La memoria 11/10/2007

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1 LA MEMORIA

2 La memoria 30 Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più rapidamente possibile Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati periodi di tempo Diverse esigenze: velocità per il supporto alla CPU non volatilità ed elevate dimensioni per l archivio Diverse tecnologie elettronica: veloce, ma costosa e volatile magnetica e ottica: non volatile ed economica, ma molto lenta

3 Criteri di caratterizzazione di una memoria 31 Velocità tempo di accesso (quanto passa tra una richiesta e la relativa risposta) velocità di trasferimento (quanti byte al secondo si possono trasferire) Volatilità cosa succede quando la memoria non è alimentata? per quanto tempo i dati vi rimangono immagazzinati? Capacità quanti byte può contenere? qual è la dimensione massima? Costo (per bit) Modalità di accesso diretta (o casuale): il tempo di accesso è indipendente dalla posizione sequenziale: il tempo di accesso dipende dalla posizione mista: combinazione dei due casi precedenti associativa: indicato il dato, la memoria risponde indicando l eventuale posizione che il dato occupa in memoria.

4 LA MEMORIA CENTRALE

5 Memoria centrale 33 La memoria è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acceduti i dati e i programmi La memoria centrale (o principale) è la memoria che può essere acceduta direttamente dal processore è costituita da celle (o locazioni) ogni cella può contenere una quantità fissata di memoria (numero di bit), detta parola di memoria

6 Memoria centrale 34 Ogni cella è caratterizzata da un indirizzo, che è un numero che identifica la cella e ne consente l accesso un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella La memoria fornisce le operazioni di: lettura: consultazione del valore di una cella con un dato indirizzo scrittura: modifica del valore di una cella con un dato indirizzo

7 Memoria centrale 35 Le operazioni avvengono sotto il controllo della CPU La CPU seleziona una particolare cella di memoria ponendone l indirizzo nel Registro Indirizzi (MAR) Se il Registro Indirizzi (MAR) è costituito da N bit, si possono indirizzare 2 N celle di memoria, da 0 a 2 N 1 Nei PC attuali il MAR è almeno di 32 bit Operazione di lettura: copia nel Registro Dati (MDR) il contenuto della cella di memoria indirizzata dal Registro Indirizzi (MAR) Operazione di scrittura (store) copia il contenuto del Registro Dati (MDR) nella cella di memoria indirizzata dal Registro Indirizzi (MAR)

8 Struttura di una memoria centrale Introduzione all'informatica 36

9 Caratteristiche delle memorie 37 centrali capacità il numero di bit che possono essere memorizzati, misurati in byte (e multipli del byte) velocità di accesso misura la velocità di esecuzione delle operazioni di lettura/scrittura volatilità indica la capacità di conservare i valori memorizzati in modo permanente o meno

10 Memorie RAM e memorie ROM 38 Le memorie RAM (Random Access Memory) possono essere accedute sia in lettura che in scrittura sono volatili (i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore) sono usate per memorizzare dati e programmi La memorie ROM (Read Only Memory) permettono solo la lettura dei dati sono persistenti (mantengono il suo contenuto anche quando non c è alimentazione) sono usate per memorizzare alcuni programmi di sistema (firmware)

11 Memorie secondarie 39 Memoria secondaria o Memoria di massa memorizza grandi masse di dati i dati memorizzati sopravvivono all esecuzione dei programmi. non può essere acceduta direttamente dalla CPU i dati di una memoria secondaria per essere elaborati dal processore devono passare nella memoria centrale Memoria principale Vs. Memoria secondaria la memoria secondaria memorizza in modo permanente tutti i programmi e i dati del calcolatore la memoria centrale memorizza i programmi in esecuzione e i dati necessari per la loro esecuzione

12 Caratteristiche delle memorie 40 secondarie non volatilità i dati memorizzati non si perdono allo spegnimento del calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica anziché elettronica) grande capacità capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale bassi costi il costo per bit di una memoria secondaria è minore (di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale bassa velocità di accesso tempi di accesso più lunghi (di qualche ordine di grandezza) rispetto a quelli della memoria principale

13 Memoria cache 41 E una memoria particolarmente veloce usata per memorizzare i dati usati più frequentemente La RAM ha tempi di accesso molto alti rispetto alla velocità dei microprocessori e ne ritarda l elaborazione Strategia di utilizzo: la prima volta che il microprocessore carica dei dati dalla memoria centrale, tali dati vengono caricati anche sulla cache le volte successive, i dati possono essere letti dalla cache invece che dalla memoria centrale (più lenta) La RAM non è realizzata con tale tipo di memoria perché si tratta di dispositivi molto costosi! Tipi di memoria cache: cache di I livello: contenuta nel microprocessore cache di II livello: aggiungibile successivamente

14 Gerarchia delle memorie 42 Introduzione all'informatica

15 Caratteristiche delle memorie 43

16 LA MEMORIA DI MASSA (MAGNETICA)

17 Una gerarchia di memoria 45 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.

18 Caratteristiche dei diversi livelli Capacità Velocità (TA) /MByte registri ~1KB ~1ns NA cache KB ~10ns 300 RAM MB ~100ns 2 HD GB ~10ms nastri/c D ~GB per unità ~100ms

19 Dischi magnetici 47 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 Introduzione all'informatica una corrente positiva o negativa nella testina.

