Memorizzazione delle informazioni

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1 Memorizzazione delle informazioni

2 Parte 1 Definizioni

3 Linguaggio binario Gli odierni calcolatori digitali (o elaboratori, o computer) operano in linguaggio binario Un linguaggio binario è composto da simboli elementari appartenenti a un alfabeto di cardinalità 2 Il linguaggio binario viene utilizzato per memorizzare internamente le informazioni, elaborarle e scambiare dati con l ambiente esterno

4 Il bit Bit è la contrazione di binary digit (cifra binaria) Il bit rappresenta l unità informativa atomica Convenzionalmente, si fanno corrispondere i due valori ammessi per il bit con 0 e 1

5 Perché un linguaggio binario Esempio numerico In base 10, sono ammesse le cifre 0, 1,..., 9 In base 2, sono ammesse le cifre 0,1 Con due cifre (locazioni di memoria): 100 combinazioni differenti in base 10 [00, 01,, 99] 4 combinazioni differenti in base 2 [00, 01, 10, 11] Apparentemente è uno spreco di risorse, però [continua]

6 Vantaggi della rappresentazione binaria Dovendo rappresentare solo due valori contrapposti: è più facile distinguerli, supportando un buon grado di tolleranza; si possono sfruttare fenomeni fisici eterogenei che corrispondono a una logica sì/no (polarizzazione magnetica, riflessione o non riflessione, livello alto o basso di tensione, presenza o meno di un foro nella scheda perforata, ); si possono applicare gli studi nel campo dell algebra di Boole e della logica binaria.

7 Misurazione della capacità Per motivi storici e di praticità, sono stati introdotti i raggruppamenti di bit in byte e i multipli del byte 8 bit = 1 byte 1024 byte = 1 kilobyte (KB) 1024 kilobyte = 1 megabyte (MB) 1024 megabyte = 1 gigabyte (GB) 1024 gigabyte = 1 terabyte (TB) 1024 terabyte = 1 petabyte (PB)

8 Osservazioni Nell indicazione contratta delle unità di misura, B sta per byte e b sta per bit. Per evitare ambiguità, spesso si adotta una forma semicontratta (Kbit, Mbyte, ) I multipli del byte sono legati tra loro da un fattore molto prossimo a 10 3 = 1000, ma in realtà pari a 2 10 = Su numeri grandi, la differenza tra valore reale e valore approssimato è notevole.

9 Esercizi A quanti bit corrisponde 1 TB? 1 TB = 1024 GB = = 1024*1024 MB = = 1024*1024*1024 KB = = 1024*1024*1024*1024 byte = = 1024*1024*1024*1024*8 bit Che errore si commette nel valutare 650 GB approssimando 210 con 103 ed esprimendo il risultato in byte? E = V esatto V arrotondato = = ( ) byte = = byte

10 Ambiguità dei prefissi In altri ambiti, gli stessi prefissi kilo, mega e giga indicano potenze di 10. Ad es., 1 chilometro = 1000 metri; 1 megahertz = hertz Proposta: Prefisso kibi- (Ki) per 2 10 Prefisso mebi- (Mi) per 2 20 Prefisso gibi- (Gi) per 2 30 Valenza della proposta soprattutto teorica!

11 Informazioni e formati Le informazioni all interno di un calcolatore sono rappresentate come stringhe di bit. La stessa stringa di bit può rappresentare il carattere di un testo, un numero, una porzione di immagine, Il formato di rappresentazione può disambiguare il contenuto sotteso da una determinata stringa di bit.

12 Esercizi Sapendo che una canzone ha durata media 3' 34'' e viene compressa in formato MP3 a 128 Kbit/s (1K = 10 3 ), si determini quante canzoni possono trovare posto su un supporto CD-ROM di dimensione pari a 800 MB (1M = 2 20 ). Risposta: la singola canzone occupa mediamente 3.27 MB, dunque un CD-ROM da 800 MB può contenere circa 244 canzoni. Sapendo che una canzone ha durata media 3' 46'' e viene compressa in formato MP3 a 320 Kbit/s (1K = 10 3 ), si determini quante canzoni possono trovare posto su un supporto CD-ROM di dimensione pari a 650 MB (1M = 2 20 ). Risposta: la singola canzone occupa mediamente 8.62 MB, dunque un CD-ROM da 650 MB può contenere circa 75 canzoni.

