Memorie di massa



Дата18.04.2016
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MEMORIE DI MASSA
Abbiamo visto che al momento dello spegnimento del calcolatore vengono cancellati tutti i dati contenuti nella memoria centrale. Bisogna quindi disporre di un sistema per conservare i dati che si sono elaborati ed i programmi che servono ad elaborarli. Per questo esistono le memorie di massa, memorie di tipo permanente, che esistono sotto forma di nastri magnetici o dischi magnetici, ottici o magneto ottici. Può venire naturale chiedersi allora perché non si usi sempre questo tipo di memoria. Il motivo è il tempo di accesso a questi dispositivi (che, analogamente a quanto visto per la memoria centrale corrisponde al tempo che trascorre dal momento in cui la CPU invia un comando di lettura di un dato a quello in cui il dato diventa effettivamente disponibile per l'elaborazione). Esso è infatti molto più elevato rispetto a quello della memoria centrale: un'operazione che in memoria centrale richiede alcune decine nanosecondi richiede ad esempio vari millisecondi quando viene eseguita su disco. Quindi eseguire un miliardo di operazioni in memoria centrale richiede alcune decine secondi, mentre eseguire le stesse operazioni su un disco richiederebbe alcune migliaia di secondi (N.B. 1000 secondi sono circa 17 minuti!).
Il primo tipo di memoria di massa utilizzata sono state le schede perforate. Queste erano cartoncini in cui, ad ogni foro, corrispondeva un uno in una posizione corrispondente ad una certa codifica; queste schede venivano lette da un lettore di tipo ottico che riusciva a distinguere dove c'era il foro e dove non c'era e consentiva il trasferimento dei dati dalla scheda alla memoria centrale. Se si dovevano scrivere dati da conservare, si usava un perforatore di schede che era un dispositivo simile ad una macchina da scrivere con una tastiera simile a quella dei computer attuali, che disponeva di una serie di aghi, anziché di martelletti come nella macchina da scrivere. Il perforatore di schede conteneva anche un cassetto che conteneva pacchi di schede, pronte per essere forate. Ovviamente come tipo di memoria era molto poco pratica. Ogni scheda corrispondeva al contenuto di pochi byte e, quindi, quando si cominciavano ad avere programmi di una certa mole o quantità di dati significative, si formavano pacchi di schede di dimensioni considerevoli; le schede, inoltre, potevano deteriorarsi, piegarsi, forarsi e quindi generare errori. Un progresso decisivo si è avuto nel momento in cui si è passati alla memorizzazione su supporto magnetico.
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l primo tipo di memoria di massa magnetica realizzato è stato il nastro magnetico. I nastri magnetici per computer sono del tutto analoghi ai nastri a bobina che vengono utilizzati per le registrazioni musicali o video analogiche.

Fig. 6
L'organizzazione tipica del nastro magnetico su bobina (ormai abbandonato) era simile a quella che si vede in figura 6. Si avevano 9 tracce, quindi la testina era in grado di operare su 9 sezioni parallele del nastro, su ciascuna delle quali viene scritto uno dei bit che compongono i byte che devono essere memorizzati. Può stupire il fatto che le tracce siano 9 invece che 8 (1 byte= 8 bit), ma in generale si ha un nono bit, che non contiene informazioni utili, ma che si utilizza come controllo (controllo di parità): si possono cioè eseguire alcune operazioni durante la scrittura o la lettura e far sì che questo nono bit indichi se il byte è stato scritto in modo corretto o sbagliato. Si può ad esempio supporre di usare una regola secondo cui, se il byte contiene un numero pari di 1 (o di 0), questo bit (detto bit di parità) sia 1, se è dispari 0. Se viene scritto sul nastro un numero pari di 1 e, nel corso dell'operazione di verifica che normalmente viene fatta contemporaneamente alla scrittura, si osserva che il bit di parità ha assunto il valore 0, questo significa che uno degli altri 8 è stato scritto in modo sbagliato. Si tratta quindi di un bit di controllo che consente di effettuare una verifica sulla correttezza della scrittura del dato. Di solito si usano procedimenti più complessi che consentono di correggere errori meno banali. Attualmente si usano nastri derivati dai nastri video, che consentono di memorizzare dati con una densità (quantità di dati per unità di lunghezza) molto elevata. La disposizione fisica dei dati sul nastro è diversa, ma il principio resta sostanzialmente lo stesso.

