ed è strettamente legata al processore. La memoria centrale, più grande e lenta, contiene il resto del programma corrente e dei dati, ed è meno legata al processore. Memoria Cache e Centrale Struttura della memoria e relazione con il processore. Località temporale à Frequenza temporale Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 5

6 Località temporale: quando si fa riferimento a una posizione di memoria, con alta probabilità si farà di nuovo riferimento alla stessa posizione entro breve tempo (caso tipico: ripetuto accesso alle istruzioni del corpo di un ciclo). Località spaziale à indirizzi vicini (dati, vettori ) Località spaziale: quando si fa riferimento a una posizione di memoria, con alta probabilità si farà entro breve tempo riferimento a posizioni vicine (es.: istruzioni in sequenza; dati organizzati in vettori o matrici e a cui si accede sequenzialmente, etc.). Quindi: Probabilità di accesso frequente a generazione semplificata indirizzi Trasferimento di blocchi di memoria da memoria centrale a memoria veloce (cache) Ingresso e Uscita Il calcolatore dispone di un complesso di unità funzionali per scambiare informazioni (dati e anche programmi) con le unità di periferia (o periferiche). Per esempio: tastiera, video, puntatore (mouse), stampante, sensori vari, attuatori vari, ecc. Le interfacce che collegano il calcolatore alle periferiche vanno sotto il nome generico di porte (di ingresso, uscita o entrambe, secondo i casi). Il sistema di ingresso-uscita (I/O) è molto vario, da forme minimali a molto estese. Il microcalcolatore Livelli di Astrazione nella Struttura del Calcolatore Livello di AstrazioneIl calcolatore è una macchina complicata: molte parti fisiche (hardware) e logiche (software) Conviene organizzare la spiegazione per livelli di astrazione( modo per raggruppare ordinatamente le funzioni del calcolatore, separandole e rendendole comprensibili) Ogni livello fornisce determinate funzioni ai livelli superiori, che se ne servono. Alla base i circuiti elettronici, in cima il programma applicativo di interesse. Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 6

7 Schema Riassuntivo Il calcolatore elettronico Storia del calcolatoreprima Generazione Calcolatore monoprocessore (macchina di von Neumann): J. Von Neumann, P. Eckert, J. Maucly (» 1945) Un solo processore, poca memoria, un solo bus, nastro e scheda perforati. Tecnologia della valvola termoionica (tubo a vuoto, vacuum tube). Memoria a linee di ritardo a mercurio (!). Seconda Generazione Uso del transistore (scoperto» 1940): porte logiche a transistori e abbandono della valvola Memoria centrale a nuclei magnetici. Invenzione dei linguaggi di alto livello (primo Fortran, 1956) e dei compilatori. Memoria di massa a tamburo magnetico (fu il precursore del disco magnetico). Terza Generazione Invenzione e uso del circuito integrato: elementi funzionali via via più grandi e potenti integrati su componente singolo; Memoria centrale elettronica e abbandono della tecnologia a nuclei magnetici. Comparsa di memoria cache e virtuale. Si diffonde la programmazione concorrente (multiprogrammazione). Quarta Generazione 1975-oggiProcessore su un solo circuito integrato. Componenti integrati di memoria di capacità molto grande. Diffusione del calcolatore a livello di massa: sistema embedded (processore, memoria e I/O su un chip à SoC / microcontrollore calcolatore personale (PC) e portatile mainframe e server supercalcolatore e reti di calcolatori Costante ampliamento della struttura interna del processore (microarchitettura). Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 7

8 Guida ai componenti del computer Scheda Madre E una delle parti fondamentali del nostro PC in quanto la sua funzione è quella di collegare tra di loro tutti i componenti. Alcuni vengono proprio attaccati fisicamente ad essa grazie a slot ad-hoc oppure tramite slot di espansione, altri vanno a relazionarsi con essa tramite cavi. La scheda madre deve essere, quindi, adatta a ricevere determinati componenti: è perciò vincolante per la struttura del nostro PC, in quanto non possiamo mai inserire un processore di ultima generazione su una scheda madre di 4 anni fa oppure un processore AMD su una scheda madre progettata per processori Intel. Come per il processore così anche per gli altri componenti. Andiamo a vedere cosa possiamo trovare sulla scheda (fate riferimento alla figura): 1. Il Socket della CPU, ovvero lo zoccolo dove viene inserito il microprocessore; 2. Gli slot di memoria, ovvero dove vengono inserite le memorie RAM; 3. Gli slot di espansione, ovvero dove vengono inserite le varie schede aggiuntive, come scheda video, scheda audio, scheda TV, ecc.; 4. Chip Northbridge. È un circuito integrato che permette lo scambio di informazioni tra la CPU, le memorie, gli slot di espansione e gli hard disk; 5. Chip Southbridge. È un circuito integrato che permette lo scambio tra il northbridge (e quindi le periferiche ad esse collegate) ed altre periferiche collegate tramite porte USB, seriali (usata per i vecchi mouse), parallele (usata per le vecchie stampanti), ps/2 (usate per tastiere e mouse) e interfaccia ethernet (ovvero la rete locale); Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 8

