MODULO IB04 –> La memoria di massa

Insegnamento di Informatica – a.a. 2016-17

La memoria di massa

INSEGNAMENTO DI INFORMATICA – A.A. 2016-17

Francesco Ciclosi

Macerata, AA. 2016-2017

Unimc - Dipartimento di Economia e Diritto - Corso di Laurea in Economia: banche, aziende e mercati

© Francesco Ciclosi – Settembre 2016 CC-BY-SA 4.0 – Common Deed – Legal Code


Jacques Le Goff

«La memoria è un elemento

essenziale di ciò che ormai si usa

chiamare “l’identità”, individuale

o collettiva, la ricerca della quale

è una delle attività fondamentali

degli individui e delle società

d’oggi.»

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/


http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode




Le memorie di massa Sono dispositivi aggiuntivi chiamati sistemi di

memoria di massa (o memoria secondaria)

Si dividono principalmente in:

• Dischi magnetici

• CD

• DVD

• Nastri magnetici

• Unità flash

• Dischi a stato solido







Memoria di massa Vs principale

Le memorie di massa vengono introdotte per

ovviare ai seguenti limiti della memoria

principale:

• La volatilità

• La dimensione limitata

Rispetto alla memoria principale presentano

dei vantaggi e degli svantaggi







Vantaggi delle memoria di massa

Minore volatilità

Grandi capacità di memorizzazione

Possibilità di essere rimosse dalla macchina e

archiviate separatamente

• Vale solo per alcune tipologie di memorie







Svantaggi delle memorie di massa

Tempi molto più lunghi di risposta

• I sistemi magnetici e ottici richiedono un

movimento meccanico

• I sistemi elettronici (come la memoria principale)

non hanno movimenti meccanici

Maggiore esposizione ai guasti meccanici

• I sistemi con parti mobili sono più esposti di quelli a

stato solido







Funzioni delle memorie di massa

Consentono di immagazzinare in modo

permanente dati e programmi non in uso

Consentono di ricaricare, in qualsiasi momento,

dati e programmi dalla memoria centrale

Comprendono due elementi distinti:

• Il dispositivo

• Il supporto di memorizzazione







I supporti di memorizzazione

Sono i componenti fisici su cui si

immagazzinano i dati

Si dividono in più macrocategorie:

• Supporti magnetici

• Supporti ottici

• (Supporti magneto-ottici)

• Supporti a stato solido







I dispositivi di memorizzazione Hanno la funzione di leggere e scrivere i dati sul

supporto

Lettura è il processo di copiatura dei dati dal

supporto di memorizzazione alla memoria centrale

dell’elaboratore

Scrittura è il processo di copiatura dei dati

dalla memoria centrale dell’elaboratore al supporto

di memorizzazione

La testina di lettura/scrittura svolge tali compiti







Dispositivi e supporti di memorizzazione

Supporto di memorizzazione

(CD-ROM)

Dispositivo di memorizzazione

(Lettore di CD-ROM)





I sistemi magnetici




La memoria magnetica Sfrutta il fenomeno della polarità: due magneti

si attraggono o respingono a seconda che i poli

siano di segno opposto o uguale







La memoria magnetica: funzionamento

In sede di scrittura: la testina di lettura/scrittura

emette degli impulsi elettrici che invertono la polarità

delle piccole particelle magnetiche presenti nella

superficie del supporto

La polarità delle particelle rappresenta i dati espressi

in forma binaria: 0 e 1

In sede di lettura: le particelle magnetizzate inducono

nella testina una corrente elettrica (sequenza binaria)







I dischi magnetici

Sono anche detti dischi magnetici o hard

disk drive (HDD)

Sono le memorie di massa più utilizzate

Negli anni le loro dimensioni si sono

rimpicciolite e la loro capienza è aumentata

Anno: 1987

Capienza: 20 MB

Costo: $ 6.500,00

Anno: 2015

Capienza: 3 TB

(3.145.728 MB)

Costo: $ 239,00







Funzionamento di un disco magnetico

Un HDD classico è

costituito da una scatola

sigillata contenente uno o

più piatti (di vetro-ceramica o

di alluminio) rivestiti da un

sottile strato di materiale

magnetico







La struttura di un disco magnetico

LEGENDA:

A) Traccia

B) Settore

C) Settore di una

traccia (o anche

traccia di un settore)

