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.»

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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