Corso di Sistemi di Elaborazione delle informazioni

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1 Corso di Sistemi di Elaborazione delle informazioni HARDWARE Francesco Fontanella

2 LE MEMORIE DI MASSA Modello di von Neumann Bus di sistema CPU Memoria Centrale Memoria di Massa Interfaccia Periferica 1 Interfaccia Periferica 2 Unità esterne

3 Le memorie di massa Sono le unità che permettono la memorizzazione non volatile di grosse moli di dati. Rispetto alla memoria principale - ha una capacità molto maggiore - ha una minore velocità di accesso La tecnologia utilizzata per la registrazione è di tipo magnetico e ottico. Il supporto è tipicamente un disco. Due tipi di dischi magnetici: dischi fissi (hard disk) dischi removibili (floppy disk)

4 Hard disk Scrittura: la testina emette impulsi elettrici che polarizzano in uno dei due modi possibili le particelle magnetiche presenti sul supporto Lettura: le particelle magnetiche inducono sulla testina una corrente elettrica che è diversa a seconda della polarità della cella in lettura NOTA: i dati memorizzati sono in forma binaria, ossia sono interpretabili come sequenze di 0 e 1

5 Organizzazione di un hard disk braccio testine attuatore dischi L unità è in realtà costituita da diversi dischi. Entrambe le superfici di ogni disco sono rivestite di materiale magnetico sul quale vengono memorizzate le informazioni. Le operazioni di letture e scrittura sono realizzate da testine, poste su bracci e movimentate da un attuatore.

6 Hard disk

7 Organizzazione della superficie del disco Tutte le informazioni memorizzate sul disco sono organizzate in tracce (corone circolari concentriche disposte sulla superficie del disco). Le tracce sono numerate a partire da zero dal bordo del disco e procedendo verso l interno. Ogni traccia è divisa in più blocchi (da 512 byte) denominati settori, che sono le più piccole unità di memorizzazione sul disco. Siccome l unità è formata da più dischi, ad ogni traccia su un disco corrispondono tracce omologhe sugli altri dischi, che, nell insieme, formano un cilindro.

8 Operazioni di lettura/scrittura Le informazioni memorizzate sul disco sono codificate sotto forma di stati di memorizzazione di zone del materiale magnetico disposto sulla superficie del disco. Le operazioni di lettura/scrittura sono realizzate dalle testine tramite le seguenti fasi: 1. Posizionamento della testina sulla traccia (cilindro) di interesse; 2. Attesa del passaggio del settore di interesse; 3. Lettura o scrittura del dato. Accesso ai dati di tipo random Date le alte velocità di rotazione, le testine non toccano la superficie del disco, ma planano su di essa, mantenendosi ad una distanza dell ordine di 10-4 mm.

9 Il Tempo di Accesso degli Hard Disk Il tempo di accesso a disco è influenzato da tre fattori: Seek time: è il tempo necessario a spostare la testina sulla traccia; è il fattore più critico poiché si tratta di un movimento meccanico e non di un impulso elettrico; Latency time: (anche rotational latency, latenza rotazionale) è il tempo necessario a posizionare il settore desiderato sotto la testina, e dipende dalla velocità di rotazione; Transfer time: è il tempo necessario al settore per passare sotto la testina, riguarda la lettura vera e propria. Il tempo di accesso pertanto è dato dalla somma di questi tre termini Tempo di accesso = SeekTime + Latency + TransferTime

10 Le Memorie Ottiche Scrittura: viene emesso un raggio laser che crea sottili scanalature sulla superficie del disco, creando un alternanza di zone chiare (intersolchi) e scure (scanalature) Lettura: il raggio laser colpisce la superficie del disco e la luce viene riflessa in quantità maggiore o minore a seconda della zona colpita. Un rivelatore fotoelettrico misura la differenza di tale intensità e converte i segnali in una sequenza binaria. NOTA: anche in questo caso i dati sono memorizzati in forma binaria.

11 Unità di tipo ottico CD-ROM Realizzato originariamente per l audio 650 Mbytes per oltre 70 minuti di audio Disco in policarbonato con un anima in materiale altamente riflettente, di solito alluminio I dati sono codificati tramite pits e lands

12 Operazione di lettura 1. Un fascio laser, emesso da un diodo laser IR, attraversa un prisma, in parte riflettente, e viene focalizzato sulla zona su cui effettuare la lettura. 2. Se il fascio trova un land, viene interamente riflesso dal disco, ritorna sul prisma e da questo ulteriormente riflesso su una cella fotoelettrica, che genera un segnale elettrico di intensità proporzionale alla energia luminosa ricevuta. Se il fascio incontra un pit, subisce una diffusione e quindi sarà praticamente nulla l energia luminosa che raggiungerà la cella.

