Elementi di informatica

Elementi di informatica
La memoria di massa
La gestione dell’I/O
Una gerarchia di memoria
Ottenuta per “generalizzazione” dell’applicazione del
principio di località e tipicamente costituita da
1.
2.
3.
4.
5.
registri contenuti nella CPU (qualche KB)
cache (da circa 32KB a circa 1024KB)
memoria principale (da circa 64MB a qualche GB)
dischi fissi (da qualche GB a qualche TB)
nastri magnetici e dischi ottici (da qualche GB a
qualche TB per ogni supporto)
Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia
aumenta il valore dei parametri fondamentali:
„
„
„
aumenta il tempo di accesso;
aumenta la capacità di memorizzazione;
ma diminuisce il costo per bit.
1
Cache II liv
RAM
Supporti esterni
tecnologia
magnetica
(HD esterni)
tecnologia
ottica
(CD, DVD)
tecnologia
elettronica
(flash disk)
Involucro esterno del calcolatore (case)
Cache I liv
Scheda madre (motherboard)
CPU
Registri
Circuito Integrato (chip)
Una gerarchia di memoria
Disco fisso (hard disk)
tecnologia magnetica
Caratteristiche dei diversi livelli
Livello
Capacità
Tempo di accesso
Transfer rate
(GB/s)
Registri
~ 1 KB
~ 0.2 ns
(1 ciclo di clock)
–
Cache I livello
~ 32 KB
~ 0.4 ns
(2/4 cicli di clock)
–
Cache II livello
~
1/2 MB
~ 1/2 ns
(5/10 cicli di clock)
~ 100
Cache III livello
~
2/8 MB
~ 5 ns
~ 50
Memoria
centrale
~
2/8 GB
~ 50 ns (1ª parola
richiesta)
~ 10 ns (parole
successive)
~ 5/10
Dischi interni
>
300 GB
~ 10 ms
0.15/0.6
Dischi esterni
>
300 GB
~ 10 ms
~ 0.05
2
I nastri e i dischi magnetici
¾ Sono costituiti da un supporto ricoperto da
un sottile strato di materiale magnetico le
cui condizioni di memorizzazione
consentono di memorizzare i dati;
¾ Le operazioni di lettura/scrittura sono
effettuate tramite una testina che può
rilevare ed eventualmente modificare lo
stato di magnetizzazione
Dischi magnetici
Sono piatti d’alluminio (o di altro materiale) ricoperti di materiale
ferromagnetico.
Fattore di forma (diametro)
Ö Sempre più piccolo (consente velocità di rotazione
maggiori)
Ö 3,5 pollici per i sistemi desktop e fino a 1 pollice per i
mobili.
Testina di un disco (strumento di lettura / scrittura)
Ö È sospesa appena sopra la superficie magnetica
Ö Scrittura: il passaggio di corrente positiva o negativa
attraverso la testina magnetizza la superficie;
Ö Lettura: il passaggio sopra un’area magnetizzata induce
una corrente positiva o negativa nella testina.
3
Tracce e settori
Traccia (track): sequenza circolare di bit scritta mentre il disco
compie una rotazione completa;
„
„
La larghezza di una traccia dipende dalla dimensione della
testina e dall’accuratezza con cui la si può posizionare; la
densità radiale va da 800 a 2000 tracce per centimetro (5-10
um per traccia);
Tra una traccia e l’altra c’è un piccolo spazio di separazione
(gap)
Settore (sector): parte di una traccia corrispondente a un
settore circolare del disco
„
„
„
Un settore contiene 512 byte di dati, preceduti da un
preambolo, e seguiti da codice di correzione di errore;
La densità lineare è di circa 50-100 Kbit per cm (0,1 – 0,2 um
per bit)
Tra settori consecutivi si trova un piccolo spazio (intersector
gap)
Formattazione: operazione che predispone tracce e settori per
la lettura/scrittura Un 15% circa dello spazio disco si perde tra
gap preamboli e codici di correzione degli errori.
4
Prestazioni dei dischi
Tempo di accesso (ms o10-3s)
„
Seek time
9
9
„
La testina deve arrivare alla traccia giusta;
Dipende dalla meccanica (5-15 ms, 1 per tracce
adiacenti)
Latency
9
9
Il disco deve ruotare fino a portare il dato nella giusta
posizione;
Dipende dalla velocità di rotazione (5400-10800 RPM 2,7-5,4
ms)
Transfer rate (MBps)
„
Velocità di trasferimento del disco
9
9
Dipende dalla velocità di registrazione e dalla densità di
registrazione
Un settore di 512 byte richiede fra 25 e 100usec (5-10 MB/sec)
Hard disk
9 Un tipico hard disk è alloggiato all’interno di
un disk drive dove si trovano più dischi
sovrapposti a distanza di pochi millimetri;
9 Le testine sono posizionate tra un disco e
l’altro;
9 Un motore viene utilizzato per far ruotare i
dischi e tutti gli elementi elettronici
necessari per il controllo e le operazioni di
lettura scrittura
5
Hard disk
Alcuni sono
equipaggiati con
interfacce veloci di
ingresso uscita dette
SCSI (Small Computer
Standard Interface)
Floppy disk
Funzioni:
„ Distribuzione software su larga scala (avvento dei
PC)
„ Archiviazione dati;
Struttura analoga a quella di un disco magnetico
„ Il disco si ferma quando non è operativo
„ L’avvio della rotazione comporta un ritardo di ½
sec;
Caratteristiche tipiche di un floppy da 3,5”
„ Capacità di 1.44 MB
„ Tracce x Settori: 80 x 18
„ RPM= 300
„ Velocità di trasferimento di 500Kbps
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Velocità lineare vs. angolare
Memorie Flash
Funzioni:
„ trasferimento dati (la
capacità dei floppy è
limitata);
„ archiviazione dati
“sensibili”.
