: 2 Bibliografia Curtin, Foley, Sen, Morin Informatica di base, Mc Graw Hill Ediz. Fino alla III : cap. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 IV ediz.: cap. 4.1, 15.1, 4.2, 4.3, 15.2, 4.4, 4.5, 4.6 Questi lucidi Come Vengono Memorizzati i Dati 4 La Gerarchia delle Memorie Esistono tre tipi di memoria: La memoria interna al processore (cache e registri) che serve per velocizzare l elaborazione (cache) e porgere i dati al processore e memorizzarne le risposte (registri) la memoria centrale (memoria principale o di lavoro), utilizzata per memorizzare i programmi in esecuzione e i relativi dati la memoria di massa (memoria secondaria o archivio), utilizzata per memorizzare in modo perenne grandi quantità di dati Necessità della Memoria di Massa La RAM per quanto grande possa essere, non può contenere tutti i programmi, i documenti e gli altri files dell utente èunamemoria volatile, cioè perde tutti i dati non appena il computer viene spento. E quindi necessario disporre di supporti che consentano di memorizzare grandi quantità di byte e che li conservino anche quando il computer è spento Tali supporti sono le memorie di massa (dette anche ausiliarie, esterne, secondarie) Componenti di una Memoria di Massa Fisicamente le Memorie di Massa presentano due elementi distinti: Il dispositivo di lettura/scrittura (detto anche driver) Il supporto di memorizzazione vero e proprio (il CD, il FD, ecc ) Scrivere significa copiare dati dalla RAM al supporto Leggere significa copiare dati dal supporto alla RAM Nell architettura di von Neumann, quando ci si riferisce alla memoria, s'intende la memoria centrale, mentre si considera la memoria secondaria alla stregua di un dispositivo d'ingresso (input) e/o di uscita (output). 5 6 1
Tipi di Memoria di Massa La Memoria Magnetica Una particella magnetica ha due poli, uno negativo e uno positivo. Due particelle magnetiche si attraggono o si respingono se i poli accostati sono di segno opposto o uguale. Il disco è un supporto magnetico, cioè la sua superficie presenta tante piccole particelle magnetiche, messe una accanto all altra, allineate in uno dei due possibili versi (il tipo di allineamento corrisponde al valore del bit da memorizzare) 7 8 La Memoria Magnetica La Memoria Magnetica In fase di scrittura, mentre il disco gira una testina di lettura/scrittura emette piccoli impulsi elettrici. Questi impulsi hanno l effetto di invertire la polarità delle particelle che incontrano sulla superficie del disco. In fase di lettura avviene il processo inverso: le particelle magnetizzate inducono nella testina una corrente elettrica che viene trasmessa come una successione di 0 e di 1. 9 10 La Memoria Magnetica La Memoria Ottica Sono dischi (CD e DVD) in cui la memorizzazione avviene alterando o meno la superficie tramite la luce prodotta da un raggio laser. 11 12 2
La Memoria Ottica Memorie allo stato solido Scrittura dei dati binari Sulla superficie del disco vengono incisi dei buchi (o scanalature) che rappresentano il bit 1, l assenza della scanalatura (detta intersolco) rappresenta il bit 0 Lettura dei dati binari Il raggio laser in fase di lettura colpisce la superficie del disco, che riflette più o meno luce a seconda che il raggio colpisce un intersolco o una scanalatura. Un dispositivo, il rivelatore fotoelettrico, misura i diversi gradi di rifrazione della luce, che vengono poi trasformati in bit. Memoria Flash, dispositivi recenti (Pen Drive USB, ma anche memorie dei cellulari o delle fotocamere digitali) Simile alla RAM Statica Non è volatile Più lenta delle RAM classiche Più veloce delle memorie di massa (non hanno parti mobili come la testina) Facilmente deteriorabili, a causa della modalità di scrittura 13 14 Modalità di Accesso ai Dati Le Caratteristiche della Memoria Accesso Diretto o Sequenziale 16 Strutturazione del Supporto Velocità di accesso ai dati Organizzazione in tracce circolari e settori (solo per le memorie magnetiche) Velocità di accesso come somma di tre tempi (solo per le memorie magnetiche): Tempo di ricerca della traccia (Seek o posizionamento) Tempo di latenza (dipendente dalla velocità di rotazione) Velocità di trasferimento 17 18 3