13 Organizzazione del disco Sul CD tipicamente memorizza I dati su un unica traccia, che si avvolge a spirale, per migliorarne l accesso sequenziale. La traccia è divisa in settori di dimensione costante in cui i dati sono registrati Le unità CD audio sono single speed : hanno una velocità lineare costante di 1.2 m/sec La lunghezza della traccia è di circa 5.27km per cui sono necessari circa 4391 secondi (73.2 minuti) per percorrerla tutta Con questa velocità, l unità assicura un transfer rate di circa 150 Kbyte/sec Le altre velocità sono definite come multipli della velocità base audio (es. 40x)

14 Le Operazioni di Scrittura L operazione di scrittura di un CD-R viene effettuata ad una data temperatura, in maniera tale da bruciare (burn) lo strato riflettente in quello specifico punto e creare un pit

15 Digital Versatil Disk (DVD) I DVD, a parità di dimensioni, contengono maggiore informazione rispetto ai CD, grazie a: Pit più piccoli; spirale più serrata; utilizzo del laser rosso; I DVD hanno una capacità di 4.7 Gbyte, pari a 133 minuti di video ad alta risoluzione, con colonna sonora in 8 lingue e sottotitoli in 32 lingue; Esistono diversi formati di DVD: Lato unico, strato unico (4.7 GB); Lato unico, strato doppio (8.5 GB); Due lati, stato unico (9.4 GB) Due lati, strato doppio (17 GB)

16 Altre unità di memoria di massa Dischi ZIP economici diffusi solo 100 Mb Dischi JAZ non economici circa 1 Gb Nastri DAT grande capacità lenti utilizzati per backup

17 INTERFACCE ESTERNE Modello di von Neumann Bus di sistema CPU Memoria Centrale Memoria di Massa Interfaccia Periferica 1 Interfaccia Periferica 2 Unità esterne

18 Collegamento tra calcolatore ed unità esterne Tutta l attività di ingresso/uscita avviene con l uso di unità esterne: tastiera mouse monitor stampante scanner microfoni/altoparlanti cam Problema: Molti dispositivi, realizzati da costruttori diversi. Come si gestisce il collegamento con il calcolatore? Necessità di standard

19 Collegamento tra calcolatore ed unità esterne Il collegamento tra calcolatore ed unità esterne avviene tramite connessioni standard (porte periferiche), alle cui specifiche i costruttori devono attenersi. Il collegamento tra calcolatore ed unità esterne prevede un flusso bidirezionale di byte di dati tra i due, che può avvenire in due modalità diverse, distinte in base al parallelismo del trasferimento: seriale parallelismo: 1 bit parallelo parallelismo: 8 bit 7 N 0 7 N

20 Le Porte Le porte sono i dispositivi che permettono l invio e la ricezione delle informazioni dalle periferiche; Sul retro di un case vi sono dei connettori speciali che collegano l unità centrale con le periferiche, tramite cavi; Prima di connettere le periferiche al computer era una volta necessario quasi sempre interrompere l alimentazione spegnendo l elaboratore ma ciò non vale per le periferiche di nuova generazione; A seconda della tipologia di collegamento abbiamo diversi tipi di porte e di connettori (con diversi schemi di comunicazione sui piedini dei connettori e diversi protocolli)

21 Le Porte La porta VGA La porta IDE /ATA La Porta SATA La porta SCSI La porta USB La porta Firewire (IEEE 1394)

22 La Porta SCSI Le porte SCSI (Small Computer System Interface) supportano fino a sette periferiche in cascata che richiedono alta velocità di trasferimento (per quella finale, se la porta non è autoterminante, occorre un tappo); Un singolo adattatore SCSI è in grado di interfacciare contemporaneamente un computer a più dischi rigidi, ad un drive CD-ROM, ad una unità a nastri ed ad uno scanner; Il cavo che esce da una porta SCSI è un bus a 8 bit ( 16 nello standard SCSI-2 e in quello più recente SCSI-3);

23 La Porta VGA Il connettore VGA (Video Graphics Array) viene spesso chiamato anche con altri nomi (ad esempio connettore RGB, D-sub 15, mini sub D15 e mini D15); Ne esistono diverse versioni viene utilizzato per collegare monitor aggiuntivi o proiettori.

