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Corso di Informatica
Sistemi di Elaborazione
Ing Pasquale Rota
Argomenti
•Sistema di elaborazione
• Architettura di un sistema di elaborazione
• Componenti del sistema di elaborazione
–
–
–
–
Unità I/O
Unità logico/aritmetica e unità di controllo (microprocessore)
BUS di collegamento.
Memoria principale
• Memoria secondaria
“Informatica ”
Sistemi di elaborazione
2
Che cosa è un computer
E’ un apparecchio elettronico progettato per elaborare dati
in modo automatico.
Esegue in modo sequenziale azioni elementari secondo
una procedura prestabilita (programmi)
È un sistema di elaborazione così detto d'uso generale
ossia utilizzabile per una grande varietà di applicazioni.
Per computer si intende un dispositivo che implementa il
funzionamento di una macchina di Turing secondo
l’architettura ideata da Von Neumann.
“Informatica ”
Sistemi di elaborazione
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Modello di Von Neumann
I moderni elaboratori elettronici hanno come modello
di riferimento quello della macchina di Von Neumann.
• Architettura del tutto generale che porta a
realizzazioni fisiche indipendenti dal funzionamento
desiderato.
• Il funzionamento si può esprimere in termini di
– sequenza di istruzioni (programma)
– memorizzate su un supporto esterno (memoria)
• Per cambiare funzionamento e' sufficiente cambiare
il programma.
• L’architettura è adatta a trattare problemi molto
complessi.
• Il modello è composto da un insieme di unità
funzionali.
“Informatica ”
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Architettura di Von Neumann
Con il termine di “architettura di Von Neumann”
(macchina di Von Neumann) ci si riferisce ad sistema
elettronico basato su 4 componenti:
1.
2.
3.
4.
“Informatica ”
Unità di lavoro centrale che si divide a sua volta in:
•
Unità di calcolo
•
Unità di controllo
Unità di memoria principale
Unità di Input
Unità di output
Sistemi di elaborazione
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Struttura di un elaboratore
MEMORIA
USCITA
(Output)
INGRESSO
(Input)
UNITA’
DI
CONTROLLO
UNITA’
LOGICO
ARITMETICO
(A.L.U.)
(C.P.U.)
Unità Logico-Aritmetica: detta ALU (Aritmetic Logic Unit) esegue tutte le
operazioni logiche e di calcolo sui dati che le sono inviati;
Unità di controllo/governo: detta CU/UG (Control Unit) svolge le funzioni
decisionali e di coordinamento del flusso dei dati, controlla e coordina l’attività della
CPU;
Memoria: contiene le istruzioni, i dati ed i risultati dell'elaborazione;
Unità di ingresso/uscita: unità di scambio dati con l’esterno (I/O).
BUS di collegamento: linee di collegamento per il flusso dei dati e delle istruzioni
“Informatica ”
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BUS DI COLLEGAMENTO
UNITA’ I/O
MEMORIA
C.P.U.
(Microprocessore)
DATI
INDIRIZZI
CONTROLLI
SISTEMA A BUS
Bus Indirizzi: è utilizzata dal processore per selezionare una specifica locazione di
memoria sia nella RAM/ROM che nelle periferiche esterne.
Bus Dati:
è utilizzata per trasferire dati/istruzioni tra il microprocessore e la
memoria principale o le periferiche esterne.
Bus Controlli: serve per inviare i segnali di controllo necessari per sincronizzare i
flussi di dati tra le varie parti del sistema.
“Informatica ”
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Struttura (PC)
Tastiera
Memoria
Memoria RAM/ROM
Hard Disk
Monitor
Floppy
Controller
Dispositivi
di I/O
Controller
Scheda
Grafica
CPU
Mouse
CDROM
Controller
Porte Seriali
e parallele
Stampante
“Informatica ”
Controller
Scheda
audio
Scanner
Sistemi di elaborazione
Casse
Modem
8
Scheda Madre di un PC
Memoria ROM
Microprocessore
Slot Microprocessore
Slot per Unità di I/O
Unità di controllo
Controller I/O
“Informatica ”
Slot Scheda Grafica
Sistemi di elaborazione
Memoria RAM
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Schema scheda madre
“Informatica ”
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Schema componenti
“Informatica ”
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Scheda madre
• La scheda madre (motherboard o main board è un circuito
stampato di elevata complessità che provvede
all’interconnessione elettrica fra tutte le componenti interne
fornendo anche le sedi (dette socket o slot, a seconda della forma
piana o a fessura) per l’ancoraggio meccanico di alcune di esse.