Capacità e Rimovibilità (online e offline) Caratteristiche delle memorie: riepilogo Capacità: quanti dati possono essere memorizzati Rimovibilità: alcuni supporti possono essere rimossi (FD, CD, DVD) e fungere da memoria off-line. La memoria on-line è invece quella sempre direttamente disponibile. Velocità di accesso: quanto tempo occorre per raggiungere un dato (1 msec = 10-3 sec; 1 nsec = 10-9 sec) T accesso a memoria centrale» 0.5-1 nsec (nanosecondi) T accesso a dischi fissi» 5-10 msec (millisecondi) T accesso a dischetti (floppy)» 100 msec Capacità: quanti dati possono essere memorizzati Capacità Memoria Centrale» da 32 MB a 16 GB Capacità disco fisso» 40 320 Gbyte Capacità disco floppy» 1,4 Mbyte Volatilità: perdita dei dati quando si spegne l elaboratore Costo: costo per singolo dato memorizzabile 19 20 Floppy Disk I Supporti di Memorizzazione Capacità molto ridotta: 1,44 Mbytes! Costituito da un sottilissimo foglio di plastica speciale sulla quale si trova una sostanza magnetica. Ruota ad una velocità costante (circa 300 giri al minuto). 22 Strutturato in facce, tracce, settori: Facce corrispondono alle due superfici di memorizzazione. Tracce Su ciascuna faccia vi sono un insieme di cerchi concentrici (tracce), da 40 a 80 a seconda del tipo di dischetto. Settori Le tracce sono suddivise in settori della dimensione di 512 byte. Floppy Disk Floppy Disk 70.000 FD (da 1,44 MB) per contenere la stessa quantità d informazione di un HD da 100 GB (100.000 MB)! Un FD è un supporto ormai inadeguato alle nuove esigenze di memorizzazione di programmi e di dati Preistoria dell Informatica. Introdotto nel 1984 (Circa 15 GENERAZIONI fa!) Quando è stato introdotto i computer presentavano CPU Intel 80386 da 16 MHz con 275.000 transistor Dischi fissi di capacità massima di 20 MB Sistema operativo MS-DOS non GUI Monitor a caratteri (24 linee x 80 colonne) 23 24 4
25 Altre Memorie Rimovibili Cartucce ZIP Iomega e Jazz: servono principalmente per fare il back-up dei dati e per memorizzare programmi molto grandi. Le prime contenere 100 o 250 MB di dati e programmi, le seconde 1 o 2 GB. Floppy disk LS 120 o LS 240: possono contenere fino a 120 MB di dati o 240 MB di dati e programmi. Stessa forma, peso e dimensioni di un FD da 3,5 pollici. Pen Drive: Memorie Flash rimovibili veloci (su porta USB) e capienti (qualche GB) che di fatto hanno sostituito tutte le Memorie esterne. Gli Hard-Disk Interazione tra RAM e Memoria di Massa Hard Disk Quando si utilizza un programma per il trattamento di un documento (ad esempio un file di testo) bisogna: Caricare in RAM il documento già esistente e presente su disco (in alternativa creare un nuovo documento vuoto) Aggiornarlo, apportando tutte le modifiche necessarie, e questo avviene in RAM utilizzando il programma Salvare il documento modificato, cioè memorizzare su disco il documento modificato. Contenitore a chiusura ermetica nel quale trovano posto più piatti con due superfici ciascuno rivestite da uno strato di materiale magnetico che ruotano attorno ad un perno centrale e distanti tra loro di qualche millimetro. Ogni superficie dispone di una propria testina di lettura/scrittura che si può spostare radialmente. 27 28 Hard Disk Organizzazione di un Hard Disk I dati sono registrati sulla superficie del piatto in centri concentrici, detti tracce e in spicchi di uguale capacità (settori). Tipiche capacità per un settore sono 512, 1024, 2048 e 4096 bytes L insieme di tutte le tracce poste sulla stessa verticale prende il nome di cilindro. 29 30 5
