Introduzione al
Computer
Appunti di STA
per la classe 2 Fi
A cura del prof. Ing. Mario Catalano
1
Le componenti hardware
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L’alimentatore − 1
L’energia elettrica viene distribuita in corrente alternata a
bassa tensione: in Europa la tensione è di 220 volt con una
frequenza di 50Hz, mentre negli USA è di 115 volt a 60Hz
I circuiti elettronici invece:
Funzionano a bassissima tensione (al di sotto dei 15 volt) ed in
corrente continua
Richiedono valori molto stretti nelle tolleranze delle tensioni e
mal sopportano variazioni superiori al 5−10%, limiti oltre i quali
possono danneggiarsi irreparabilmente
Sono sensibili a disturbi e rumori elettrici sovrapposti alla
tensione di alimentazione
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L’alimentatore − 2
Occorre quindi un dispositivo che…
…Abbassi la tensione ai valori richiesti dai
circuiti elettronici (da 3 a 12 volt)
…Trasformi la corrente alternata in
continua
…Stabilizzi i valori con tolleranze ristrette
…Elimini (per quanto possibile) i disturbi
presenti sulla rete
L’alimentatore è un sistema di conversione, che ha lo scopo
di adattare le caratteristiche della fonte di energia primaria
(per lo più la distribuzione elettrica) alle specifiche necessità
dell’elettronica digitale
All’alimentatore è demandato anche il compito di fornire
l’isolamento richiesto dalle norme di sicurezza e dalle
esigenze dell’applicazione
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L’alimentatore − 3
L’alimentatore consente di convertire le potenze richieste dal
PC (superiori a 200 watt) con un rendimento elevato (con
basse perdite) e con trasformatori di piccole dimensioni (costi
ridotti ed ingombri limitati)
Tuttavia, una certa quantità di energia si perde in fase di
conversione e l’alimentatore genera calore che deve essere
dissipato nell’ambiente per evitare danni ai componenti del PC
Una ventola, integrata all’alimentatore, fa circolare un flusso di
aria sufficiente al raffreddamento delle parti interne (oltre a
movimentare l’aria nel case )
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Gli stabilizzatori
I dispositivi di protezione contro gli sbalzi di tensione
assorbono l’energia in eccesso, auto−distruggendosi per
difendere l’elaboratore
Gli stabilizzatori funzionano come minibatterie e garantiscono
una sensibile riduzione dell’effetto delle cadute di tensione
I gruppi di continuità o UPS (Uninterruptible Power Supply )
svolgono le stesse funzioni degli stabilizzatori ma, poiché
comprendono una batteria, possono fornire energia per un
certo tempo dopo l’interruzione di corrente
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Hardware: un case smontato
Parte anteriore
Vista laterale
Alloggiamenti dischi
Parte posteriore
Scheda madre
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Alimentazione
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La scheda di sistema − 1
Tutti i membri della famiglia dei PC comprendono un
processore, vari chip di memoria e numerosi circuiti
“intelligenti”, cioè programmabili
Nei PC, tutti i principali componenti circuitali sono collocati
sulla piastra madre o mother−board;
board ulteriori componenti
funzionalmente significative sono poste su schede di
espansione,
espansione innestate in slot previsti sulla scheda di sistema
Il processore stesso è posizionato a innesto sulla scheda
madre
La scheda madre è realizzata in fiberglass e i componenti
elettronici che la costituiscono sono collegati tra loro da
tracce
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La scheda di sistema − 2
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I chip
I circuiti integrati (Integrated Circuit, IC), comunemente
chiamati chip,
chip sono blocchi di plastica nera o di ceramica
provvisti di piedini d’argento, detti pin (posti su entrambi i lati
o solo nella parte inferiore), che servono a collegarli con la
scheda di sistema
I chip contengono piccolissime schede con circuiti, collocate
su un substrato di silicio e collegate mediante minuscoli fili ai
piedini del chip
Il blocco di plastica, che costituisce il meccanismo di supporto