• Sulla motherboard circolano sia correnti elettriche di media
potenza, destinate ad alimentare le varie componenti, sia correnti
elettriche (estremamente deboli) usate per attuare concretamente
la comunicazione dati fra le componenti.
• La scheda madre ospita direttamente la CPU e i chip che
funzionano da intermediari fra la CPU e la memoria e quelli che la
collegano al bus di espansione ed alle periferiche. In qualche
caso sulla motherboard può essere presente una certa quantità di
memoria ad alta velocità (cache memory) destinata a ospitare i
dati più frequentemente usati dalla CPU.
“Informatica ”
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Microprocessore
E’ un dispositivo interamente contenuto in un unico circuito integrato
che si incarica di eseguire ad elevatissima velocità tutte le istruzioni
che compongono i programmi.
Il microprocessore sovraintende:
• all’elaborazione dei dati,
• all’interscambio di dati con l’esterno
• al controllo delle periferiche.
In molti casi controlla i compiti che
l’hardware deve eseguire per un
regolare funzionamento della
macchina.
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Schema Processore Z80
“Informatica ”
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Schema CPU
“Informatica ”
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Microprocessore
Nel microprocessore si possono individuare
• La ALU si occupa di eseguire le operazioni logico-aritmetiche
• La CU si preoccupa di controllare e governare il processore
• I REGISTRI sono celle di memoria ad altissima velocità utilizzate
come aree di appoggio per i dati intermedi dei calcoli.
• La CACHE CPU MEMORY è una memoria veloce in cui il
processore parcheggia i dati e le istruzioni recenti e carica
preventivamente sezioni di programma nell’ipotesi che gli possano
servire a breve termine.
• Il BUS di FRONT-SIDE è un canale bidirezionale ad alta velocità
utilizzato per lo scambio dei dati, istruzioni e controlli tra la RAM e le
altre unità esterne.
“Informatica ”
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Ciclo istruzione
Il ciclo di istruzione (ciclo macchina) è la sequenza di operazioni
elementari eseguita ciclicamente dal microprocessore per eseguire
un’istruzione. Tale sequenza comporta il prelievo di un'istruzione
dalla memoria, la sua decodifica e infine la sua esecuzione.
L’unità di controllo del processore esegue una istruzione svolgendo
tre operazioni di base:
• Fetch (caricamento)
• Decode (decodifica)
• Execute (esecuzione)
Un programma viene eseguito ripetendo il ciclo fetch-decode-execute
per ciascuna delle istruzioni che lo compongono.
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Esecuzione delle istruzioni
CICLO DI FETCH o FASE DI CARICAMENTO
Il processore genera i segnali per caricare l’istruzione successiva dalla
memoria di sistema. L’istruzione contenuta nella locazione di memoria
puntata dal registro IP viene trasferita in un registro interno chiamato
Registro Istruzione.
“Informatica ”
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ESECUZIONI DELLE ISTRUZIONI
CICLO DI DECODE o FASE DI DECODIFICA
In questa fase l’istruzione viene decodificata dal processore. Il sistema
si prepara all’esecuzione dell’istruzione.
“Informatica ”
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ESECUZIONI DELLE ISTRUZIONI
CICLO EXECUTE o FASE DI ESECUZIONE
In questa fase il processore esegue l’istruzione. Il Program Counter
incrementa in modo automatico il proprio valore in modo da puntare
all’istruzione successiva. Vengono aggiornati tutti i registri con i risultati
dell’operazione. Il processore nel caso di esecuzione di una istruzione di
salto può variare il contenuto del registro Program Counter, per puntare ad
una istruzione che non è la successiva.