24 La Porta IDE/ATA La porta IDE (Integrated Drive Electronics) è l input/output di un controller (controllore hw di una periferica) e al contrario delle altre è solitamente all interno del case; Può controllare fino a due hard disk o altre periferiche IDE; Oggi vi si fa riferimento piuttosto con in termine ATA (Advanced Technology Attachment) e viene usata per collegare dischi o cd all interno del case.

25 L interfaccia Universal Serial Bus (USB) E un interfaccia seriale progettata per: connettere contemporaneamente più periferiche realizzare connessioni hot swap assicurare un alta velocità di trasferimento Caratteristiche: Fino a 127 unità collegate su una stessa connessione (tramite hub) Velocità massima: 12 Mbit/sec (USB 1.1) 480 Mbit/sec (USB 2.0) ideale per connettere mouse, scanner, modem NOTA Lo standard è stato sviluppato da: Intel, Compaq, Microsoft, Digital Equipment Corporation, IBM, Northern Telecom

26 L interfaccia FireWire (IEEE 1394) E un ulteriore standard di interfaccia seriale che ha caratteristiche simili a USB, ma con prestazioni migliori: connessione contemporanea a più periferiche connessioni hot swap alta velocità di trasferimento: fino a 400 Mbit/sec adatta per interfacciare periferiche che richiedono una banda ampia (telecamere digitali, VCR, ecc.)

27 Analogico e Digitale Nei sistemi analogici, le quantità vengono rappresentate in maniera continua. Nei sistemi digitali le quantità vengno rappresentate in maniera discreta.

28 Operazioni realizzate dalle periferiche di ingresso Compito delle periferiche di ingresso è quello di codificare una grandezza continua in ingresso tramite una rappresentazione digitale utilizzabile dal calcolatore. dall esterno ADC verso la memoria Grandezza continua (es.: suono, immagine, movimento del mouse, documento, ecc.) ADC: Analog to Digital Conversion Codifica digitale

29 Il tipo di informazione rappresentata dipende dalla periferica impiegata Q W E R T Y A S D F G H tastiera bit map SCANNER

30 Operazioni realizzate dalle periferiche di uscita Compito delle periferiche di uscita è quello di creare, delle informazioni codificate in digitale nella memoria del calcolatore, una rappresentazione direttamente comprensibile dall utente umano. dalla memoria DAC verso l esterno Informazione memorizzata (es.: documento Word, disegno Autocad, file MP3, ecc.) Uscita (es.: testo stampato, immagine sul monitor, suono, ecc.)

31 Informazione Multimediale Lettere e numeri non costituiscono le uniche informazioni utilizzate dagli elaboratori ma ci sono sempre piu applicazioni che utilizzano ed elaborano anche altri tipi di informazione: diagrammi, immagini, suoni. In questi casi si parla di applicazioni di tipo multimediale Abbiamo bisogno di un sistema di CODIFICA In generale si parla di DIGITALIZZAZIONE

32 La Digitalizzazione Il termine digitale deriva dall inglese digit (cifra, numero). Per digitalizzazione si intende la rappresentazione (codifica) di un qualunque fenomeno o oggetto fisico attraverso una sequenza di numeri; La digitalizzazione consente di rappresentare un qualunque oggetto o fenomeno all interno della memoria del computer; Consente ad un calcolatore di interagire, analizzare, modificare le rappresentazioni di tali oggetti;

33 Esempi di Digitalizzazione Immagine Codifica jpeg Testo Codifica ASCII

34 La Conversione Analogico-Digitale La conversione analogico-digitale trasforma un segnale analogico (valori continui in un tempo continuo) in segnale numerico (valori discreti in tempo discreto). Questa operazione è costituita da tre fasi: Campionamento; Quantizzazione; Codifica;

35 Il Campionamento Il campionamento è una tecnica di rappresentazione del segnale che consiste nella valutazione dell'ampiezza dello stesso ad intervalli di tempo regolari. L accuratezza di un campionamento dipende essenzialmente dalla frequenza di campionamento che è il numero di campioni rilevato nell unita tempo.

36 Campionamento: Esempio segnale continuo segnale campionato ampiezza ampiezza t tempo tempo (discreto) 36

37 La Quantizzazione In natura, la maggior parte delle grandezze possono assumere un insieme infinito e continuo di valori. Affinché una grandezza sia trasmissibile e codificabile con un numero finito di bit, è però necessario far sì che possa assumere solo un numero finito di valori discreti; ciò avviene tramite la quantizzazione. Un quantizzatore associa ad ognuno dei valori continui in ingresso il più prossimo tra quelli definiti. L errore di quantizzazione è definito come la differenza tra due valori numerici successivi.

