Università di Salerno Corso di FONDAMENTI DI INFORMATICA Docente : Ing. Anno Accademico 2010-2011 Lezione 4-5: L Architettura del Sistema di Elaborazione. Memorie e Periferiche di I/O Lunedì 8 Novembre 2010
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Una memoria secondaria ha le seguenti caratteristiche fondamentali,che la differenziano dalla memoria centrale: Non volatilità. I dati memorizzati non vengono persi allo spegnimento del calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica e non elettronica) Grande capacità. Una unità di memoria secondaria ha capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza, es. 100 GB, 1000 GB) 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 3
Collabora per aumentare la capacità della memoria primaria (swap sul disco) Una memoria secondaria è solitamente formata da uno o più hard disk (dispositivi magnetici) Parametri caratteristici di un hard disk: Velocità di rotazione = 1200 15000 rpm (rotations per minute) Tempo di accesso = 2 200 ms Velocità di trasferimento = 1 15 Mbps per testina Capacità = 10 500 GB 4
Dispositivi che si occupano della corretta gestione dell hard disk (indirizzamento, ricerca, lettura e scrittura). La CPU è liberata da questi compiti ed emette solo dei comandi verso questi dispositivi: EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics): Offre buone prestazioni (dischi fino a 7200 rpm) Supporta DMA (Direct Memory Access) Consente anche collegamento CDROM, DVD, Masterizzatori, SCSI (Small Computer System Interface): Offre ottime prestazioni (dischi 10000 rpm) Velocità 80-160 MBps Attività parallela e gestione dischi RAID Costo elevato Consente anche collegamento di molti altri dispositivi sia interni che esterni 5
Serve per memorizzare in modo permanente i programmi e i dati (backup, scambio con altre persone, acquisto/vendita programmi, ecc ) Consente operazioni di lettura e scrittura Alcuni tipi: Floppy CDROM DVD 1.44 MB (per i dati) 700 MB (per i programmi / dati) 4,5 GB (contenuti multimediali) 6
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Il loro funzionamento si basa sul fenomeno fisico denominato polarizzazione Sul supporto ci sono delle particelle magnetiche I due diversi tipi di magnetizzazione (positiva e negativa) corrispondono alle unità elementari di informazione (0 e 1) La testina di lettura/scrittura cambia la polarizzazione delle particelle magnetiche 8
Il sistema di memorizzazione a Nastro è stato il primo (a parte le schede perforate) a essere utilizzato con gli elaboratori. La memorizzazione a nastro permette la registrazione di dati in modo sequenziale. L'accesso a un'informazione richiede lo scorrimento del nastro fino al punto in cui questa si trova. Non possono essere effettuate delle modifiche sulle informazioni memorizzate, si possono solo aggiungere dei dati alla fine. Solitamente, la memorizzazione di dati all'interno di un nastro avviene in forma di archivio, cioè di un file unico contenente tutti i file che si vogliono archiviare. In questo modo, è il programma di archiviazione ed estrazione a prendersi cura del confezionamento dei dati da archiviare e del loro recupero quando necessario. 9
I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e settori, ogni settore è una fetta di disco. I settori suddividono ogni traccia in porzioni di circonferenza dette blocchi (o record fisici) La suddivisione della superficie di un disco in tracce e settori viene detta formattazione I dischi magnetici consentono l accesso diretto cioè è possibile posizionare direttamente la testina su un qualunque blocco (noto il numero della traccia e il numero del settore) 10
I Dischi Magnetici sono i supporti di memoria più diffusi Durante le operazioni di lettura e scrittura i dischi ruotano a velocità costante Le informazioni vengono lette e scritte da testine di lettura/scrittura Entrambi i lati di un disco possono essere sfruttati per memorizzare le informazioni Alcuni esempi: Hard Disk utilizzati come supporto di memoria secondaria fissi all interno dei computer, caratterizzati da un elevata capacità di memorizzazione (centinaia di Gbyte), da una elevata velocità di rotazione (fino a dischi con 15000 RPM - Round Per Minute) e da tempi di seek medi bassi (fino a dischi con 3-4 ms di tempo medio di accesso) Floppy Disk sono supporti rimovibili oramai rimpiazzati da altre tecnologie perché caratterizzati da poca capacità (1,44MB una volta esistevano quelli da 5.25 e 1.2MByte) e una bassa velocità di rotazione (fino a dischi con 360 RPM) 11