Le tolleranze del Disco Fisso Le tolleranze del Disco Fisso Il disco è in continua rotazione (3600, 5000, 7200 e anche 10000 giri al minuto). Le testine di lettura/scrittura non vengono mai a contatto diretto con la superficie del disco, ma girano su un cuscinetto d aria molto sottile Come se un aereo viaggiasse ad altissima velocità a pochi centimetri dal suolo Una piccola particella può far entrare in contatto testina e disco. Un incidente del genere (il disco ha una velocità di quasi 100 Km/h) può provocare danni irreparabili (Crash della testina). 31 32 I Controller del Disco Fisso Controller è l interfaccia tra dischi e computer centrale. EIDE (o ATA) che può gestire 4 HD /CD /DVD EIDE Ultra ATA 133 Serial ATA SCSI che può gestire 16 HD /CD /DVD UltraWide Ultra 320 Memorie RAID Redundand Array of Independent Disk Insieme di dischi a basso costo collegati tra di loro che vengono visto come una o più unità Veloci Economici Proteggono i dati Memorizzandoli più volte su dischi diversi (mirroring) Suddividendo i dati in più parti e memorizzando le varie parti su dischi diversi (sezionamento o striping) Prevengono malfunzionamenti dovuti al guasto di un singolo disco (che può addirittura essere sostituito con il sistema in funzione) 33 34 35 Formattazione e Partizionamento Formattazione (necessaria per poter utilizzare il disco) Basso livello che viene fatta direttamente in fabbrica e che divide i dischi in tracce e settori. Viene inoltre creata la tabella dei Bad Blocks. Logica che viene fatta dall utente e predispone la creazione di particolari settori riservanti del disco: Boot sector contiene i comandi di sistema necessari all avviamento del PC. File Table tabella necessaria per la gestione del disco, contiene: nome dei file, dimensioni, data/ora di creazione e aggiornamento, tipo del file, settore iniziale, concatenamenti Partizionamento Una partizione di un disco è una sua suddivisione in una o più zone, ognuna delle quali può contenere ed essere gestita da un differente sistema operativo 36 Bad Blocks Bad Blocks Il software di gestione della periferica (il drive) gestisce la tabella (interna) dei settori danneggiati (Bad Blocks), che sono settori che non possono essere più utilizzati a causa di imperfezioni di superficie. Questa tabella è creata durante la formattazione a basso livello è aggiornata durante le operazioni di formattazione ad alto livello (o a seguito di operazioni di analisi approfondita della superficie del disco) 6
37 Tempo di accesso al disco Per effettuare il trasferimento dei dati in RAM occorre disporre di un area di memoria (buffer) di dimensioni pari al blocco (quantità di dati che viene tasferita con una sola operazione. Spesso corrisponde ad un settore). 1. spostamento della testina (seek) verso la traccia richiesta; 2. attesa che il settore arrivi sotto la testina; 3. trasferimento dei dati in / da memoria centrale, solitamente eseguito da un processore dedicato (Direct Memory Access, DMA). Calcolo del tempo di accesso: T i/o = T seek + (T rotazione / 2) + T trasferimento (T seek è il più lungo) T seek (15 ms 1 ms) Latenza di rotazione (6 ms 3 ms) 5000 10000 RPM Velocita di trasferimento (misurata in MByte al secondo) I Dischi Ottici Dischi ottici La Memoria Ottica La struttura di questi dischi è paragonabile a quella dei dischi musicali, infatti i dati sono ordinati lungo un unica traccia a forma di spirale. Storia dei Dischi ottici 1982, CD audio 1985, CD-ROM (Compact-Disk Read-Only Memory) e CD- WORM (WORM: Write Once Read Many) 1996, CD-RW (RW: Read Write), cioè CD riscrivibili più volte. 