38 La Quantizzazione: un Esempio Ampiezza (discreta e codificata) Codifica a 3 bit Tempo (discreto) segnale quantizzato 38

39 La Codifica L operazione di codifica trasforma i valori numerici forniti dal quantizzatore in cifre binarie

40 Operazioni Realizzate dalle Periferiche di Uscita Il compito delle periferiche di uscita è quello di costruire, utilizzando informazioni codificate in digitale nella memoria del calcolatore, una rappresentazione direttamente comprensibile dall utente umano. dalla memoria DAC verso l esterno Informazione memorizzata (es.: documento Word, disegno Autocad, file MP3, ecc.) Uscita (es.: testo stampato, immagine sul monitor, suono, ecc.)

41 La Conversione Digitale-Analogico X(t) DAC t Il convertitore digitale-analogico ricostruisce un segnale analogico a partire da una sequenza numerica (segnale digitale); Il segnale di partenza può essere solo approssimato; L errore dell approssimazione dipende da due fattori: frequenza di campionamento; Errore di quantizzazione;

42 La Rappresentazione delle Immagini Le forme e i colori presenti nelle immagini sono grandezze di tipo continuo; E necessario rappresentare tale grandezze in maniera discreta; Nel caso delle immagini non è presente la dimensione temporale (come nel suono).

43 La Rappresentazione delle Immagini Una maniera immediata per rappresentare un immagine è quella di suddividerla in un insieme di piccoli quadratini (pixel) e di memorizzare l informazione relativa al colore presente nel quadratino. Ogni quadratino rappresenta appunto un pezzettino dell immagine. Questo tipo di codifica delle immagini viene detto bitmap o raster (dal latino rastrum, rastrello) ad indicare il campionamento sistematico dell immagine per mezzo dell insieme di pixel che la rappresentano.

44 Codifica delle Immagini: un Esempio (1/2) Caso più semplice: immagini in bianco e nero senza livelli di grigio Suddividiamo l immagine mediante un insieme di quadratini di dimensioni costante (campionamento dell immagine) Assumiamo che un pixel sia codificato con un singolo bit che vale 0 se nel pixel il bianco è predominante 1 se nel pixel il nero è predominante

45 Codifica delle Immagini: un Esempio (2/2) Poiché una sequenza di bit è lineare, è necessario definire delle convenzioni per ordinare la griglia dei pixel in una sequenza. Assumiamo che i pixel siano ordinati dal basso verso l'alto e da sinistra verso destra Con questa convenzione la rappresentazione della figura sarà data dalla stringa binaria

46 Risoluzione (1/2) Non sempre il contorno della figura coincide con le linee della griglia. Quella che si ottiene nella codifica è un'approssimazione della figura originaria Se riconvertiamo la stringa in immagine otteniamo

47 Risoluzione (2/2) La rappresentazione sarà più fedele all'aumentare del numero di pixel, ossia al diminuire delle dimensioni dei quadratini della griglia in cui è suddivisa l'immagine: zz Il numero di pixel in cui è suddivisa un immagine si chiama risoluzione e si esprime con una coppia di numeri ad es pixel (orizzontali per verticali)

48 Codifica dei Livelli di Grigio Per ogni pixel viene misurato il livello medio di intensità luminosa (il livello di grigio) ogni pixel è codificato con un numero di bit > 1 Es. se utilizziamo quattro bit possiamo rappresentare 2 4 =16 livelli di grigio, se utilizziamo otto bit ne possiamo distinguere 2 8 =256, ecc.

49 Codifica di Immagini a Colori Analogamente possiamo codificare le immagini a colori. In questo caso si tratta di individuare un certo numero di sfumature di colore differenti e di codificare ogni sfumatura mediante un'opportuna sequenza di bit. Ad esempio, i monitor utilizzano risoluzioni di 640X480, 1024X768, oppure 1280X1024 ed un numero di colori per pixel che va da 256 fino a sedici milioni di colori Il numero di bit usato per codificare i colori è detto profondità dell immagine.