dei piedini e dei circuiti, permette al chip di collegarsi con il
mondo esterno
Le dimensioni dei chip dipendono dal numero dei piedini e
danno un’indicazione della complessità del circuito ivi
contenuto
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Principali IC della mother−board
Microprocessore:
Microprocessore è “la centrale operativa” del PC
ROM (Read Only Memory):
Memory contiene il software necessario
per inizializzare il computer, di solito fornito dal costruttore
dell’elaboratore
RAM (Random Access Memory):
fornisce uno
Memory
temporaneo in cui conservare programmi e dati
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spazio
Il microprocessore − 1
La CPU,
CPU Central Processing Unit,
è l’unità di elaborazione centrale
Le funzioni della CPU vengono
integrate in un componente
chiamato microprocessore
La CPU lavora a N GHz: segue un ritmo, definito dall’orologio
del sistema, di N miliardi di impulsi al secondo; questi
impulsi determinano la velocità del computer (es., il
microprocessore Intel Pentium IV con un clock a 3 GHz è
temporizzato da tre miliardi di impulsi al secondo)
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Socket
Il Socket è
l'alloggiamento ZIF
(Zero Insertion
Force) del
processore sulla
motherboard.
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Il microprocessore − 2
Il microprocessore è una calcolatrice dotata di molte
funzionalità supplementari: come in una calcolatrice i dati
vengono immessi, manipolati e, infine, si producono dei
risultati; come un PC è costituito da blocchi funzionali
I blocchi funzionali più importanti sono:
BIU,
BIU Bus Interface Unit,
Unit cioè unità di interfaccia del bus, svolge
tutte le funzioni richieste per fare fluire i dati nel/dal
microprocessore
EU,
EU Execution Unit,
Unit cioè unità di esecuzione, esegue le istruzioni
Unità Aritmetico Logica (ALU)
Registri
Unità di Controllo (CU)
BUS
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registri
PC
Program Counter
ALU
CU
IR
Instruction Register
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Il microprocessore − 3
Alcuni dettagli, per esempio la quantità di memoria che può
essere gestita contemporaneamente, il numero di istruzioni
diverse disponibili e la velocità di esecuzione delle operazioni,
distinguono microprocessori simili
I modelli di punta attuali sono a 64 bit (la ALU è in grado di
elaborare dati rappresentati con 64 bit)
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Il bus − 1
Ognuno dei componenti funzionali del PC è collegato ad un
bus di controllo,
controllo un bus degli indirizzi e un bus dei dati,
dati
nonché ad una linea di alimentazione
Il bus di controllo trasmette segnali che indicano quando un dato è
disponibile per l’accesso, il tipo di accesso, e segnala eventuali
errori occorsi durante l’operazione
Ciascun componente collegato al bus degli indirizzi può riconoscere
una combinazione di segnali elettronici unica, detta indirizzo
Il microprocessore fornisce i segnali e quindi usa il bus dei dati per
trasferire i dati stessi
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Il bus − 2
Quando il microprocessore deve leggere dati dalla memoria,
segnala la locazione desiderata sul bus indirizzi e quindi li
legge sul bus dei dati
L’esatta sincronizzazione dei bus degli indirizzi
trasferimento dati è compito del bus di controllo
Memoria
principale
I/O
I/O
I/O
BUS
Indirizzi
Dati
Controllo
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di
Esempio:
Esempio il bus degli indirizzi è
formato da un numero di fili pari
al numero di bit dell’indirizzo:
ogni linea di indirizzo collega un
piedino del microprocessore a un
piedino del dispositivo di memoria
Dispositivi di Input/Output
CPU
e
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Le schede di espansione
Le schede di espansione espandono le funzionalità della
scheda madre per pilotare dispositivi interni o esterni
Le più comuni sono…
scheda video:
video su cui si connette il
monitor;
dalla
scheda
video
dipendono il numero di colori del
monitor, la risoluzione massima, la
velocità grafica, etc.