20 Tracce e settori 48 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 µm 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 un codice di correzione degli errori; la densità lineare è di circa kbit per cm ( µm 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 in gap, preamboli e codici di correzione degli errori.

21 49 Spazi tra tracce Settore Tracce e settori Tracce Spazi tra record

22 50 Schema di un Hard Disk Superficie 7 Testina di lettura/scrittura (una per superficie) Superficie 6 Superficie 5 Superficie 4 Superficie 3 Superficie 2 Superficie 1 Superficie 0 Direzione del movimento Le tracce in grigio formano un cilindro

23 Prestazioni dei dischi 51 Tempo di acceso (ms o 10-3 s) Seek time (tempo di lettura) 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 posizione giusta; dipende dalla velocità di rotazione ( RPM ms). Transfer Rate (MBps) Velocità di trasferimento del disco dipende dalla densità di registrazione e dalla velocità di rotazione; un settore di 512 byte richiede fra 25 e 100 µsec (5-20 MB/sec).

24 Floppy disk 52 Funzioni: distribuzione software su grande scala (avvento 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 ½sec. 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

25 LA MEMORIA DI MASSA (OTTICA)

26 Dischi ottici 54 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. Diversi tipi/caratteristiche CD-R CD-RW DVD DVD-RAM

27 Compact Disk - CD 55 Proposto nel 1980 [da Philips e Sony] per sostituire i dischi in vinile per la musica. Standard internazionale IS [libro rosso]. diametro di 12 cm, spessore di 1.2 mm con un foro di 15 mm in mezzo; produzione: 1. laser ad alta potenza che brucia fori di 0,8 µm in un disco master (le depressioni si chiamano pit e le aree fra pit si chiamano land); 2. dal master si ricava uno stampo; 3. nello stampo viene iniettata una resina liquida di policarbonato che forma un CD con la stessa sequenza di fori del master, 4. sul policarbonato viene depositato uno strato molto sottile di alluminio riflettente, 5. copertura con uno strato protettivo einfineconun etichetta.

28 Lettura di un CD 56 Un laser a bassa potenza manda una luce infrarossa (lunghezza d onda di 0,78 µm) sul disco. I pit appaiono come cunette su una superficie piatta: un pit è alto circa un quarto della lunghezza d onda del laser, la luce riflessa da un pit è sfasata di mezza lunghezza d onda alla luce riflessa dalla superficie circostante, l interferenza negativa riduce l intensità della luce riflessa. rispetto I passaggi pit/land o land/pit indicano un 1, la loro assenza indica uno 0. Pit e land sono scritti in una spirale unica che compie giri attorno al disco (circa 600 per ogni mm). Velocità lineare costante (120 cm/sec): all interno è di 530 rpm, all esterno deve scendere a 200 rpm; l unità è diversa da quella a velocità angolare costante usata per gli HD; 530 rpm sono molti meni dei 3600/10440 rpm degli HD.

29 Pit e land su un CD 57

30 CD-ROM : Philips e Sony pubblicano il libro giallo, incui viene definito lo standard dei CD-ROM (Compact Disc- Read Only Memory). viene definita la struttura e il formato da utilizzare per memorizzare dati digitali invece che semplice musica. Rispetto ai CD audio i CD-ROM hanno stesse dimensioni; compatibilità dell ottica e della meccanica; stesso processo produttivo; miglior capacità di correggere errori. Il libro verde [1986] aggiunge grafica e possibilità di mischiare audio, video e dati nello stesso settore.

31 Velocità/capacità dei CD-ROM 59 Velocità base (1x) 75 settori/sec, KByte/sec (175.2 in modalità 2). Velocità superiori crescono in proporzione 32x corrisponde a 2400 settori/sec cioè quasi 5MB/sec Capacità 74 minuti di musica = byte = circa 650 MB; 80 minuti di musica = circa 700 MB. Tempo di accesso alcune centinaia di millisecondi.

32 CD Recordable (CD-R) 60 CD che vengono scritti una sola volta (WORM): utilizzati per backup, per produzioni in piccole serie, per la generazione di master, standard definito nel libro arancione, dove si introduce anche il CD-ROM XA (CD-R scritti in modo incrementale); stesse dimensioni dei CD-ROM dischi di policarbonato di 120 mm; contengono un solco largo 0,6 mm (guida per il laser di scrittura). La riflettività di pit e land è simulata c è uno strato di colore fra il policarbonato e lo strato riflettente: nello stato iniziale questo strato è trasparente; per scrivere, un laser ad alta potenza colpisce un punto nello strato della superficie colorata, rompe un legame chimico e crea una macchia scura.