9 6. La ROM (Read Only Memory) è una memoria non volatile che contiene tutti i programmi e le istruzioni essenziali che deve eseguire il computer e che permette a questi di avviarsi, e contiene anche il bios(basic input-output system ), non può essere scritta. Esistono quattro tipi di memorie rom: PROM ( Programmable Only Read Memory), può essere scritta una sola volta. EPROM( Erasable Programmable Only Read Memory), può essere scritta una volta e successivamente cancellata esponendola ai raggi ultravioletti. EEPROM ( Electrical Erasable Programmable Only Read Memory), può essere riscritta e cancellata più volte e contiene il BIOS e il firmware. Si può programmare senza essere rimossa. FLASH EPROM, sono simili alle eeprom ma sono più piccole e versatili e si possono trovare nelle macchine fotografiche e nei dispositivi portatili. 7. Formato Scheda. È la dimensione della nostra scheda madre. Ci sono vari formati standard come ATX (Advanced Technology Extended); mini-atx, Micro-ATX, BTX (Balanced Technology Extended). Quella in figura è una scheda madre ATX. Le connessioni di ingresso ed uscita di solito presenti su una scheda madre sono mostrate nella figura seguente. Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 9

10 Standard schede madri Il calcolatore elettronico Processore o CPU E il componente principale del PC. Esso svolge tutti i calcoli necessari ai nostri programmi per poter andare avanti. Andiamo nello specifico così da capire alcune sue caratteristiche e poterlo riconoscere e confrontare. Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 10

11 Ogni ciclo di clock, che possiamo immaginare come il battito del metronomo per i musicisti, il processore svolge una istruzione come ad esempio trovare il risultato di 2+2 (naturalmente lui le svolgerà in codice binario), quindi più alta è la frequenza di clock, ovvero quante volte questo battito viene ripetuto in un secondo, e meglio è. Al momento le frequenze di clock oscillano tra i 2GHz (1 GigaHertz = 1.000MHz) e i 3GHz. Ad oggi, esistono anche dei processori detti multicore, che nello specifico possono essere dual core o quad core. Possiamo immaginare che ad ogni core corrisponde un processore, ciò significa che se abbiamo una CPU dual core essa si comporterà come due processori distinti. Nel caso del quad core è come avere quattro CPU. All interno del nostro processore possiamo trovare generalmente una piccola memoria detta cache o un sistema di esse che ne include più d una di diverso taglio. La Cache è una memoria di piccola capacità ma dispone di un'elevatissima velocità. E' interposta tra la CPU e la memoria centrale, questo posizionamento fa aumentare le prestazioni del computer stesso. In questa memoria vengono trasferiti i dati della memoria centrale richiesti in maggior parte dalla CPU entro un limite di tempo. La Cache aumenta la velocità di elaborazione, perchè molti degli accessi alla memoria centrale vengono sostituiti con accessi alla memoria Cache che, che come è stato detto è molto più rapida. Tradizionalmente sono presenti due livelli indicati con L1 (attualmente tra i 32KB ed i 128KB) ed L2 (attualmente tra i 512KB ed i 12MB). La sua piccola capacità è controbilanciata da un elevata velocità nella lettura e nella memorizzazione dei dati, potendosi interfacciare direttamente con il core del processore senza intermediari. Quindi è messa a disposizione per contenere i dati con maggior probabilità d utilizzo proprio per ridurre i tempi d attesa e quindi velocizzare i calcoli. Il processore poi va ad interfacciarsi con gli altri componenti attraverso il Front Side Bus (FSB). Possiamo immaginarla come una grande porta dalla quale i dati escono ed entrano. Il Bus: si è detto che i dati che provengono dall'esterno devono memorizzarsi nella memoria Ram ed in essa restare fino a quando la CPU compie l elaborazione che li intertessa. Per compiere questo collegamento fisico tra le varie unità funzionali ( per esempio CPU e RAM) è stato realizzato un insieme di linee detto bus. Quindi possiamo dire che il bus è costituito da una serie di collegamenti hardware, uno per bit, su cui viaggiano tutte le informazioni che vengono scambiate tra l unità centrale, la memoria e le unità di input/output. Le sue prestazioni sono misurate in termini di banda dati, ovvero dal numero di informazioni che riesce a scambiare in un determinato intervallo di tempo. A questo valore contribuiscono sia la frequenza di funzionamento che il numero di bit (e dunque di linee elettriche) di cui è composto. Come per il clock della CPU, maggiore è la frequenza ed il numero bit e maggiori sono i dati che il bus riesce a gestire. Attualmente esso oscilla tra gli 800MHz e i 1333MHz. Un altra caratteristica che oggi è da tenere d occhio è la compatibilità della CPU con i sistemi a 64-bit. Tali sistemi hanno notevoli vantaggi rispetto a quelli attualmente utilizzati a 32-bit. Dobbiamo porre, però, attenzione al fatto che, a supporto di una CPU 64-bit compatibile, dobbiamo installare sistema operativo ed applicazioni che riescano ad operare a 64-bit, altrimenti la CPU verrà fatta funzionare a 32-bit. Infine, dando uno sguardo più verso l esterno, il processore va piazzato sulla scheda madre su una piastra chiamata Socket. Quelli più utilizzati oggigiorno sono il 939 e l AM2 per AMD e l LGA775 e 1366 per Intel. Attenzione quindi alla compatibilità tra processore e scheda madre! Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 11