D) Cluster







Le tracce

In ogni piatto la lettura/registrazione dei dati

avviene per mezzo di una coppia solidale di testine

di lettura/scrittura (una per ogni superficie) che

agiscono sul piatto grazie all’azione meccanica di

un braccio mobile su cui sono ancorate

I dati sono registrati nelle tracce: dei cerchi

concentrici ubicati sulle superfici di ogni piatto del

disco fisso







I cilindri e i settori

L’insieme delle tracce presenti sulle superfici

dei vari dischi e, allineate l’una sull’altra,

costituiscono il cilindro

L’insieme delle porzioni, di tutte le tracce di una

superficie di un piatto, delimitate da due raggi

posti a distanza definita, è detto settore

Nei settori i dati sono registrati come una

stringa continua di bit







Memorizzazione a capacità normale

Ogni traccia contiene lo stesso numero di settori

Ogni settore contiene lo stesso numero di bit

Densità dei bit ubicati nei

settori delle tracce più

vicini al centro del disco

Densità dei bit ubicati nei

settori delle tracce più vicine

al bordo esterno del disco >







Memorizzazione ad alta capacità

Le tracce vicino al bordo esterno contengono molti

più settori di quelle vicino al centro

Si utilizza la registrazione dei bit a zona

Le tracce adiacenti sono raggruppate in zone

Ogni traccia della zona ha uguale numero di settori

Numero dei settori per

traccia di una zona esterna

Numero dei settori per

traccia di una zona interna >







Schema del funzionamento di un HDD







La scrittura contemporanea

Poiché le testine sono tra di loro solidali è possibile

scrivere o leggere contemporaneamente su tutte le

tracce che costituiscono un cilindro

• Se un HD ha 1 piatto un cilindro avrà 2 tracce

• Se un HD ha 2 piatti un cilindro avrà 4 tracce

• Se un HD ha 8 piatti un cilindro avrà 16 tracce

L’insieme di porzioni di tracce contigue è detto

cluster







Capacità di un sistema a dischi

Dipende da tre fattori principali:

• Il numero dei piatti utilizzati

• Il numero di superfici utilizzate in ogni piatto

• La densità con cui sono disposti settori e tracce







Prestazioni di un sistema a dischi (1/2)

Vengono valutate utilizzando vari parametri:

• Tempo di posizionamento

o È il tempo necessario a spostare la testina (di

lettura/scrittura) da una traccia all’altra

• Latenza (o ritardo di rotazione)

o È il tempo medio affinché i dati arrivino sotto la testina,

quando questa è stata posizionata sulla traccia prescelta

o Ovvero, è la metà del tempo necessario al disco per effettuare

una rotazione completa







Prestazioni di un sistema a dischi (2/2)

• Tempo di accesso

o È la somma del tempo di posizionamento e del ritardo

di accesso

• Velocità di trasferimento

o È la velocità con cui i dati possono essere trasferiti dal

disco o al disco

o Nella registrazione a zone varia in base alla porzione di

disco usata (la quantità di dati letti è maggiore nelle tracce di

una zona interna)







Il crash della testina

Per garantire la massima velocità di rotazione le

tesine non toccano la superficie del disco ma

«fluttuano» sopra di essa a distanza ravvicinatissima

Una singola particella di polvere sarebbe sufficiente

a distruggere la testina e la superficie del disco

Per proteggere i sistemi a dischi rigidi, questi sono

contenuti in unità sigillate dalla fabbrica







Elogio della lentezza ?

In un circuito elettronico i

tempi di ritardo si misurano al

più in unità di nanosecondi

(miliardesimi di secondo)

In un sistema a dischi, che

prevede dei movimenti fisici, i

tempi si misurano al più in

millisecondi (millesimi di

secondo)







La struttura di un floppy disk







I floppy disk

I primi floppy “flessibili” avevano un diametro

da 8 pollici e una capacità da 100KB

Gli ultimi in uso dagli anni 80 avevano un

diametro da 3,5 pollici e una capacità da 1,44 MB

Sono oramai “estinti”

poiché poco capienti







I sistemi a nastro In tali sistemi le informazioni sono registrate in un

sottile nastro magnetico avvolto in una bobina

La scrittura delle informazioni è sequenziale

Svantaggi

• Tempi di ricerca molto lunghi

• Tempi di avvolgimento/riavvolgimento molto lunghi

Vantaggi

• Basso costo

• Elevata capacità di memorizzazione







Nuove tecnologie per gli HD

Il progresso tecnologico ha migliorato la velocità

e la capacità dei dischi rigidi

Tra le tecnologie, che si sono susseguite nel corso

degli ultimi anni, particolare importanza hanno:

• Le testine magneto resistenti (MR)

• Gli SSD (Solid State Disk)







Le testine magneto resistenti

Cambiano resistenza in presenza di un campo

magnetico

Operano a una distanza dalla superficie dei

piatti particolarmente ridotta

Consentono una maggiore densità di

registrazione, aumentando la capacità dei dischi







Gli SSD (Solid State Disk)

Utilizzano la memoria solida per la

memorizzazione dei dati (es: memoria flash)







I vantaggi della tecnologia SSD

Assenza di rumorosità

Bassa probabilità di guasti

Consumi ridotti

Tempo di accesso ridotto

Maggiore resistenza alle vibrazioni

IMPORTANTE: Fisicamente un HDD SSD

non è un disco magnetico (equivalenza funzionale)





I sistemi ottici




La memoria ottica (1/2)

In sede di scrittura: la registrazione avviene tramite

un raggio laser che crea sottili scanalature sulla

superficie del disco







La memoria ottica (2/2)

In sede di lettura: un sottile raggio laser colpisce la

superficie del disco in rotazione che riflette una

certa quantità di luce:

• Maggiore o minore a seconda che la zona colpita sia una

scanalatura o un rilievo

Un rivelatore fotoelettrico misura i diversi gradi di

rifrazione della luce

I circuiti elettrici convertono le irregolarità rilevate

in forma binaria







La superficie di CD-ROM e DVD-ROM

Le scanalature sono realizzate per pressofusione

L’alternanza di zone chiare (rilievi) e scure

(scanalature) rappresentano la sequenza binaria







La tecnologia di memorizzazione

I dati sono memorizzati in una singola traccia

che gira a spirale dal centro verso l’esterno

La traccia è divisa in settori

• Della capacità di 2 KB di dati

• Dotati di proprie marcature di identificazione

I dati sono memorizzati a una densità lineare

uniforme sull’intera traccia a spirale

In una spira esterna sono archiviati più dati







Effetti delle scelte tecnologiche

I sistemi di memorizzazione su supporti del tipo

CD e DVD funzionano al meglio quando

trattano stringhe di dati lunghe e continue

La tecnica a spirale non è idonea per l’accesso

casuale a dati di piccole dimensioni







Il laser e i dischi ottici

Il laser (Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation) viene utilizzato per

effettuare la lettura e la scrittura dei dati nei dischi

ottici

Il laser è una forma di radiazione elettromagnetica

simile onde radio e alle microonde

Attualmente si utilizzano i raggi infrarossi e (da

qualche anno) anche i laser blu







Il laser blu

Ha una lunghezza d’onda molto più corta

rispetto a quella degli infrarossi

Possono registrare in una data area una quantità

di dati 4 volte maggiore

Infatti il raggio del laser blu è ¼ di quello degli

infrarossi

È usato nella tecnologia Blu-Ray







Le categorie di dischi ottici

Dischi di sola lettura

Dischi che possono essere registrati una sola volta

Dischi che possono essere riscritti più volte







I CD (1/2)

Possono archiviare fino a 800 MB di dati

Vengono valutati in base a:

• Tempo di accesso

• Velocità di trasferimento dei dati

Hanno varie velocità di rotazione espresse in multipli

di quella dei CD musicali (prima generazione)

Una V.d.R. maggiore determina:

• Un minor tempo di accesso

• Una maggiore velocità di trasferimento dei dati







I CD (2/2)

Si dividono in:

• CD-ROM, possono essere solo letti

• CD-R (registrabili), possono essere scritti una sola

volta

• CD-RW (riscrivibili), possono essere registrati e

cancellati più volte







Il processo di creazione di CD e DVD

Richiede l’utilizzo di appositi dispositivi detti

masterizzatori

Il processo di scrittura e/o riscrittura è differente

da quello di pressofusione dei CD-ROM e dei

DVD-ROM







Registrazione e riscrittura

Nella registrazione di un supporto, un raggio

laser crea, nello strato di materiale dello stesso, un

rilievo a cui è associabile il valore binario 1

Nella riscrittura, il laser modifica il materiale del

supporto da uno strato cristallino a uno amorfo







I DVD

I DVD (Digital Versatile Disk) possono

memorizzare varie quantità di dati a seconda del tipo

• 1 superficie, 1 strato 4,7 GB

• 1 superficie, 2 strati 9,4 GB

• 2 superfici, 2 strati 17 GB

Vi sono DVD sia riscrivibili che registrabili, che

purtroppo usano tecnologie tra loro incompatibili

• DVD-R /RW • DVD+R/RW

• DVD-RAM







La differente densità di CD e DVD







Il Blu-Ray

Utilizza il laser blu

Riesce a contenere fino a 200 GB di

dati, ovvero quasi 40 volte di più

rispetto a un DVD Single Layer-

Single Side (4,7 GB)

Utilizza il termine Blu al posto di

Blue per motivi di registrazione del

marchio

La Playstation 3 è stato il primo

dispositivo a implementarlo







Comparazione tra i formati dei dischi ottici





Le unità flash




Funzionamento della memoria flash

I bit vengono memorizzati inviando direttamente

dei segnali elettrici al dispositivo di

memorizzazione

Nel dispositivo di memorizzazione gli elettroni

sono intrappolati in piccole celle di biossido di

silicio

Le celle possono trattenere gli elettroni per molti

anni anche in assenza di alimentazione esterna







Modalità di accesso

Accesso ai dati memorizzati

• Possibile anche indirizzando ogni singolo byte in piccole

unità di bit, come nella RAM

Cancellazione dei dati

• Possibile solo in grandi blocchi







Alcune criticità

Ogni cancellazione danneggia progressivamente le

celle di silicio

Le memorie flash non sono adatte per usi che

prevedono frequente modifica dei dati salvati

Esistono dei sistemi di distribuzione dell’usura

per aumentare il tempo di vita dei SSD







Riassumendo …

La memoria flash:

• Utilizza chip simili a quelli utilizzati per la

memoria centrale (RAM) ma in grado di

registrare i dati in modo permanente

• I dispositivi che la utilizzano non hanno parti

mobili e sono quindi più veloci di dischi e

nastri letti da dispositivi elettromeccanici

• Sono comunemente implementare nelle

chiavette USB e nelle schede di memoria SD

(e derivate)







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