IBM RAMAC 305 (anni 50) 5 Megabyte di capacità; 50 piatti, ognuno da 24 pollici di diametro; 1.200 giri al minuto; 2.000 bit per pollice quadro di densità dati 50.000 dollari; in grado di archiviare 2000 pagine di testo, ognuna con 2500 caratteri. 12
Areal Density indica la densità dati per unità di superficie, che viene comunemente indicata in Mbit o Gbit per pollice quadro. Il capostipite aveva densità per area di 2 kilobit per pollice quadrato Le attuali produzioni al top si assestano sui 150 Gbit per pollice quadro (300Gbit con perpendicular recording). L'incremento nell'ordine di capacità è stato, in 50 anni, di circa 75 milioni di volte, miniaturizzazione sempre più spinta delle unità a piatti rotanti. dischi da 1 pollice, con il modello IBM Microdrive come capostipite, 2,5 pollici (portatili) 1,8 pollici. lettori portatili come l'apple ipod 13
dalla tecnologia di scrittura Longitudinal Recording a quella Perpendicular Recording per aumentare l Areal Density dischi da 2,5 pollici per portatili da 160 GB Perpendicular Recording "convenzionale" ha un limite intorno ai 500 Gbit per pollice quadrato Con l attuale tasso di crescita il limite dovrebbe essere raggiunto nel 2010 14
Obiettivo: il Terabyte per pollice quadro. Limite del longitudinal e perpendicular recording fenomeni di superparamagnetismo in modo semplicistico la possibile instabilità dei dati archiviati (con conseguente perdita dei dati in memoria), dovuta a problemi nel mantenere l'orientamento magnetico delle microstrutture destinate all'archiviazione. Nuove tecnologie HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) Impiego di materiali ad alta anisotropia per superare il fenomeno del superparamagnetismo Bit Patterned Media/SOMA (Self Organisation Magnetic Array) auto-organizzazione in celle grazie alle proprietà del materiale in grado di assegnare quindi zone molto piccole (nell'ordine dei 6-7 nm) senza bisogno di procedimenti litografici. 15
Il loro funzionamento si basa sull utilizzo del raggio laser e sfrutta la riflessione Sul supporto ci sono delle piccole rientranze (pit) tra aree piatte (land) - questi corrispondono ai due diversi valori dell unità di informazione elementare (bit) Per leggere le informazioni si usa una luce infrarossa che viene dispersa sui pit riflessa e rilevata sui land pit land 16
1 0 1 0 0 1 0 0 1 17
CD - Compact Disk Hanno una capacità di memorizzazione di 650-700 MB L informazione viene memorizzata su un unica traccia a spirale con densità di scrittura costante Il disco ruota a velocità lineare costante (quando le testine sono posizionate vicino all esterno del disco la rotazione è più lenta, cresce all avvicinarsi al centro Per accedere ai dati, la testina si allinea con la traccia a spirale in un punto precedente il dato cercato, poi la segue fino a incontrarlo Nello specifico esistono i: CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), sono CD di sola lettura e sono pre-registrati, sono fatti di alluminio riflettente CD-R (Compact Disk Recordable), sono CD registrabili una volta sola, costituiti da un foglio d oro ricoperto di pittura, la registrazione brucia dei punti nello strato di pittura simulando i pit. CD-RW (Compact Disk ReWritable), sono CD cancellabili e riscrivibili più volte (massimo 1000) 18
I DVD (Digital Versatile Disc) o (Digital Video Disc) sono un altro tipo di dischi ottici Hanno una capacità di memorizzazione di 4,7 GB (9 GB per il dual layer - può arrivare fino a 17 GB) Il lettore DVD legge anche i CD Nello specifico esistono i: DVD-ROM a sola lettura DVD-R (DVD+R) scrivibili solo una volta Il DVD+R è meno suscettibile ad errori rispetto al DVD-R (ciò è dovuto al fatto che il DVD-R deve essere finalizzato per la lettura su drive esterni e non ha il sistema ADIP di tracciamento e di controllo della velocità). DVD-RAM leggibili e scrivibili DVD-RW (DVD+RW) leggibili e scrivibili 19
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Alcuni nuovi dispositivi ottici sono denotati con l acronimo HD-DVD (High Density Digital Versatile Disc) o (High Density Digital Video Disc) Hanno una capacità di memorizzazione di 30-60-90 GB (HD DVD singolo, doppio, triplo strato) 21