33 CD ReWriteable (CD-RW) 61 Dischi ottici riscrivibili. Lo strato di registrazione utilizza una lega di argento, indio, antimonio e tellurio che ha due stati stabili: lo stato cristallino con elevata capacità di riflessione (land); lo stato amorfo con ridotta capacità di riflessione (pit). Si usa un laser con tre potenze diverse: ad alta potenza il laser scioglie la lega e un raffreddamento rapido la porta dallo stato cristallino allo stato amorfo; a potenza media la lega si scioglie e si raffredda tornando nel suo stato cristallino; a bassa potenza si rileva solo lo stato del materiale.

34 Digital Versatile Disk (DVD) 62 Evoluzione tecnologica maggior densità dei dati: pit più piccoli (0.4 vs. 0.8 µm); spirale più serrata (0.74 vs. 1.6 µm); laser rosso (0.65 vs µm). Caratteristiche dei DVD capacità di 4.7 GB 133 minuti di video fullscreen MPEG-2 ad alta risoluzione (720 x 480) con colonna sonora in 8 lingue e sottotitoli in altre 32; 1x indica 1.4 MB/sec (vs. 150 KB/sec).

35 Diversi formati di DVD 63 Esistono situazioni in cui servono più di 4.7 GB. Pertanto sono stati definiti quattro formati: 1. Lato unico, strato unico (4,7 GB). 2. Lato unico, strato doppio (8,5 GB). 3. Due lati, strato unico (9,4 GB). 4. Due lati, strato doppio (17 GB). Tecnologia dello strato doppio: uno strato riflettente sul fondo coperto da uno stato semiriflettente; a seconda di dove viene indirizzato il laser, il raggio viene riflesso da uno strato o dall'altro; lo strato inferiore ha pit e land leggermente più grandi, per cui la sua capacità è leggermente inferiore.

36 Tipi di calcolatori 64 SUPER COMPUTER MINICOMPUTER MAINFRAME CLUSTER O RETI DI WORKSTATION WORKSTATION PERSONAL COMPUTER Potenza di calcolo NOTEBOOK, PENBOOK, LAPTOPCOMPUTER (Portatili)

37 IL SISTEMA OPERATIVO

38 Architettura del Software 66 Software = insieme (complesso) di programmi. Organizzazione a strati, ciascuno con funzionalità di livello più alto rispetto a quelli sottostanti: Macchine Virtuali Firmware: strato di (micro-)programmi che agiscono direttamente sullo strato hardware memorizzato dal costruttore su una memoria permanente (ROM)

39 Sistema operativo (S.O.) 67 Strato di programmi che opera al di sopra di hardware e firmware e gestisce l elaboratore Le funzioni offerte dal S.O. dipendono dalla complessità del sistema di elaborazione: gestione delle varie risorse hardware gestione della memoria centrale organizzazione e gestione della memoria di massa interpretazione ed esecuzione di comandi elementari gestione della multi-utenza e del multi-tasking

40 Classificazione dei S.O. 68 In base al numero di utenti: Mono-utente (mono-user) un solo utente alla volta può utilizzare il sistema Multi-utente (multi-user) più utenti in contemporanea possono interagire con la macchina il S.O. deve fornire a ciascuno l'astrazione di un sistema dedicato

41 Classificazione dei S.O. 69 In base al numero di programmi in esecuzione: Mono-programmato (mono-task) si può eseguire un solo programma per volta Multi-programmato (multi-task) il S.O. permette di eseguire più programmi in contemporanea (su una sola CPU) il S.O. deve gestire la suddivisione del tempo della CPU fra i vari programmi (time-sharing)

42 Interazione dell utente con il S.O. 70 Un utente "vede" l elaboratore solo tramite il S.O., che simula una macchina virtuale diversi S.O. possono realizzare diverse macchine virtuali sullo stesso hardware aumenta l astrazione nell interazione utente/elaboratore senza S.O.: sequenze di bit con S.O.: comandi, programmi, dati. Il S.O. traduce le richieste dell utente in opportune sequenze di comandi da sottoporre alla macchina fisica Il S.O. esplicita qualsiasi operazione di accesso a risorse hardware, implicitamente implicata dal comando dell utente

43 Interazione dell utente con il S.O. Utente S.O. esegui progr1 input da tastiera ricerca codice di progr1 su disco carica in RAM codice e dati <elaborazione> risultato = 10 output su video Introduzione all'informatica 71

44 Interazione dell utente con il S.O. 72 Interfaccia testuale Il S.O. interagisce con l utente mediante l interpretazione di linee di comando esempi: DOS, Linux Interfaccia grafica o GUI (Graphical User Interface) tutti i programmi e le funzioni sono mostrati sullo schermo mediante simboli immediatamente comprensibili (icone) esempi: Windows, MacOS (Macintosh)