scheda audio:
audio attraverso cui il
computer è in grado di produrre o
registrare suoni
scheda di rete:
rete per le connessioni
dirette alla rete (senza modem)
scheda SCSI:
SCSI consente di pilotare
dispositivi
che richiedono una
particolare velocità nel trasferimento
dei dati
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Una scheda SCSI
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connettore AGP per la scheda video
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L'Accelerated Graphics
Port (AGP) è stata
sviluppata da Intel nel
1996 come modo per
aumentare le prestazioni
e velocità delle schede
grafiche. Il PCI Express,
evoluzione del bus di
espansione PCI,
introdotto con i primi
Pentium andrà a
sostituire anche
l'interfaccia per schede
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grafiche AGP.
Peripheral Component Interconnect (PCI)
E’ l'interfaccia
sviluppata da Intel
intorno agli anni ‘90
per collegare al
computer le più
svariate periferiche.
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I chip ausiliari − 1
Generatore di clock Fornisce i segnali multifase
dell’orologio, che coordinano il microprocessore e le
periferiche; gli altri chip, che richiedono un segnale di
temporizzazione regolare, lo ricavano dal generatore di clock
dividendo la frequenza fondamentale
In altre parole... l’orologio del sistema fornisce al computer
un battito regolare e sincrono
Qualsiasi funzione eseguita dal microprocessore impiega un
certo numero di battiti dell’orologio del sistema: in un
elaboratore a 2167 MHz il segnale dell’orologio oscilla 2 miliardi
e 167 milioni di volte al secondo
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La memoria centrale − 1
Il microprocessore possiede un’area per la memorizzazione
dei dati, di dimensioni molto limitate, dove conserva le
informazioni attualmente elaborate o i risultati intermedi di
un’elaborazione: memoria cache e registri
⇒
Questa piccola area di memoria non è sufficiente per eseguire
programmi
I PC dispongono di vari tipi di memoria una gerarchia di
memorie per poter ospitare i dati e i programmi
La memoria centrale (o memoria di sistema), cui può
accedere il microprocessore mediante il bus degli indirizzi, è
una combinazione di RAM e ROM
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La memoria centrale − 2
RAM, Random Access Memory il microprocessore può leggere e
scrivere informazioni dalla RAM; è una memoria volatile, che
conserva le informazioni solo finché non si conclude la sessione di
lavoro
ROM, Read Only Memory il contenuto non può essere
modificato; è una memoria permanente, poiché i dati in essa
contenuti vengono conservati anche a computer spento
Il software fondamentale è contenuto nella ROM (es., controllo
hardware all’accensione)
Ciascuna posizione di memoria ha un indirizzo unico
Nota:
Nota Tutti i programmi applicativi ed i dati attualmente in
elaborazione devono essere residenti in RAM; quando la RAM è
satura, parte del contenuto informativo viene scaricato in un’area
di swap sul disco fisso
Una RAM grande permette di non ricorrere a salvataggi temporanei
frequenti sull’unità di memoria di massa, operazione che comporta un
sensibile decadimento delle prestazioni
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Tipologie di memoria: DDR-III
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Il software della ROM − 1
La ROM è una memoria di sola lettura,
permanentemente registrata nei circuiti dei chip
del PC; contiene il software e i dati necessari ad
inizializzare il computer ed a far funzionare i
dispositivi periferici
Vantaggio:
Vantaggio routine che forniscono le funzionalità di
base incorporate nel sistema, con garanzia di
continua disponibilità
Il nucleo del software della ROM è costituito
dalle routine di avviamento che comprendono il
caricatore di boot−strap ed il ROM BIOS
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Memorie non volatili: la Rom
Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi tipi di Rom:
•
Rom
Read Only Memory
• Prom
Programmable Read Only Memory
• EProm
Erasable Programmable Read Only Memory
• EEprom Electrically Eras. Progr. Read Only Memory
L’unico tipo veramente di sola lettura è il primo, e
il più vecchio. Le flash ROM, aggiornabili via
software, sono quelle di uso corrente.