L'accesso alle informazioni contenute sul nastro è ovviamente di tipo sequenziale: si è detto in precedenza che le RAM, le ROM, le PROM e le EPROM sono memorie ad accesso random, cioè con cui basta generare l'indirizzo per avere subito disponibile il dato corrispondente; con i nastri magnetici, invece, accade ciò che si verifica nelle registrazioni musicali: se si vuole ascoltare un brano musicale che si trova in fondo al nastro, bisogna per forza scorrere tutta la bobina. Analogamente, se vogliamo cercare dei dati raccolti in una certa posizione del nastro, bisognerà farlo scorrere fino a quella posizione. Quindi, seppure il tempo di accesso ad un singolo byte sia analogo a quello di altri dispositivi, l'organizzazione di tipo sequenziale fa sì che l'accesso a un dato sia mediamente molto lento (anche dell'ordine dei minuti). Quindi l'utilizzazione principale dei nastri è quella di copia per motivi di sicurezza di grosse quantità di dati, con un'alta densità di registrazione (su un nastro magnetico possono essere memorizzate decine di Gbyte) e con il vantaggio della portatilità: quindi con un unico lettore e un numero elevato di nastri (dal costo limitato) si può disporre di un archivio molto ampio. Si può notare che i dati, oltre ad essere divisi in tracce, sono divisi in blocchi. Cioè durante la scrittura su nastro e quindi in seguito anche durante la lettura, per motivi di velocizzazione delle operazioni, non si fa mai accesso ad un solo byte alla volta ma ad un certo numero di byte, tipicamente 256 o 512 byte. Raggruppare i byte può portare dei vantaggi in termini di velocità, poiché al momento in cui si avvia il nastro, la lettura può essere fatta correttamente soltanto una volta che questo abbia raggiunto la velocità standard di scorrimento e, mentre l'arresto del nastro può essere pressoché immediato, l'avviamento risente dell’inerzia meccanica del dispositivo che fa sì che la velocità di scorrimento standard, necessaria per una corretta lettura, venga raggiunta in alcune frazioni di secondo, durante le quali il nastro si sarà spostato di una certa lunghezza. Pertanto, tra un blocco e un altro è necessario interporre un gap, cioè uno spazio bianco, che dovrà essere più lungo di tale lunghezza. Se supponiamo, quindi, che, al momento in cui si termina la lettura il nastro sia posizionato esattamente alla fine del blocco appena letto, fra quest'ultimo ed il blocco successivo è necessario predisporre il gap.
Se invece di dare un'organizzazione di tipo rigorosamente sequenziale come quella di un nastro, si dispongono i dati su un supporto di forma diversa come ad es. un disco, a parità di supporto magnetico e quindi di registrazione di informazioni sì potrà ottenere un tempo di accesso decisamente più rapido.
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ediamo come vengono organizzati i dati su un disco (figg. 7   8).

Fig. 7
Le tracce, a differenza del nastro, in cui erano poste in modo parallelo, sono concentriche. A loro volta i blocchi in questo caso sono settori circolari in cui viene suddiviso il disco. Pertanto, a causa della forma del disco, un punto che si trova su di esso ritorna periodicamente nella stessa posizione, e non c'è quindi bisogno di predisporre il gap, con conseguente aumento della densità di memorizzazione di tale supporto. Anche qui esiste il problema che, dal momento dell'avviamento del disco, passa un po' di tempo prima che questo giunga alla velocità ideale per la lettura; ma, basterà attendere che, una volta raggiunta la velocità di lettura, il dato ripassi sotto la testina per poterlo leggere. Quindi viene utilizzato un singolo gap, che serve unicamente per segnalare l'inizio del conteggio dei settori. Ad esempio, supponiamo di voler leggere il settore che in fig. 8 è contrassegnato da un asterisco. Possiamo supporre di cominciare a contare dall'interno le tracce e contare i settori a partire dal gap e procedendo in senso orario; il settore contrassegnato dall'asterisco nella figura corrisponde allora alla seconda traccia del primo settore.