“Informatica ”
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Prestazioni microprocessore
La velocità con il quale il microprocessore esegue un operazione è
uno dei parametri che indicano la “bontà” e si misura in GHz (numero
di volte al secondo) frequenza.
2GHz corrispondono a 2.000.000.000 di operazioni al secondo.
Un altro parametro e la lunghezza dei registri e dei dati elaborati. Ad
es. un'architettura descritta come "64 bit" ha generalmente i registri
del processore larghi 64 bit e gestisce dati di questa dimensione sia
internamente che esternamente.
Un’altra caratteristica è il set di istruzioni del microprocessore,
maggiore è il numero di operazioni definite migliori sono le
prestazioni del processore a parità di velocità.
Attualmente gli ultimi microprocessori integrano più processori su un
unico dispositivo (processori multi-core). I processori quad-core
possono elaborare un numero di istruzioni 4 volte superiore.
“Informatica ”
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La Memoria
• La memoria in un sistema di elaborazione serve a
archiviare i programmi e i dati necessari per
l’esecuzione dei programmi dell’elaboratore.
• Esistono tre tipologie di memorie:
– Memoria locale
– Memoria principale o centrale
– Memoria secondaria o di massa
“Informatica ”
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Struttura dell’unità di memoria principale
La memoria del sistema di elaborazione è costituita da tanti
contenitori ciascuno dei quali è individuato da un unico indirizzo.
000
001
Tutte le informazioni che devono
essere
elaborate
devono
transitare attraverso la memoria
principale.
La memoria principale contiene:
002
•le istruzioni dei programmi che
devono essere eseguite e i dati su
cui le istruzioni operano;
998
“Informatica ”
999
•i risultati intermedi
dell’elaborazione.
Sistemi di elaborazione
e
finali
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Caratteristiche delle memorie
CAPACITA’ : indica il numero di celle che la memoria contiene; il suo
valore è sempre pari ad una potenza di 2 e si misura in bit.
PAROLA/LOCAZIONE: è l’insieme di bit che formano l’elemento
unitario della memoria.
ORGANIZZAZIONE: è costituita da una coppia di numeri che indicano
il numero di parole e la lunghezza delle stesse
LINEE DI INDIRIZZO: ingressi della memoria necessari ad individuare
la locazione di memoria
---------Una memoria (1024x8) è costituita da 1024 LOCAZIONI differenti;
Ogni parola è lunga 8 bit.
La Capacità è pari 8192 bit.
Le linee di indirizzo sono 10.
“Informatica ”
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Caratteristiche delle memorie
L’indirizzo permette l’identificazione
della posizione all’interno della
RAM/ROM della specifica locazione
di memoria.
La locazione di memoria contiene
indifferentemente :
Dati
Istruzioni.
“Informatica ”
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Indirizzo
0001
0002
0003
1022
1023
1024
Locazione
0 1 1 0 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1
0 0 1 0 1 1 1
……..
……..
……..
0 0 1 0 1 1 1
0 0 1 0 1 1 1
0 0 1 0 1 1 1
0
0
0
0
0
0
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CARATTERISTICHE DELLE MEMORIE
Parametri delle memorie che ne determinano le prestazioni e le
caratteristiche:
Velocità di risposta;
Capacità;
Organizzazione della memoria;
Potenza dissipata;
Alimentazioni;
Numero di pin;
Costo per bit.
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CARATTERISTICHE DELLE MEMORIE
• Una memoria è tanto più veloce quanto maggiore è il numero di
operazioni di lettura o di scrittura che è in grado di effettuare.
• La potenza dissipata per lo svolgimento delle operazioni
influenza sia i consumi che la possibilità di aumentare la capacità
complessiva della memoria.
• La scelta di un determinato tipo di memorie deve sempre essere
effettuata considerando il costo del singolo bit.
L’unità di misura è il
Bit = 0/1
o meglio
il
BYTE = 8 bits
Normalmente le memorie si misurano con multipli del Byte:
MByte o GByte
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Gerarchia delle memorie
“Informatica ”
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Memoria locale
• E’ la memoria presente all’interno delle unità centrali
costituita dalla cache memory e dai registri.