12 Memoria RAM Il calcolatore elettronico è una memoria volatile (i dati sono conservati finché c è una tensione applicata) più piccola del disco fisso ma molto più veloce. Al contrario essa presenta una maggiore capacità della memoria cache ma rispetto a questa è più lenta nelle operazioni di lettura/scrittura. La memoria RAM viene messa a disposizione dei programmi per rendere più veloce la loro elaborazione. Possiamo immaginare il sistema delle memorie come un sistema idraulico nel quale i secchi dalla maggiore capacità hanno rubinetti piccoli mentre quelli dalla minore capacità hanno rubinetti molto grossi. Quelli di maggiore capacità sono quelli posizionati più lontano dalla CPU e viceversa: Le principali caratteristiche da tenere in considerazione per valutare le memorie RAM, sono: Tipologia: senza andare nel dettaglio, le maggiori tipologie ad oggi disponibili in ambito casalingo sono DDR (Double Data Rate), DDR2 e DDR3. Le ultime sono evoluzioni della prima. La differenza maggiormente visibile sta nella piedinatura, la quale cambia per ogni tipologia. Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 12

13 Frequenza: indica le prestazioni delle memorie. Misurata in MHz, essa attualmente varia tra 400MHz (DDR) e 1800MHz (DDR3). Timings: i valori dei timings indicano i tempi necessari alla CPU per poter accedere ad un dato presente in memoria o per poterlo scrivere. Senza entrare nel dettaglio, più elevati sono tali valori, peggiori sono le prestazioni. Dual Channel-Triple Channel Compatibility: attualmente le schede madri permettono una configurazione chiamata Dual Channel che mettendo in parallelo due banchi di memoria RAM permette di raddoppiare la velocità di trasferimento dati dalla RAM al northbridghe. I controller di memoria che la supportano utilizzano due canali a 64 bit che forniscono una larghezza di banda totale di 128 bit per spostare i dati dalla RAM al processore. Perché questo avvenga, i moduli di memoria devono essere installati negli slot di memoria adatti sulla scheda madre, che solitamente sono colorati. Ogni modulo dovrebbe essere identico (in numero di chip e lati utilizzati) al secondo modulo nello slot corrispondente.vengono perciò venduti dei blister di due banchi certificati per l uso in dual channel, in quanto le migliori prestazioni si ottengono quando essi sono praticamente identici. Tra poco vedremo sugli scaffali anche blister da tre banchi per la configurazione Triple Channel. Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 13