Fig. 8
I settori interni del disco sono più corti e questo, poiché in ogni settore deve essere registrato un ugual numero di dati, fa sì che la densità di registrazione delle tracce interne sia maggiore di quella delle tracce esterne. Tenendo conto che c'è un limite nella densità delle informazioni che possono essere registrate su un supporto magnetico, si ha una utilizzazione non ottimale del supporto, in quanto solo nelle tracce interne si può utilizzare la massima densità possibile, mentre la densità delle tracce esterne sarà inferiore.


Se da un certo punto di vista, quindi, le tracce esterne sono sottoutilizzate, quelle interne, poiché le prestazioni del supporto vengono portate al limite, sono quelle in cui si può avere più facilmente qualche inconveniente, come ad esempio una smagnetizzazione, da cui può derivare la perdita di qualche dato. In testa a ciascun blocco di dati viene scritto il suo indirizzo, individuato dalla traccia e dal settore.
Al momento in cui si acquista un disco, questo è semplicemente di materiale magnetico neutro, privo di punti di riferimento per il calcolatore. Per poterlo utilizzare occorre dargli un formato, quindi eseguire la cosiddetta operazione di formattazione. Il disco non viene, di solito, formattato direttamente dalla fabbrica in quanto ogni sistema di calcolo utilizza una diversa convenzione (formato) e quindi, nonostante si possano usare gli stessi dischi con sistemi diversi, a seconda del sistema utilizzato vengono registrate in partenza informazioni diverse che consentiranno in seguito di accedere ai dati.
Il sistema più semplice per operare una lettura su disco è disporre di un'unica testina disposta radialmente che può spostarsi lungo il raggio e quindi può leggere qualunque traccia del disco. Il metodo più semplice per velocizzare la lettura consiste nell'utilizzare un unico blocco composto da più testine, una per traccia, onde evitare di dovere attendere il tempo necessario alla testina per posizionarsi sulla traccia in cui è contenuto il dato che deve essere letto. Se il dato si trova nel settore immediatamente successivo alla posizione della testina, la lettura sarà pressoché immediata, ma se il dato è appena passato sotto la testina bisognerà attendere che il disco compia un'intera rotazione prima di poterlo leggere. Quindi si può dire che, mediamente, il tempo di accesso di un disco è pari al tempo necessario ad una mezza rotazione del disco. Memorie di massa più veloci possono essere costruiti da sistemi a stack (fig. 9), in cui si hanno più dischi con più testine e quindi, se i dati vengono scritti nella stessa posizione relativa in dischi diversi si potrà accedere contemporaneamente ad una quantità di dati superiore a quella accessibile su un singolo disco di tante volte quante sono i dischi che vengono impiegati.



Fig. 9
Un sistema di memorizzazione che consente di ovviare ai problemi di densità non omogenea che si hanno nei dischi, è il sistema basato sui tamburi magnetici (fig. 10): si tratta di cilindri in cui i dati sono scritti sulla superficie esterna: quindi, ogni traccia ha la stessa dimensione e inoltre, essendo il sistema a testine fisse, la lettura può avvenire piuttosto rapidamente.