• Ospita le istruzioni che devono essere eseguiti e i dati
da elaborare in quell’istante dall’unità logico aritmetica.
• E’ una memoria veloce e costosa
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CACHE MEMORY
La memoria CACHE è una memoria ad alta velocità che si interfaccia tra
il processore e la memoria di sistema
Dispositivo utilizzato per memorizzare temporaneamente dati e/o
istruzioni al fine di aumentare la velocità di elaborazione del sistema.
L’UG e l’ALU recuperano i dati e/o le istruzioni direttamente da questa
memoria. Il funzionamento consiste nel leggere e trasferire dalla memoria
principale nella cache sia il contenuto della locazione che deve essere
eseguita che quello delle locazioni adiacenti.
Il dispositivo è caratterizzato da una alta velocità di lettura/scrittura ed da
un alto costo per bit.
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Operazioni sulle memorie
Lettura
Scrittura
“Informatica ”
La lettura di un dato (o
istruzione) in una locazione di
memoria è una operazione non
distruttiva
La scrittura di un dato (o istruzione) in
una locazione di memoria è una
OPERAZIONE DISTRUTTIVA (viene
cancellato il dato precedente)
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Classificazione della memoria principale
RAM (random access memory): è
possibile accedere ad ogni locazione di
memoria in modo casuale. Può essere
utilizzata sia per leggere che per
memorizzare dati e/o istruzioni
ROM (read only memory): è una memoria
a sola lettura. È generalmente utilizzata
per memorizzare programmi non
modificabili e le operazioni di governo e di
elaborazione dell'unità centrale
(microprogrammi)
PROM ( programmable ROM): è una ROM
senza dati memorizzati. Può essere scritta
una sola volta attraverso particolari circuiti
supporto per la
ed è utilizzata come
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memorizzazione di microprogrammi e
di segmenti critici del software di base
(per le operazioni più ricorrenti) al fine
di velocizzarne l'esecuzione
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Classificazione della memoria principale
EPROM ( erasable PROM): ): variante che
rende più veloce la memoria di tipo
PROM. Se viene esposta ai raggi
ultravioletti può essere totalmente
cancellata
EEPROM ( Electrically Erasable ROM):
variante della memoria EPROM,
riprogrammabile con particolari impulsi
elettronici. Sono in genere memorie di sola
lettura: vengono scritte una volta e lette
tante volte. Tutte le marche più evolute
usano carte di queste genere
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Memoria RAM
Statica
Dinamica
Necessita di una rigenerazione dei dati memorizzati che
andrebbero altrimenti persi.
Può raggiungere un alto grado
d'integrazione
Non
richiede
circuiti
“rigeneratori” per conservare i
dati. Viene utilizzata solo per
applicazioni speciali.
Sono memorie volatili (perdono il dato
memorizzato se non alimentate)
“Informatica ”
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Tipi di memoria
Le memorie commerciali si identificano in
base a sigle che ne caratterizzano la forma
fisica il numero di ingressi, la tipologia
tecnologica oltre che le frequenze di
funzionamento.
As es. la sigla SO-DIMM tipo DDR3 204-pin
supporta un trasferimento dati a 64-bit e una
frequenza di funzionamento di 266MHz
(1066MHz di I/O) con velocità di
trasferimento di circa 30 GB/s.
La So-Dimm sono utilizzati nei sistemi a
dimensioni contenute (portatili),
la DDR3 nei sistemi di tipo da tavolo
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Caratteristiche memorie secondarie
caratteristiche
•Conserva grandi masse di informazioni nel tempo
“Informatica ”
Velocità di accesso dati bassa
Capacità della memoria elevata
Costo per bit basso
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Gerarchia della memoria
Memoria a
semiconduttore
Memoria ad accesso
diretto o in linea
Memoria ad accesso
sequenziale o fuori linea
Costo per bit
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Tipi di memoria secondaria
•La memoria secondaria racchiude tutti i dispositivi che permettono la
memorizzazione dei programmi e dei dati dell’utente in modo
permanente
Categorie di memorie di massa:
– Dischi magnetici;
– Dischi ottici
– Allo stato solido
– Nastri magnetici
– Memorie olografiche
e biochip (FUTURO)
“Informatica ”
Memorie ad accesso diretto
Memorie ad accesso sequenziale
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Memoria secondaria a disco magnetico
I dischi magnetici permettono l’accesso diretto ai dati, possono
avere supporti rigidi e flessibili.