50 Codifica di immagini a Colori La rappresentazione di un'immagine mediante la codifica dei pixel, viene chiamata codifica bitmap Il numero di byte richiesti dipende dalla risoluzione e dal numero di colori che ogni pixel può assumere Per distinguere 256 colori sono necessari otto bit per la codifica di ciascun pixel: la codifica di un'immagine formata da 640X480 pixel richiederà bit ( byte)

51 La Codifica RGB Come è possibile rappresentare l infinità di colori presenti in natura? Un possibile modello di rappresentazione è noto con il nome di RGB (Red, Green, Blue), il quale usa questi 3 colori per rappresentare tutti i possibili colori Nella codifica RGB ogni pixel è rappresentato da una combinazione di 3 numeri, ognuno rappresentante una diversa gradazione di uno dei colori primari Con 8 bit per colore otteniamo: 256 x 256 x 256 = colori diversi Per ogni pixel sono richiesti 3 byte

52 Un Esempio di Codifica RGB La sfumatura di azzurro è determinata da una certa combinazione di RGB; Le sequenze di bit sono espresse in base decimale Ogni sfumatura di colore primario è rappresentabile da 1 byte: => => =>

53 Altri esempi di codifiche RGB R G B R G B R G B

54 Tecniche di Compressione Esistono tecniche di compressione per ridurre lo spazio occupato dalle immagini. Queste tecniche sfruttano le regolarità delle immagini. compressione senza perdita di informazione (sono dette loss-less): si memorizzano pixel vicini identici una volta sola e si ricorda quante volte occorrono nell immagine compressione con perdita di informazione (sono dette lossy): non si memorizzano tutti i pixel, ma solo una frazione di essi. Si usano funzioni matematiche di interpolazione per ricostruire i pixel mancanti 54

55 La Compressione senza Perdita Nella compressione dei dati senza perdita si sfruttano le ripetizioni dell informazione. Esempio la stringa Può essere codificata con stringa: 1.36: 55

56 Esempi di Compressione Immagine1.bmp (2.63 MB) Immagine2.bmp (2.63 MB) DOMANDA Qual'è l'immagine che può essere compressa di più? 56

57 Immagine 1 Immagine1.bmp (2.63 MB) Il fattore di compressione è pari al 71% compressione Immagine1.zip (1.876 MB) 57

58 Immagine 2 Immagine2.bmp (2.63 MB) Il fattore di compressione è pari al 0.3%! compressione Immagine2.zip (5 KB) 58

59 Tecniche di Compressione Esistono tecniche di compressione per ridurre lo spazio occupato dalle immagini. Sfruttano le regolarità delle immagini. compressione senza perdita di informazione: si memorizzano pixel vicini identici una volta sola e si ricorda quante volte occorrono nell immagine compressione con perdita di informazione: non si memorizzano tutti i pixel, ma solo una frazione di essi. Si usano funzioni matematiche di interpolazione per ricostruire i pixel mancanti 59

60 Formati Standard GIF (Graphic Interchange format) utilizza 8 bit per pixel e quindi distingue 256 colori. Usa una tecnica di compressione senza perdita JPEG (Joint Photographic Expert Group) utilizza 24 bit, quindi 16,8 milioni di colori. Usa una tecnica sofisticata di compressione con perdita. Altri formati PNG e TIFF 60

61 La Compressione con Perdita: lo Standard JPEG Lo standard JPEG (Joint Photographic Expert Group) è aperto ed è stato sviluppato da un gruppo di esperti di fotografia ed utilizza 8 bit per pixel; Lo scopo dello standard è quello di comprimere immagini di tipo fotografico minimizzando la perdita di informazione al quale l occhio umano è più sensibile; Quando un immagine BMP viene trasformata in una JPEG, il reticolo di pixel dell immagine JPEG viene suddiviso in blocchi di dimensione 8x8 Ogni blocco 8x8 viene poi rappresentato con dei valori medi Lo standard prevede diversi livelli di compressione: - Maggiore è la compressione, minore sarà la qualità dell immagine 61

62 Il Formato GIF Il formato GIF (Graphic Interchange format)) riduce l occupazione su disco di un immagine limitando il numero di colori che compaiono in essa; Vengono scelti quelli più frequenti, alcune sfumature vengono perse e sostituite dalle sfumature più vicine fra quelle mantenute Più si limita il numero di colori più l immagine sarà piccola; il numero può andare da un minimo di 2 ad un massimo di 256. L insieme dei colori utilizzati viene salvato insieme all immagine come palette di colori. il formato GIF è adatto ad immagini geometriche, possibilmente con un numero di colori non elevato 62

63 La Tavolozza dei Colori Nella maggior parte delle immagini sono presenti in numero ridotto di colori. Questo fatto può essere sfruttato per costruire una tavolozza dei colori (colour palette); Questa tavolozza non è altro che un elenco dei colori presenti nell immagine. Questo piò portare ad un notevole risparmi di spazio: Es: Se la tavolozza contiene 256 colori, posso utilizzare un byte per codificare i colori, ottenendo così un fattore di compressione pari a 3; 63