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ig. 10
Tuttavia, rispetto ad una pila di dischi, si ha una superficie utile minore e quindi la memorizzazione delle informazioni è meno efficiente. I tamburi magnetici, comunque, sono utilizzati molto raramente.
I dischi che offrono la massima capacità di memorizzare informazioni sono quelli ottici: usano la stessa tecnologia che viene utilizzata per i compact disc e per i DVD, cioè l'1 o lo 0 vengono codificati mediante un foro, praticato con il raggio laser su una superficie riflettente, di dimensioni talmente piccole che su un disco di grandezza uguale o poco superiore a quella di un compact disc, possono essere memorizzate quantità di dati molto elevate, dell'ordine di alcune centinaia di Mbyte (CD-ROM) fino ad alcuni Gbyte (DVD-ROM) ed oltre per dischi ottici di dimensioni maggiori. Se non c’è foro il raggio laser a di bassa potenza che è presente sul lettore viene riflessa, altrimenti attraversa il disco. Le due situazioni corrispondono ovviamente una all’1 e una allo 0. I dispositivi che scrivono i dischi ottici (masterizzatori) forano fisicamente il disco e fanno quindi sì che questo non sia più riscrivibile, in quanto una volta praticato il foro non è più possibile “riempirlo” di nuovo. Per questo motivo i dischi che operano secondo questo principio si chiamano di tipo WORM che significa Write Once Read Many, cioè “scrivi una volta sola e leggi molte volte”. Esistono ora anche dischi di tipo riscrivibile (CD-RW), che si basano su alterazioni reversibili della superficie riflettente.

Per quanto si dica che il compact disc è pressoché indistruttibile, è più corretto dire che il danneggiamento o la mancata lettura di alcuni byte portano ad alterazioni impercettibili a livello di ascolto, per quanto riguarda la ricostruzione di un segnale musicale, anche per merito dei metodi di correzione degli errori che sono presenti all'interno di un lettore di compact disc. Quando invece si tratta di dati, la perdita di un singolo bit può essere talvolta sufficiente a compromettere completamente l'elaborazione. Si pensi ad es. ad un'immagine di tipo medico in cui una zona di interesse può essere rappresentata da una alterazione di dimensioni anche molto limitate, che può essere molto simile all'effetto che si può avere a causa della perdita o all'alterazione di qualche byte. Oppure più semplicemente ad un programma in cui venga sostituita un’istruzione con un’altra a caso, determinata dall’errore di lettura. Bisogna quindi essere cauti nel valutare l'affidabilità di questi dispositivi, anche se è di solitosuperiore rispetto a quella un supporto magnetico; pertanto, se si vuole gestire un archivio, anche utilizzando dischi ottici bisognerà comunque disporre sempre di una seconda copia di sicurezza (backup).