I supporti a disco leggono e scrivono le informazioni posizionando
accuratamente una testina sulla superficie di un disco in rapida
rotazione. Le informazioni sono disposte su tutta la superficie del
disco (o meglio, su tutta la superficie di una corona circolare che
occupa gran parte della superficie del disco).
Per leggere/scrivere un
determinato dato occorre che la
testina si trovi alla giusta
distanza dal centro e che il disco
si porti alla posizione angolare
necessaria.
“Informatica ”
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Il disco rigido
L’HD (HardDisk) è costituito da un supporto rigido ricoperto da un
materiale magnetizzabile che può essere cancellato e riscritto. I dati
sulla superficie sono organizzati in settori e tracce circolari
(rispettivamente rappresentati in blu e giallo in figura) un settore
contiene una quantità fissa di bytes. Hanno capacità di decine/
centinaia di Gbyte. La capacità,
ovvero la quantità di dati che si
possono memorizzare sulla superficie
del piatto dipende da:
• la densità di registrazione (bit per cm
di traccia)
• il numero di tracce
• il numero di facce (piatti)
“Informatica ”
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Caratteristiche disco rigido
I dati sono memorizzati su disco seguendo uno schema di allocazione
fisica ben definito in base al quale si può raggiungere la zona dove
leggere/scrivere i dati sul disco
In questa struttura i dati sono
memorizzati avendo come indirizzo
fisico i valori relativi al cilindro,traccia
settore.
Le caratteristiche principali di un disco
rigido sono:
• la capacità
• il tempo di accesso
• la velocità di trasferimento
“Informatica ”
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Tempo di accesso
• Il tempo di accesso è la variabile più importante nel determinare le
prestazioni di un hard disk. Si tratta del tempo medio necessario
perché un dato posto in una parte a caso dell'hard-disk possa essere
reperito. Il tempo impiegato dipende dal fatto che la testina deve
spostarsi, e contemporaneamente il disco deve girare finché il dato
interessato non si trova sotto la testina.
• I produttori cercano perciò di realizzare testine sempre più leggere
(che possono spostarsi più in fretta perché dotate di minore inerzia)
e dischi che girano più velocemente. Il tempo di accesso tipico per
un hard disk consumer è attorno ai 10 millisecondi. Per un hard disk
ad alte prestazioni (15.000 giri) è di 3 o 4 millisecondi.
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Capacità e velocità di trasferimento
• La capacità può essere aumentata incrementando la densità con cui
le informazioni vengono memorizzate sui dischi, oppure usando dischi
più grandi o impiegandone un numero maggiore. La capacità di un
disco si aggira intorno ai 1000 GB.
• La velocità di trasferimento è la quantità di dati che l'hard disk è
teoricamente in grado di leggere o scrivere sul disco in un determinato
tempo (in genere si prende 1 secondo come riferimento). Usare dischi
che ruotano più velocemente o incrementare la densità di
memorizzazione porta ad un miglioramento diretto della velocità di
trasferimento, la velocità di trasferimento teorica viene raramente
raggiunta e il tempo di accesso è quello che maggiormente influenza
le prestazioni di un hard disk.
“Informatica ”
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Caratteristiche degli HardDisk
In misura minore le prestazioni dei dischi sono influenzati da:
• buffer di memoria;
• velocità dell'interfaccia.
Il buffer è una piccola memoria cache (in genere di alcuni megabyte)
posta a bordo dell'hard disk, che ha il compito di memorizzare gli ultimi
dati letti o scritti dal disco.