13 Parte 2 Memorie e memoria principale

14 Elaboratore e memorie Modellazione schematica delle memorie in un elaboratore Operazioni di lettura e scrittura CPU Memoria principale Memoria secondaria, di massa Il processore (CPU, Central Processing Unit) è il dispositivo in cui vengono effettuati i calcoli sui dati, caricati dalla memoria principale. I risultati vengono poi posti nella memoria principale stessa.

15 Gerarchie di memoria All interno di un elaboratore, esiste una gerarchia piramidale di memorie

16 Memoria principale Usata per archiviare temporaneamente i dati su cui opera il processore. Costituita da un gran numero di circuiti, ciascuno in grado di memorizzare un singolo bit. Organizzata in celle, di dimensione tipica pari a 8 bit. Quanto è capace? Dipende: da poche centinaia di celle (elettrodomestici) a molti miliardi (grandi impianti di elaborazione dati).

17 Organizzazione in celle Rappresentazione grafica della memoria Nella realtà, è più simile a una lunga sequenza di 0 e

18 Organizzazione in celle Ordine alto (bit più significativo) e ordine basso (bit meno significativo) in una cella Denominazione univoca della cella: indirizzo si crea anche un ordinamento tra celle

19 Operazioni sulla memoria principale Lettura: recupero dei dati dalle celle di memoria Scrittura: archiviazione dei dati nelle celle di memoria Ogni cella è dotata di un suo indirizzo, quindi è possibile accedervi in lettura/scrittura singolarmente, e in qualsiasi ordine. Per questo motivo, la memoria principale è detta anche RAM (Random Access Memory, memoria ad accesso casuale).

20 Tecnologie usate nelle RAM Flip-flop (combinazioni di porte logiche) Tecnologie basate su piccole cariche elettriche che si dissipano rapidamente, e che quindi richiedono aggiornamenti frequenti (refresh) > DRAM (Dynamic RAM, memoria dinamica)

21 Parte 3 Memoria secondaria

22 Supporti I supporti digitali sono i dispositivi atti a contenere informazioni nella loro rappresentazione binaria. Esistono varie famiglie di supporti. Da un punto di vista tecnologico, si distinguono in: Supporti magnetici (es. dischi, nastri) Supporti ottici (es. CD, DVD) Altro (es. memorie flash, schede perforate, ) Dispostivi on-line: informazioni subito a disposizione Dispositivi off-line: l apparecchio deve essere attivato, o supporto deve essere inserito.

23 Supporti magnetici Esempi: floppy disk, hard disk, nastro Sono sempre riscrivibili (accessibili in lettura e in scrittura tramite testine) Sono rimovibili o fissi, ma in generale facilmente trasportabili Hanno capacità molto variabili Hanno costo al MB variabile Hanno tempi di accesso molto variabili (casuale o sequenziale) Danno buone garanzie di preservazione dell informazione

24 Il disco magnetico Le testine di lettura e scrittura sono poste sopra e sotto il disco, vincolate a un braccio. Mentre il disco gira, le testine disegnano una circonferenza detta traccia. Riposizionando le testine in senso radiale, si accede ad altre tracce. Spesso i sistemi di memorizzazione sono costituiti da più dischi montati su perno comune: l insieme delle tracce forma un cilindro. Ogni traccia è divisa in archi detti settori, e ogni settore contiene lo stesso numero di bit. I bit di un settore sono memorizzati in modo più compatto se il settore appartiene a una traccia vicina al centro. In alternativa, la tecnica di registrazione dei bit a zona mantiene un uguale numero di settori all interno di ciascuna zona, fatta da un insieme di tracce. Ogni zona ha più settori per traccia rispetto alla zona immediatamente più interna.