14 Le unità di misura : Il computer comprende degli impulsi elettrici, per cui tutti i dati che noi inseriamo (numeri,lettere, segni di interpunzione ecc.) devono essere convertiti in impulsi elettrici affinchè essi possono memorizzarsi sulla memoria del computer; ogni impulso elettrico si definisce Bit (binary digit = cifra binaria). Per far si che si rappresenti un simbolo qualsiasi, il singolo bit non basta, e per questo nell'informatica viene usato un raggruppamento di otto bit: il Byte che corrisponde a una parola composta da otto bit... Multiplo Sigla Valore bit bit 1 valore (0 o 1) byte Byte 8 bit 256 valori kilobyte KB 1024 byte megabyte MB 1024 kbyte gigabyte GB 1024 mbyte terabyte TB 1024 gbyte La quantità di memoria RAM presente in un sistema viene misurata in GB (1 GigaByte = 1.000MegaByte). Nei sistemi a 32-bit il massimo teorico è di 4GB, mentre si sale a ben PetaByte con sistemi da 64-bit. Hard Disk o Disco Fisso L Hard Disk è, solitamente, un dispositivo elettromeccanico con il quale il computer riesce ad immagazzinare e mantenere tutta la mole di dati che vogliamo, che sia musica, video, testo o altro. Vediamo le caratteristiche generali di questi dischi fissi: Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 14

15 1. Capacità di immagazzinamento: misurata solitamente in GB (GigaByte) essa indica la quantità di dati massima che il disco può memorizzare. Attualmente i dischi fissi hanno capienze che si aggirano tra i 160GB e i 1000GB (1 TeraByte = GB). 2. Giri al minuto (RPM): se aprissimo un hard disk, potremmo vedere che al suo interno è composto da una serie di patti che girano molto velocemente. Le prestazioni dipendono anche dal numero di giri che questi piatti effettuano, attualmente tra i e i giri per minuto (RPM) nei soliti sistemi familiari, ma che possono toccare anche i RPM in sistemi video o aziendale. 3. Interfaccia: è il modo con cui il disco fisso comunica con la scheda madre, adottando cavi di tipo diverso. Attualmente esistono interfacce di tipo SATA (Serial ATA) e SATA II (o SATA 150Mb/s e SATA 300Mb/s) in grado di connettersi con un cavo stretto di colore rosso; in precedenza erano molto diffusi gli hard disk di tipo ATA-IDE, relativamente più lenti e in grado di connettersi con un cavo piatto molto più ingombrante. 4. Memoria Cache: come nel processore, essa è una memoria piccola ma molto veloce che viene usata per mantenere i dati più frequentemente utilizzati dai nostri programmi. Si misura in MB ed è solita trovarla negli hard disk in tagli da 8MB, 16MB o 32MB. 5. Formato: i dischi fissi si possono trovare da 2,5, solitamente nei notebook, e da 3,5 nei computer fissi. Da qualche anno si sta lavorando per realizzare dischi fissi interamente elettronici (SSD - Solid state disk), ovvero quelli basati su chip di memoria flash, come le penne USB. Con questo passo in avanti verrebbero eliminati i problemi dovuti alla rottura meccanica degli hard disk, alla rumorosità ed alle prestazioni. Occorre comunque lavorare ancora molto per risolvere problemi di lentezza e di affidabilità dei nuovi dischi. Principi fisici di registrazione magnetica Aumento della capacità nel corso del tempo. La memorizzazione dell'informazione sulla superficie del supporto ferromagnetico consiste sostanzialmente nel trasferimento di un determinato verso alla magnetizzazione di un certo numero di domini di Weiss (Il dominio di Weiss è una piccola area nella struttura cristallina di un Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 15