Le ROM sono utilizzate anche in dispositivi
diversi dai personal computer (ad esempio
nei cellulari)
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Il software della ROM − 2
Il caricatore di boot−strap ha la funzione di leggere un programma
di lancio dal disco e di trasferire ad esso il controllo
Su un disco di sistema (bootable ), il programma controlla l’esistenza di
un sistema operativo; in caso affermativo, i file necessari
all’inizializzazione vengono caricati in memoria assieme al relativo file
interprete dei comandi
Il ROM BIOS è la parte della ROM attiva quando il computer è al
lavoro: il suo ruolo è quello di fornire un insieme di servizi di base
richiesti per il funzionamento delle periferiche
BIOS (Binary Input−Output System ): comandi che controllano i
dispositivi periferici (es., traducono un comando, come “leggi dal
disco”, nella successione di passi elementari necessari a eseguire
effettivamente l’operazione, incluso il rilevamento di errori)
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La memoria CMOS
Tutti i PC sono dotati di una memoria permanente speciale,
alimentata da una batteria
A questa memoria si fa riferimento con il termine CMOS
(Complementary Metal−Oxide−Silicon) ed in essa sono
immagazzinati i dati relativi al clock in tempo reale ed alla
configurazione del sistema e delle sue periferiche
Parte della memoria CMOS viene impiegata per conservare le
specifiche relative al tipo di disco fisso e all’ammontare di
memoria disponibile; al momento del boot, il BIOS legge le
informazioni di configurazione in CMOS e le utilizza per
inizializzare il sistema
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Le porte − 1
Il computer deve
comunicare i dati
che elabora
Le porte di I/O
sono una serie di
prese, localizzate
sul
lato
posteriore
del
PC, utilizzate per
collegare
alla
macchina tutti i
dispositivi esterni
(monitor,
tastiera, mouse,
etc.)
Porte Audio In/Out/Mic
Porte PS2 Tast./Mouse
Porte USB
Connettore Ethernet per la rete
Uscita Monitor DVI
Porta parallela
Uscita Monitor VGA
Porta seriale
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Le porte − 2
Porte sulla scheda madre:
Porte PS/2 per il collegamento del mouse e della tastiera (una
dedicata al mouse, l’altra alla tastiera; non si possono invertire)
Porta Seriale per il modem, o per dispositivi che non richiedono
un flusso di dati molto veloce
Porta Parallela si usa quasi sempre per la stampante, ma è
adatta per qualunque dispositivo che richieda un flusso di dati
più veloce rispetto alla capacità della porta seriale
Porta USB (Universal Serial Bus ) è adatta per connettere al PC
qualunque tipo di dispositivo (USB); la tecnologia USB consente
di creare “catene” di dispositivi collegati tutti su un’unica porta
(fino a 127) e consente il collegamento “a caldo” (cioè a
computer acceso)
La differenza fra i vari tipi di connettori va al di là delle loro
dimensioni e della quantità di piedini presenti, e riguarda il
modo in cui i dati vengono trasmessi da e per le periferiche
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La porta seriale − 1
Nella porta seriale,
seriale i dati vengono inviati un bit alla volta: i bit
viaggiano in serie, l’uno dopo l’altro, sullo stesso filo; per
trasmettere un byte, sono necessari otto invii
La porta seriale consente il transito dei dati in entrambe le
direzioni, sia dal computer alla periferica che viceversa
L’utilizzo principale della seriale avviene nel caso di collegamenti
con periferiche attive, come mouse, modem, scanner, penne
ottiche
Il connettore della porta seriale ha 9/25 punti di contatto (pin):
uno serve per i bit di trasmissione, uno per i dati, uno per il
collegamento a terra, gli altri per lo scambio di particolari segnali
fra le periferiche ed il PC
I segnali riguardano, ad esempio, lo stato di “pronto a ricevere” della
periferica o del computer e quello di “richiesta di invio”
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Altri tipi di porta
Porta Video per connettere il monitor al computer
Porta di Rete per collegare la macchina direttamente ad una
rete di computer, senza usare il modem; la presa RJ45 è uno
standard di fatto.