25 Anatomia di un dischetto (floppy disk)

26 Anatomia di un disco rigido (hard disk)

27 Esercizi Si consideri un disco magnetico con le seguenti caratteristiche: byte per settore; - 16 settori per traccia; cilindri; - 6 piatti (2 facce per piatto). Si calcoli la dimensione del disco in MB (1M = 2 20 ). Risposta: 48 MB Si consideri un disco magnetico con le seguenti caratteristiche: byte per settore; - 32 settori per traccia; - 10 piatti (2 facce per piatto); - capacità 16 MB (1 MB = 2 20 byte). Si calcoli il numero di cilindri del disco (ogni piatto presenta 2 facce). Risposta: il disco contiene 204 cilindri

28 Prestazioni di un sistema a dischi Tempo di posizionamento: tempo necessario per spostare le testine di lettura/scrittura da una traccia a un altra Tempo di latenza, detto anche ritardo di rotazione: metà del tempo necessario al disco per eseguire una rotazione completa (pari al tempo medio perché i dati richiesti giungano sotto la testina di lettura/scrittura) Tempo di accesso = tempo di posizionamento + tempo di latenza Velocità di trasferimento: velocità con cui i dati possono essere trasferiti su disco o da disco

29 Esercizi Si consideri un hard disk con le seguenti caratteristiche: tempo di posizionamento t pos = 8 ms; numero di rotazioni al minuto r min = rpm (revolutions per minute); frequenza di trasferimento = 16 MB/s (1M = 2 20 ). Si calcoli il tempo totale per il trasferimento di 32 KB di dati (1K = 2 10 ). Risposta: ms Si consideri un hard disk con le seguenti caratteristiche: tempo di posizionamento t pos = 6 ms; numero di rotazioni al minuto r min = 5400 rpm; frequenza di trasferimento = 8 MB/s (1 M = 2 20 ). Si calcoli il tempo totale per il trasferimento di 16 KB di dati (1K = 2 10 ). Risposta: ms

30 Supporti ottici Esempi: CD, DVD, Blu-ray Sono sempre accessibili in lettura, talvolta sono riscrivibili (tecnologia laser) Sono rimovibili e facilmente trasportabili Hanno capacità dell ordine di centinaia di MB, fino a 200 GB Hanno costo al MB molto contenuto Hanno tempi di accesso lunghi (accesso sequenziale) Danno garanzie non comprovate di preservazione dell informazione

31 Codifica dei bit su CD

32 Alcune curiosità Perché le tecnologie magnetiche a disco scrivono i dati in tracce circolari mentre le memorie ottiche in tracce a spirale? Perché il CD-DA ha originariamente capacità di 650 MB (74 minuti di musica)? Perché di parla più propriamente di hard/floppy disk e di compact/digital versatile disc?

33 Memorie flash Esempi: memory card Sono sempre accessibili in lettura e scrittura (circuiti elettronici) Sono rimovibili e facilmente trasportabili Hanno capacità dell ordine di centinaia di MB, fino a qualche GB Hanno costo al MB contenuto Hanno tempi di accesso molto brevi Non ammettono frequenti sovrascritture

34 Esempio memorie magnetiche vs flash Disco fisso magnetico Memorie flash

35 Parte 4 Archiviazione delle informazioni

36 al Megabyte Fonte: nierle.it 14/10/2009 DVD-R 4,7 GB TDK 16x (campana di 100 pezzi): CD-R 80 min./700 MB TDK 52x (campana di 100 pezzi): Dischetti Verbatim DSHD 1,44MB (confezione 10 pezzi): Hitachi 3,5 S-ATA II Disco Rigido (HDP7250GLA360) GB, 7200 RPM, 16 MB Cache: 59.99

37 Quanto si conserva un supporto? Supporti magnetici Qualità dei materiali Recupero delle informazioni Supporti ottici Processi di invecchiamento simulato Tecniche di scrittura (masterizzazione professionale e domestica) Stress chimici (materiali) e meccanici

38 Con il digitale si tramanda? 1. Media usati Conservazione, durata, Apparecchiature per la lettura Filiera produttiva della tecnologia Esempi: DCC vs Minidisc, console, lettori floppy, 3. Formati Bit leggibili, ma non decifrabili Formati proprietari, desueti, DRM e sistemi anti-copia

39 Case study: Teatro alla Scala Archivi tradizionali (supporti cartacei, nastri magnetici, stoffe, ) Oggetti digitali derivano da: Produzione diretta Campagne di digitalizzazione e catalogazione Supporti magnetici per gli oggetti digitali di bassa qualità Supporti ottici per gli oggetti digitali di alta qualità

40 Case study: Archivio Storico Ricordi Archivi tradizionali (supporti cartacei) Oggetti digitali derivano da Campagne di digitalizzazione e catalogazione Supporti magnetici per gli oggetti digitali di bassa, media e alta qualità Produzione espressa di supporti ottici