16 materiale ferromagnetico, i cui grani hanno un'orientazione magnetica). Il numero di domini di Weiss che costituiscono un singolo Bit moltiplicato per la loro estensione superficiale media, rapportato alla superficie di archiviazione disponibile, fornisce la densità d'informazione (bit al pollice quadro). Quindi stipare una maggiore quantità di dati sullo stesso disco richiede la riduzione del numero di domini che concorrono alla definizione di un singolo bit e/o la riduzione dell'area di un singolo dominio magnetico. L'evoluzione continua della tecnologia dei dischi rigidi ci ha portati ormai vicino al limite inferiore tollerabile: quando infatti il numero di domini che definiscono un singolo bit si è avvicinato all'unità e la loro area è dell'ordine di pochi nanometri quadri, l'energia termica del sistema è diventata ormai paragonabile all'energia magnetica ed è sufficiente un tempo brevissimo a far invertire il verso della magnetizzazione del dominio (trattasi di una fluttuazione) e perdere in questo modo l'informazione contenuta. La lettura dell'informazione magnetica in passato veniva affidata a testine induttive, avvolgimenti di rame miniaturizzati in grado di rilevare la variazione del flusso del campo magnetico statico al transitare della testina tra un bit ed il successivo, secondo il principio di induzione magnetica. L'evoluzione che la spintronica (la spintronicaè la scienza che studia i modi per associare lo spin dell elettrone alla codifica binaria. Infatti lo spin dell'elettrone, essendo quantizzato ed avendo due sole configurazioni possibili (diciamo "up" o "down") si presta immediatamente all'implementazione del codice binario) ha portato nelle case di tutti sono state le testine magnetoresistive, basate su un dispositivo, la spin-valve, in grado di variare resistenza al mutare dell'intensità del campo magnetico. Il vantaggio dato da queste testine risiede nella loro sensibilità, migliore rispetto alle vecchie testine induttive, e nella loro dimensione ridottissima, cosa che consente di seguire il passo delle evoluzioni verso il nanometro per quanto riguarda l'area di un singolo bit. Infine, il prossimo futuro vedrà protagoniste della scena le testine di lettura basate sulle magnetic tunneling junction, MTJ. Organizzazione fisica della memorizzazione dei dati Struttura della superficie di un piatto: A) Traccia B) Settore C) Settore di una traccia D) Cluster, insieme di settori contigui I dati sono generalmente memorizzati su disco seguendo uno schema di allocazione fisica ben definito in base al quale si può raggiungere la zona dove leggere/scrivere i dati sul disco. Uno dei più diffusi è il cosiddetto CHS acronimo per il termine inglese Cylinder/Head/Sector (Cilindro/Testina/Settore); in questa Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 16

17 struttura i dati sono memorizzati avendo come indirizzo fisico un numero per ciascuna delle seguenti entità fisiche: Piatto un disco rigido si compone di uno o più dischi paralleli, di cui ogni superficie, detta "piatto" e identificata da un numero univoco, è destinata alla memorizzazione dei dati. Traccia ogni piatto si compone di numerosi anelli concentrici numerati, detti tracce, ciascuna identificata da un numero univoco. Cilindro 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. Settore ogni piatto è suddiviso in settori circolari, ovvero in "spicchi" radiali uguali ciascuno identificato da un numero univoco. Blocco L'insieme di settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti. Testina Su ogni piatto è presente una testina per accedere in scrittura o in lettura ai dati memorizzati sul piatto; la posizione di tale testina è solidale con tutte le altre sugli altri piatti. In altre parole, se una testina è posizionata sopra una traccia, tutte le testine saranno posizionate nel cilindro a cui la traccia appartiene. Questa struttura introduce una geometria fisica del disco che consta in una serie di "coordinate" CHS, esprimibili indicando cilindro, testina, settore. In questo modo è possibile indirizzare univocamente ciascun blocco di dati presente sul disco. Ad esempio, se un disco rigido si compone di 2 dischi (o equivalentemente 4 piatti), cilindri (o equivalentemente tracce per piatto) e 16 settori, e ciascun settore di una traccia ha una capacità di 4096 byte, allora la capacità del disco sarà di byte, ovvero 4 GiB. Il fattore di interleaving è il numero dei settori del disco rigido che si deve saltare per leggere consecutivamente tutti quelli della traccia. Ciò dipende strettamente dalle caratteristiche prestazionali del disco rigido stesso, cioè dalla velocità di rotazione del disco, dal movimento dei seeker con le relative testine e dalla velocità di lettura-scrittura della stessa testina. Tale processo è stato introdotto poiché inizialmente le CPU, che ricevevano e rielaboravano i dati letti, compivano queste azione ad una velocità inferiore della velocità di lettura/scrittura sul disco rigido, quindi, una volta rielaborati i dati provenienti da un settore, la testina si troverebbe già oltre l'inizio del settore successivo. Alternando i settori in modo regolare e leggendoli secondo lo specifico interleaving factor, si velocizzava il disco rigido e il calcolatore. I moderni dischi rigidi non necessitano di interleaving. Struttura di un settore Il settore è l'unità più piccola della formattazione di basso livello che riguarda la struttura fisica del disco rigido (formattazione fisica da non confondere con la formattazione logica che riguarda la creazione delle tabelle di allocazione dei file [FAT] necessarie al sistema operativo per gestire e navigare tra i dati presenti nelle cartelle del disco). Generalmente i settori sono raggruppati dal punto di vista logico in cluster (gruppo) per motivi di efficienza, quindi quando parliamo di cluster ci riferiamo a un gruppo di settori. Si ricordi che un file occupa sempre almeno un cluster. Per accedere a un settore bisogna specificare la superficie (platter), la traccia e il settore stesso. Il settore non è un semplice spazio sul disco memorizzabile, ma è dotato anch'esso di una struttura particolare che linearmente può essere sintetizzata così (la dimensione di un settore è variabile tra 32 byte e 4 KB, solitamente 512 byte): <IRG><SYN,SYN><HEADER><DATI><BCC>. Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 17