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Usb (Universal Serial Bus)
E’ una connessione di tipo seriale.
Consente di collegare più periferiche (fino a 127) “a cascata”, anche
a computer acceso (hot-swap).
Entro certi limiti di assorbimento elettrico, i dispositivi connessi
possono essere alimentati direttamente – senza bisogno di altri cavi
o trasformatori esterni.
Un altro dei vantaggi
dell’interfaccia USB è la
possibilità di usarla per
qualunque tipo di periferica, dai
mouse alle stampanti ai
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masterizzatori.
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Connettori Usb
Le memorie di massa
Tutti i sistemi di elaborazione dispongono di alcuni supporti
per memorizzare permanentemente le informazioni: le
memorie di massa
Dischetti o floppy disk
Dischi fissi o hard disk
CD−ROM
Dischetti e dischi fissi utilizzano la stessa tecnologia di
memorizzazione: l’informazione viene codificata in modo
magnetico secondo schemi fissati dalla meccanica dei drive e
dal software che li controlla
La tecnologia alla base dei CD−ROM è invece di tipo ottico
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interfacce IDE e/o SCSI per Hard Disk, CD
e DVD.
Cavo ATA (Advanced
Technology Attachment)
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Molex: connettore di
materiale
35 plastico
Il disco rigido − 1
Gli alloggiamenti dei dischi fissi,
fissi simili a quelli dei floppy, sono
involucri chiusi all’interno del corpo centrale dell’elaboratore
I dischi fissi consentono la memorizzazione di dati, dei file del
sistema operativo e dei programmi applicativi (attualmente
fino a 250 GB)
Come le unità floppy, i driver per dischi rigidi sono collegati
all’alimentatore e al dispositivo di controllo dei dischi; anche la
struttura è simile, perché entrambi i tipi di unità sono dotati di
un motore che fa ruotare i supporti magnetici e di una testina
che legge e scrive le informazioni
I dischi fissi sono pilotati dal controller del disco,
disco a sua volta
collegato con il microprocessore
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Il disco rigido − 2
Il disco rigido è un’unità sigillata che contiene una pila di
lamine metalliche chiamate platter o piatti ; ognuno dei lati del
piatto è ricoperto da un sottile strato di materiale magnetico
Quando il computer è acceso i piatti ruotano costantemente
(l’unità floppy fa ruotare il dischetto solo al momento
dell’accesso)
Testine magnetiche leggono/scrivono i dati dal/
sul disco; ognuna delle superfici del piatto ha
una testina magnetica: i dati possono essere
scritti su ciascuna faccia; le testine sono
montate su un unico braccio e si muovono in
modo solidale (nei floppy, le testine sono in
contatto con il supporto magnetico, mentre nei
dischi fissi si spostano appena sopra la
superficie del disco)
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Il disco rigido − 3
Come nei dischetti, ognuna delle superfici del piatto è divisa
in una serie di anelli concentrici, le tracce, ed ogni traccia è
divisa in settori
I dischi ruotano ad alta
velocità (diverse migliaia di giri
al minuto)
Il numero di bit contenuti in
una traccia è dell’ordine delle
centinaia di migliaia
Il numero di tracce è variabile
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Platters
Tracks
Platter
Sectors
Track
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Il disco rigido − 4
Le caratteristiche salienti del disco fisso in termini di
prestazioni sono:
Il ritmo di trasferimento dei dati, che è la quantità di dati
trasferibili in un secondo dal disco al controller
Il tempo medio di accesso, che il tempo necessario a
posizionare la testina sull’apposita traccia (seek time ), più il
tempo che occorre perché l’apposito settore passi sotto la
testina (latency time )
La capacità di immagazzinamento, che è la massima quantità