Vediamo ora quali sono i parametri caratteristici dei dispositivi di memorizzazione di massa, in particolare dei dischi e dei nastri: la caratteristica principale è la capacità, cioè la quantità totale di byte che si può memorizzare. Per i nastri a bobina era dell'ordine di alcune decine di Mbyte; ora, con l'avvento dei DAT e del nastri video (ad es. Video 8 Sony) si può arrivare a decine di Gbyte. Può essere interessante anche valutare il costo medio di un nastro per valutare il costo effettivo per byte di questi dispositivi: un nastro DAT costa in genere circa dalle 20000 alle 30000 lire. Per quanto riguarda i dischi, abbiamo detto che possono essere asportabili o fissi. I dischi asportabili sono di solito i floppy disk che possono essere da 3.5 pollici di diametro e contenere 720 Kbyte, 1.44 Mbyte o 2.88 Mbyte, oppure da 5 pollici e 1/4 (ormai in disuso) e possono contenere o 360 Kbyte o 1.2 Mbyte. Per quanto riguarda i floppy disk, hanno un costo di 800   2000 lire, fino a circa 4000 lire per quelli da 2.88 Mbyte, standard che però non si è affermato ed è ormai in disuso. Nel sistemi più vecchi venivano utilizzati anche dischi da 8 pollici, con una capacità di circa 360 Kbyte. Nella valutazione del costo dei dischi asportabili bisogna considerare anche il prezzo del lettore, di solito molto basso per quanto riguarda i lettori di floppy disk. Un lettore di floppy ha un prezzo di circa 30000 lire. Gli hard disk sono dischi fissi, contenuti all'interno del mobile del calcolatore o in contenitori esterni e comprendono anche il dispositivo di lettura. Gli hard disk hanno una capacità che va oggi di solito da 20 Gbyte in su (10 Gbyte per gli hard disk dei computer portatili), con prezzi da circa 250000 lire in su.
Per quanto riguarda i dischi ottici e magneto ottici, da un lato, hanno una capacità molto elevata, che va dai circa 650 Mbyte dei CD-ROM a decine di Gbyte e possono costare dalle 1500/2000 lire (CD-ROM) alle 4-5000 (CD-RW) ad alcune decine di migliaia di lire (dischi WORM di formato superiore) circa in su, e quindi hanno un prezzo per byte molto basso. Facendo il conto attualmente i dispositivi più economici, relativamente al costo per byte sono i CD-ROM, che però possono essere scritti una sola volta. Il masterizzatore tuttavia ha un costo mediamente superiore a quello di un hard disk di fascia economica. Inoltre i tempi di accesso sono molto più elevati rispetto ad un hard disk. I CD-RW hanno caratteristiche analoghe, con un costo per byte lievemente più alto, ma sono riscrivibili. Tuttavia, per come è organizzata l’informazione sul disco, non è possibile utilizzarli esattamente come un hard disk. Inoltre, possono essere riscritti un numero elevato, ma comunque limitato di volte. I DVD-ROM (e DVD-RW) possono immagazzinare quantità di dati molto più elevate dei CD-ROM, però al momento sono piuttosto cari, e soprattutto sono cari i corrispondenti masterizzatori. In poco tempo molto probabilmente sostituiranno i CD-ROM e i CD-RW ad un costo analogo.
Gli altri due parametri che caratterizzano un dispositivo per la memorizzazione di massa sono il tempo di accesso, che equivale al tempo che trascorre dal momento in cui si impartisce l'ordine di andare a leggere un dato, al momento in cui la testina o il sistema di lettura si posizionano sul dato stesso. Per i nastri non ha molto senso parlare di tempo di accesso in quanto abbiamo una struttura sequenziale, quindi, come già detto, la ricerca di un dato può richiedere anche minuti se il nastro è lungo. Per i floppy si hanno tempi di accesso dell'ordine di 150 millisecondi, per i dischi ottici di 40 100 millisecondi, per gli hard disk qualche millisecondi. Una volta che sono stati raggiunti i dati, è importante considerare quanto tempo impiegano per essere trasferiti in memoria: questo parametro è detto Transfer Rate e si misura in Kbyte al secondo. Questo dipende in buona parte dalle caratteristiche meccaniche del disco ma anche dal dispositivo di controllo, cioè dalla scheda che viene utilizzata per gestire le operazioni che si effettuano sul disco. Per i floppy si hanno Transfer Rate nell'ordine delle decine di Kbyte/s, per i dischi alcuni Mbyte/s, per gli hard disk si arriva anche a decine di Mbyte/s. Come abbiamo già accennato, per le diverse caratteristiche che presentano questi dispositivi, la loro utilizzazione varia da dispositivo a dispositivo. L'hard disk è una memoria di massa veloce e, per brevi periodi, può essere utilizzato anche durante una elaborazione nel caso che la memoria centrale non sia in grado di contenere tutti i dati da elaborare, compromettendo solo in modo limitato la velocità del processo. Quindi sono utilizzabili per memorizzare dati e programmi che vengono utilizzati molto spesso e quindi è necessario che risiedano permanentemente all'interno del calcolatore, o siano sfruttati da meccanismi di gestione della memoria che possono utilizzare l'hard disk come se fosse memoria RAM. I floppy disk, i CD ROM e alcuni dischi ottici, essendo asportabili e tascabili sono molto utili per la memorizzazione di quantità (limitate, nel caso dei floppy) di dati o per il trasferimento di dati fra calcolatori che non sono collegati fra loro in rete, mentre i nastri e i dischi ottici di maggiore capacità e dimensioni vengono prevalentemente utilizzati per l'archiviazione di grandi quantità di dati.


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