Alcuni nuovi dispositivi ottici sono denominati Blu-ray Disc Hanno una capacità di memorizzazione di 27-54-100 GB (Blu-ray Disc singolo, doppio, quadruplo strato) PS3 (Play Station 3 della Sony) ha un lettore Blu-ray 22
I vantaggi dei dischi ottici rispetto a quelli magnetici sono: Maggiore trasportabilità Maggiore densità di memorizzazione per pollice quandrato Maggiore sicurezza la testina non tocca la superficie Maggiore persistenza nel tempo dei dati memorizzati Minor costo Gli svantaggi sono: Minore velocità di accesso 23
Sono dischi a supporto magnetico, su cui però la scrittura dei dati può avvenire solo dopo un forte riscaldamento della superficie con un fascio laser A temperatura ambiente i dischi magneto-ottici non sono sensibili ai campi magnetici e questo li mette al riparo dalle cancellazioni accidentali Si tratta storicamente di unità di memorizzazione di grande capacità, ma ad accesso piuttosto lento, che ormai è superata. 24
Memorie allo stato Solido Memory Card Le memorie allo stato solido sono degli integrati che consentono la memorizzazione di discrete quantità di dati, in modo simile a quello delle memorie di massa tradizionali. Attualmente, il limite tecnico di tali sistemi di memorizzazione sta nel numero massimo di cicli di scrittura. Le Memorie Elettroniche sono in commercio in vari formati e con vari nomi: memory card, compact flash, memory pen, memory stick, USB flash drive, USB stick, ecc. Hanno una capacità di memorizzazione dei dati di media dimensione circa 64 MB 64 GB Sono impiegate nelle fotocamere digitali, nei telefoni cellulari e nelle chiavi USB (USB flash drive, USB stick) Più veloce dei floppy disk, e facilmente trasportabili 25
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I primi hard disk allo stato solido (SSD o Solid State Disk) sono stati sviluppati negli anni '80, ma per diversi anni i costi proibitivi ne hanno limitato la diffusione in applicazioni di nicchia in campo militare e aerospaziale e dalle aziende di telefonia, che esigevano prestazioni elevate ed affidabilità anche in condizioni ambientali avverse. Verso la fine degli anni '80 un disco allo stato solido da 4 Mbyte costava ben 125.000 dollari. Attualmente esistono tre categorie di SSD in commercio: in tecnologia DRAM (D-SSD), SRAM (S- SSD) e flash (F-SSD). Sono in particolare i F-SSD, realizzati tipicamente in tecnologia flash NAND, ad essere diventati molto competitivi con gli hard disk in diverse applicazioni. 27
I Solid State Disk (SSD) sono compatibili elettricamente, meccanicamente e nel software con gli Hard Disk Magnetici (HDD) La differenza: all'interno dei SSD si trova un chip di memoria al posto del sistema di memorizzazione meccanico usato negli hard disk magnetici. 28
Vantaggi rispetto ad altre memorie Non sono sensibili a shock (a differenze di memorie ottiche e magnetiche) Portatilità (facilità di connessione e disconnessione) Svantaggi rispetto ad altre memorie Non sono adatte per modifiche frequenti dei dati (diversamente dalla RAM) Le cancellazioni sono per blocchi da 64K nelle memorie NOR da 8K nelle memorie NAND (molto meglio!!) 29
In termini di affidabilità, gli hard disk convenzionali si dimostrano nettamente inferiori I SSD assicurano l'integrità dei dati anche in condizioni estreme di temperatura, fra - 55 C e 95 C La resistenza agli urti da 2 a 10 volte superiore rispetto a quella degli hard disk magnetici (i dischi flash possono cadere da un'altezza di 4 metri senza riportare alcun danno) Gli hard disk tradizionali durano tipicamente 5 anni in relazione ai guasti che si possono verificare alle parti meccaniche. Per i dischi flash invece, la ritenzione dati di almeno 10 anni e la durata garantita per 100.000 operazioni di scrittura e cancellazione. I SSD sono caratterizzati da un MTBF (Mean Time Between Failure) di 3 milioni di ore, almeno 3-4 volte superiore rispetto a quello degli hard disk. 30