di dati che si possono memorizzare su disco dopo la
formattazione; infatti il sistema operativo utilizza una parte del
disco per immagazzinare le proprie informazioni e quindi lo
spazio reale per la memorizzazione dei dati è inferiore dopo la
formattazione
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Hard−disk rimovibili
Per basse capacità (fino a 4 GB), esistono dispositivi USB, di
dimensioni ridottissime, a forma di penna, che permettono di
immagazzinare dati e trasferirli ad alta velocità attraverso la
porta USB 2.0 di qualsiasi PC
Per capacità superiori, si utilizzano invece i mini drive,
drive
rimovibili e trasportabili senza bisogno di alimentazione
(vengono alimentati dalla porta USB) e d’installazione
Le dimensioni ed il peso contenuti (grandi come una
calcolatrice e sotto i 200gr), li rendono un prodotto tascabile,
ideale per back−up, espansione di memoria ed applicazioni di
mobile computing
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I CD−ROM − 1
I CD−ROM,
ROM Compact Disk−Read Only Memory, sono supporti ottici
Nel nome compare il termine Compact Disk perché il tipo di tecnologia
utilizzato è lo stesso, per supporto e metodi di memorizzazione, di
quello normalmente impiegato per la produzione dei CD musicali
Read Only Memory, perché i CD−ROM sono di sola lettura: non è infatti
(normalmente) possibile cancellare i dati presenti, né riscriverne di
nuovi
L’impiego principale dei CD−ROM riguarda l’immagazzinamento e la
distribuzione di grandi quantitativi di informazioni (es.,
enciclopedie, elenchi telefonici); vengono inoltre utilizzati per
back−up, e per memorizzare grafica, animazioni e suono per
applicazioni multimediali
Un singolo CD−ROM è in grado di contenere fino a 870 MB di dati
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I CD−ROM − 2
I CD−ROM sono un mezzo ottico: durante la fase di memorizzazione
i dati vengono registrati sulla superficie del disco utilizzando un
raggio laser per creare una struttura di microscopiche incavature,
dove la presenza o l’assenza di un’incavatura segnala un bit a 0 o 1
Il dispositivo per la scrittura dei CD−ROM è il masterizzatore:
masterizzatore
durante il playback, un raggio laser a bassa potenza analizza il disco
mentre ruota, e la luce riflessa viene decodificata per ricostruire i
dati originari
Nei CD−ROM, la registrazione dei dati avviene lungo una singola
traccia continua ed a spirale, che si estende dal margine esterno del
disco al bordo interno: la velocità di rotazione varia in base alla
posizione corrente della testina di lettura (viene modificata per
ottenere una velocità lineare costante: sarà quindi maggiore per
accedere ai dati in prossimità del centro del disco)
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Per la lettura di un CD si sfrutta un raggio laser che rileva le minuscole incisioni praticate
durante la fase di registrazione; il raggio viene assorbito dalle cavità opache mentre
viene riflesse dalle sporgenze lucide. Si crea una sequenza di lampi di luce che
costituisce un linguaggio binario.
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Ad ogni assorbimento corrisponde lo “0” mentre ad
ogni riflessione è associato “1”. La successione di 0 e
di 1 convertita in impulsi elettrici verrà trasformata dal
computer in immagini e suoni.
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I DVD
I DVD,
DVD per Digital Versatile Disk, esteriormente sono simili ai
CD−ROM, ma possono contenere da 4 a 17 GByte (cioè fino a
25 volte la capacità di un normale CD)
Sono usati soprattutto per i film digitali, tuttavia possono
contenere anche dati come i CD−ROM
Per leggere i DVD occorre un lettore CD appropriato (i
normali drive per CD non sono utilizzabili); il lettore DVD è
invece sempre in grado di leggere anche i normali CD−ROM
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