1997, DVD-ROM 39 40 CD-ROM DVD-Rom Sono trasportabili, economici e possono contenere da 650 fino a 800 MB di dati e programmi. I CD-ROM sono di sola lettura mentre CD Scrivibili e i CD-Riscrivibili possono essere anche scritti utilizzando appositi dispositivi chiamati masterizzatori Velocità di trasferimento: Originariamente 150 Kbyte / secondo ( 1x ); Oggi: 12, 16, 24,, 52 volte tanto DVD (Digital Versatile Disk) Evoluzione del CD-ROM Capacità fino a 17 Gbyte (26 volte quella di un CD) Velocità di trasferimento molto elevata I DVD sono nati come supporto per filmati in alta risoluzione. I DVD non possono essere letti dai lettori CD-ROM, ma richiedono unità apposite, mentre è possibile il contrario. 41 42 7
Vantaggi di un DVD su CD e su VCR Maggiore Densità DVD e CD-ROM hanno simile supporto fisico (120 mm di diametro) DVD maggiore capacità di archiviazione (fino a 26 volte) DVD immagazzina 2 ore di film di alta qualità (2-3 volte rispetto VCR) DVD ha una migliore qualità audio DVD definisce un formato per la gestione multilingue dell audio di un film e dei sottotitoli DVD può essere connesso a TV DVD presenta minor usura dei VCR 43 DVD può contenere dati DVD-ROM legge CD-ROM e CD audio 44 DVD-Video vs. DVD-ROM Differenza tra DVD-Video e DVD-ROM: DVD-Video (spesso chiamato semplicemente DVD) contiene filmati Video e viene letto in un lettore collegato al televisore. DVD-ROM contiene dati e viene letto da un drive DVD-ROM collegato ad un PC. La differenza è simile a quella tra CD audio e CD-ROM. Aumentare la Capacità di Memorizzazione 45 Il numero di drive DVD-ROM è molto maggiore di quello dei lettori DVD-Video. I lettori DVD-ROM possono leggere i DVD-Video (se il PC è abbastanza potente con una scheda di decompressione MPEG) Juke Box La gestione gerarchica della memoria Mantiene in linea anche centinaia di CD Permette di selezionare e leggere automaticamente dal CD di cui si ha bisogno Criteri per valutare una memoria di massa: Tempo di accesso Costo dei dispositivi Per i dati di uso frequente conviene usare dispositivi più veloci (e più costosi) 47 48 8
IL Backup dei Dati 50 BACKUP Copia di salvataggio dei files più importanti. Il valore maggiore di un sistema informatico è quello dei dati che contiene Possono verificarsi incidenti quali Furto dei dischi o dei computer Accesso non autorizzato con conseguente distruzione (deliberata o meno) dei dati Infezione da virus Impatto della testina sul disco (con conseguente distruzione fisica di parte o di tutto il disco) Spesso il supporto di backup è off-site (cioè fisicamente lontano dal computer) BACKUP: supporti di memorizzazione Ad accesso Diretto. Veloci, ma costosi HD FD ad alta capacità (Iomega Zip, LS-120, ) CD-ROM e DVD-ROM Ad accesso Sequenziale. Supporti economicamente più convenienti Nastri Cassette Nastri e cassette magnetiche Nastri magnetici la memorizzazione avviene attraverso la magnetizzazione della superficie del nastro Sul nastro sono tracciate delle piste orizzontali parallele. Di solito, 9 piste parallele di cui 8 corrispondono ad un byte e la nona è il bit di parità. capacità di memorizzazione di qualche Gb tempi di accesso molto alti possibilità di accedere ai dati in modo solo sequenziale molto usate in passato, attualmente sono utilizzate come unità di backup Cassette a nastro: servono principalmente per fare il back-up dei dati. La loro capacità varia da 120 MB a 35 GB 51 52 9