Un altro grosso vantaggio dei SSD è dato dai consumi che sono dal 70 % al 90 % inferiori rispetto a quelli degli HDD tradizionali il loro funzionamento non richiede di attivare parti meccaniche o supporti rotanti possono prolungare la durata delle batterie generano molto meno calore e non richiedono l'uso di ventole o di dissipatori di grandi dimensioni ( consentendo al limite di realizzare PC fanless, ossia senza ventole di raffreddamento, con grandi vantaggi in termini di affidabilità, ingombro e durata) I SSD pesano meno della metà degli HDD: un tipico hard disk da 1,8 pollici pesa circa 50 grammi un SSD pesa appena una ventina di grammi, a parità di capacità, oltre ad essere molto più silenzioso. 31
I SSD di ultima generazione possono avviare Windows Vista Enterprise in 30 secondi rispetto ai 50 secondi di un PC con hard disk. La velocità di lettura e di scrittura rispettivamente doppia e superiore del 60 % rispetto a quella degli hard disk e la velocità di lettura casuale addirittura 100 volte superiore, un dato questo che influenza sensibilmente i tempi di caricamento del sistema operativo e delle applicazioni. I SSD consentono di accedere direttamente ai dati in modo casuale non richiedono la sincronizzazione di una testina con un disco rotante per le operazioni di lettura e di scrittura. 32
Il grosso svantaggio della tecnologia SSD rimane il costo. Il rapporto fra il prezzo per gigabyte dei SSD e quello degli hard disk magnetici è di almeno 50 a 1. Occorre inoltre considerare che il prezzo finale dei SSD include, oltre al costo legato alla pura capacità, anche il costo dei controllori che gestiscono le operazioni di lettura, scrittura e cancellazione della memoria, i blocchi guasti e la correzione degli errori; il costo del package e dei connettori SATA che fanno apparire il disco flash identico a un hard disk tradizionale. Nonostante i prezzi più alti, risulta vantaggioso usare i SSD nei notebook per via dei vantaggi in termini di prestazioni e di consumi. Risulterà conveniente adottare i SSD nei PC desktop solo quando il loro costo per Gigabyte scender almeno al di sotto di 3 dollari. 33
Un ultimo tipo di memorie di massa, però ancora in fase di sviluppo, sono le memorie olografiche. Queste nuove tecnologie olografiche di archiviazione, avranno il pregio di poter memorizzare i dati non su una superficie (come fanno i supporti attuali) ma su un volume di conseguenza queste nuove memorie saranno caratterizzate : da una elevata capacità di archiviazione da tempi di accesso brevi. Tra le varie idee, il modo più promettente per archiviare più immagini olografiche sullo stesso mezzo è utilizzare differenti angoli di divergenza tra i due laser. Cambiando l'angolo di incidenza del raggio di lettura è possibile infatti leggere pagine diverse. 34
Il futuro dell archiviazione : Memorie di tipo Olografico Ci sono però alcune problematiche che ostacolano la realizzazione di queste nuove memorie; le più importanti sono: l'elevata precisione ottica richiesta per il progetto la difficoltà per l'allineamento dei vari componenti le problematiche legate all'imperfezione del materiale utilizzato il rischio della collimazione dei fasci il problema dell'elaborazione dei segnali di uscita dai quali vanno ricavati i bit inizialmente memorizzati Il motivo principale che spinge i ricercatori alla realizzazione di queste memorie, è che la registrazione di dati su media magnetici ed ottici arriverà velocemente a scontrarsi con i limiti fisici dei supporti e quindi le memorie, che ora sono adeguate, potrebbero non essere più sufficienti per le necessità future. 35
CRT (tubo a raggi catodici) o LCD (display a cristalli liquidi) Alcune definzioni: PIXEL (picture element) un singolo puntino dello schermo PIXMAP o BITMAP l insieme dei pixel (disposti in righe e colonne) Risoluzione quantità di pixel presenti su uno schermo (640x480, 1024x768, 1600x1280, ) Dot pitch spazio tra i singoli pixel (0.28 mm) Frequenza di refresh frequenza con cui viene rinnovata l immagine sullo schermo (50 Hz, 75 Hz, 100 Hz) Bit plane numero di bit che sono assegnati ad ogni pixel (es 8 per 256 colori, 24 per 16 milioni di colori, ) 36
Sono dispositivi che permettono di trascrivere i risultati delle elaborazioni su un supporto cartaceo Alcune definizioni: Dot un singolo puntino di stampa (simile al pixel) DPI (Dots Per Inch) numero di dot che possono essere stampati in un pollice (2.54 cm) CPS (Characters Per Second) numero di caratteri alfanumerici che possono essere stampati in un secondo PPM (Pages Per Minute) numero di pagine che possono essere stampati in un minuto 37
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