18 IRG è InterRecordGap, cioè la parte smagnetizzata della traccia che serve a preannunciare l'inizio del settore (o la sua fine). SYN,SYN sono dei byte noti per il clock di lettura, cioè servono a sincronizzare un clock di lettura attuale, generato dal PLL e dal VCO combinati, con quello originale di scrittura. Al centro sta l'"header", parte del settore dove sono memorizzate le informazioni necessarie alla localizzazione dello stesso settore su tutto il disco rigido, cioè dove in quel momento la testina sta leggendo-scrivendo. DATI (parte di maggiore rilievo) è quella ", cioè dove i dati sono stati impacchettati attraverso record in modo che il rapporto tra dati "utili" e le informazioni sia alto: devono essere maggiori i dati allocati nel settore che le informazioni di allocamento del settore stesso. BCC, block check character. Altra importante parte della struttura di un settore, questa parte del settore è il risultato di una funzione calcolata sul blocco "dati" e il suo scopo è di confermare la corretta lettura delle informazioni, cioè dei dati e di rendere evidente un eventuale errore di lettura. FORMATTAZIONE DI UH HARD DISK In informatica la formattazione è l'operazione tramite la quale si prepara per l'uso un supporto di memorizzazione di massa, come ad esempio un disco fisso, impostando la struttura del file system. L'operazione consiste nel dividere la capacità del disco in una serie di blocchi di uguali dimensioni e fornire una struttura in cui verranno scritte le informazioni che permetteranno l'accesso ai dati desiderati. Motivi Uno dei casi in cui si ricorre alla riformattazione di un disco quando è necessario reinstallare il sistema operativo di un computer a seguito di malfunzionamenti causati da malware o da problemi software che hanno danneggiato il sistema operativo. In questo caso, dopo aver effettuato una copia di backup dei dati si procede alla formattazione onde disporre di una struttura di memorizzazione sicuramente integra sulla quale installare il sistema operativo. Livelli di formattazione Esistono due livelli di formattazione detti formattazione a basso livello e formattazione ad alto livello. Formattazione ad alto livello Consiste nella memorizzazione sul supporto delle strutture del file system ed eventualmente del master boot record (Il master boot record (MBR), nell'architettura dei PC IBM, è il settore di avvio che consiste nei primi 512 byte (mezzo kilobyte) dell'hard disk, che contiene la sequenza di comandi necessaria per l'avvio del sistema operativo). Questa operazione non cancella i file dal disco ma si limita a riscrivere la struttura che ne permette la normale gestione. Ciò fa si che fino a quando i vecchi file non vengono sovrascritti da nuovi file è possibile recuperarne, con appositi programmi, il contenuto. I programmi di formattazione permettono contestualmente di fare un controllo dell'intera superficie del disco per verificare la presenza di eventuali difetti. Questa operazione può richiedere anche molte ore nel caso di un disco rigido di grande capacità ed è superata dalla capacità del firmware (Il firmware è un programma, inteso come sequenza di istruzioni, integrato direttamente in un componente elettronico nel senso più vasto del termine ) degli hard disk di identificare e isolare automaticamente eventuali blocchi difettosi. Analogamente alla reinizializzazione tale operazione rende i dati precedentemente presenti sul disco non più recuperabili Prof. Rotolo Giuseppe Dispense di Tecnologie Informatiche 18