L' interfaccia di collegamento tra l'hard disk e la scheda madre
specifica la velocità massima alla quale le informazioni possono
essere trasferite da o per l'hard disk.
Le moderne interfacce tipo ATA133, Serial ATA o SCSI possono trasferire
centinaia di megabyte per secondo, molto più di quanto qualunque singolo
hard disk possa fare, e quindi l'interfaccia non è in genere un fattore limitante.
Il discorso può cambiare nell'utilizzo di più dischi in configurazione RAID, nel
qual caso è importante utilizzare l'interfaccia più veloce possibile, come per
esempio la Fibre Chanel da 2 Gb/s.
“Informatica ”
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Caratteristiche degli HD
Gli hard disk sono prodotti in dimensioni standardizzate, i
3,5 pollici e 2,5 pollici. I primi sono utilizzati nei personal
computer, i secondi nei computer portatili e dovunque ci sia
poco spazio e/o potenza di alimentazione. Entrambi i
formati sono utilizzati anche per realizzare memorie di
massa esterne ai computer.
L'interfaccia attualmente più utilizzata è la Serial ATA
(SATA). In quest’ultimo caso i dati viaggiano in modo
seriale su due fili (ingresso/uscita) anche se il cavo è a 7
fili.
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Memoria allo stato solido
• Si tratta di memorie la cui tecnologia è simile a quella della
RAM, ma in grado di registrare in modo permanente i dati:
• Memoria flash
• PC CARD
• Pen driver
• SSD Disk (dischi allo stato solido)
• Sono utilizzate per molteplici applicazioni:
• Telefoni cellulari
• Fotocamere/Telecamere digitali
• Registratori vocali.
• Elaboratori elettronici
“Informatica ”
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Caratteristiche memorie stato solido
•
•
•
•
•
Non hanno parti mobili
Sono più veloci dei dischi magnetici o ottici.
Hanno dimensioni molto ridotte.
Utilizzano meno energia rispetto ai dischi magnetici
Trovano diversi impieghi anche per dispositivi di tipo
differente
“Informatica ”
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HardDisk SSD
Si tratta di unità a stato solido SSD (solid-state drive) ed è
basata su memoria flash a semiconduttore senza utilizzare
organi meccanici (piatti, testine, motori etc).
Il controller è costituito da un microprocessore che si
occupa di coordinare tutte le operazioni della memoria di
massa,
E’ possibile collegare un SSD utilizzando una normale
interfaccia SATA2 (3Gb/s) o SATA3 (6Gb/s).
I vantaggi principali sono tempo di accesso (50/volte più
bassa), minori consumi, e minore produzione di calore.
Tra gli svantaggi abbiamo un costo maggiore per GigaByte
e una minore durata.
Svantaggi in fase di superamento.
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La memoria ottica
• Il disco ottico è una tipologia di supporto di memoria. È
costituito da un disco piatto e sottile in genere di
policarbonato trasparente. Al suo interno è inserito un
sottile foglio metallico, in genere di alluminio, su cui
vengono registrate e lette le informazioni tramite un raggio
laser.
• La registrazione avviene mediante un laser che crea sottili
scanalature sulla superficie del disco (0/1).
• La lettura avviene mediante un raggio laser (di minore
intensità) che colpisce la superficie, il raggio riflesso ha
intensità maggiore o minore in relazione alla superficie
colpita.
• Il raggio viene letto da un dispositivo fotoelettrico che lo
trasforma in un segnale elettrico.
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DVD (Digital Video Disk)
• La tecnologia utilizzata è del tutto simile a quella dei CD
ROM è differente la tecnologia utilizzata e la capacità di
archiviazione dei dati.
• La capacità di un DVD è di 4,7 Gbyte che arriva a 9
Gbyte in quelli a doublelayer contro 700MByte dei
CDRom
• Attraverso differenti tecniche (dischi a doppio strato e
doppia faccia) è possibile raggiungere capacità di 17
Gbyte.
• Esistono DVD R/W riscrivibili.
• La tecnologia Blueray (laser blue) permette di avere
dischi ottici di capacità fino a 54 GByte
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