Tecnologia elettronica non
volatile
„ bassi consumi
„ piccole dimensioni
„ capacità dai 256MB ai
4GB
File system come per i dischi
„ Il sistema operativo
gestisce l’accesso come
se fossero dischi;
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La memoria di massa ottica: i dischi
¾ Lettura ottica basata sulla riflessione (o sulla
mancata riflessione) di un raggio laser.
¾ Densità di registrazione più alte dei dischi
magnetici.
¾ Creati in origine per registrare i programmi
televisivi, poi usati come dispositivi di memoria nei
calcolatori.
Compact Disk - CD
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Lettura di un CD
9
CD ReWriteable (CD RW)
Digital Versatile Disk (DVD)
10
Diversi formati di DVD
Nastri magnetici
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Gestione dell’I/O
Collegamento periferica-calcolatore
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Esigenze
A controllo di programma
Il processore controlla direttamente le operazioni di I/O.
Esegue un ciclo di polling
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A interruzione
DMA
14
Struttura fisica di un PC
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Terminali
Monitor CRT (Cathode Ray Tube)
L'immagine sullo schermo viene formata da fosfori, sostanze
che emettono luce se colpite da cariche elettriche,
opportunamente eccitati da un fascio di elettroni; questo fascio
è generato da un apposito cannone posizionato nella parte
iniziale del tubo catodico. Il fascio di elettroni colpisce i fosfori
del colore voluto grazie all'adozione di apposite griglie in grado
di guidare con precisione il fascio stesso sul punto desiderato
Un immagine a schermo pieno viene completata 30/60 volte al
giorno.
Davanti allo schermo c’è una griglia che lo divide in punti:
•quando la griglia ha una carica positiva gli elettroni
vengono accelerati e raggiungono lo schermo;
•quando la griglia ha una carica negativa gli elettroni
vengono respinti e il punto sullo schermo rimane spento.
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Monitor CRT (Cathode Ray Tube)
Il cannone di elettroni è perfettamente posizionato sull'asse del
monitor e quindi in posizione centrale;
il fascio è cilindrico e quando impatta sulla griglia dello schermo lo
farà con differenti angoli di inclinazione a seconda del punto
considerato;
questo comporterà un'inevitabile ovalizzazione del fascio man
mano che ci spostiamo dai punti centrali a quelli più periferici.
L'ovalizzazione comporta una diminuzione nella precisione con cui il
fascio di elettroni è in grado di colpire il singolo fosforo di quel
determinato colore base (rosso, verde, blu) e questo si traduce
in problemi legati alla corretta messa a fuoco delle immagini,
nonché alla corretta definizione dei contorni; questi difetti
saranno più evidenti quanto maggiore sarà la deviazione del
fascio e quindi quanto più esterni saranno i punti dello schermo
interessati
LCD (Liquid Crystal Display)
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Struttura di un LCD
Plasma
Lo schermo è come un pannello formato da migliaia di micro-lampadine
in grado di accendersi a comando di colore diverso;
per creare l'immagine sullo schermo, ogni singolo pixel è costituito da
una cella composta da due elettrodi e da un quantitativo di gas neon
imprigionato tra loro.
Le pareti delle cella sono rivestite di fosforo e quando gli elettrodi
inducono un campo elettrico nel gas questo reagisce emettendo
energia luminosa che ha la potenza necessaria per eccitare il fosforo
colorato e renderlo a sua volta luminescente.
Ma con l'utilizzo del gas nasce un problema non secondario: quanto
tempo può durare questo gas imprigionato prima che si esaurisca
all'interno di queste celle? ...oggi si parla di una vita massima di
40.000-60.000 ore, ovvero 18-20 anni considerando 5 ore al giorno.
Gli schermi al plasma sono ancora oggi quanto di meglio si può avere
come schermo televisivo perchè sono più luminosi, hanno un
contrasto di immagine elevatissimo (si arriva al rapporto 10.000:1)
e consentono un angolo visuale maggiore rispetto agli LCD.
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Terminali a caratteri
Terminali grafici
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Mouse
Interazione mouse computer
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Porte Standard
Universal Serial Bus – USB
Definito da un consorzio (Intel,
(Intel, Compaq,
Compaq, Microsoft,
Microsoft, …), con
l’intento di sostituire le attuali porte seriali e parallele.
parallele.
Velocità
elocità di 12 MBit/sec
MBit/sec..
Collega fino a 127 periferiche in cascata.
cascata.
Può alimentare direttamente le periferiche a basso consumo
(e.g. tastiere e mouse).
mouse).
Completamente Plug and Play
(anche per collegamento “a caldo”
caldo”).
USB 2.0 (1999) arriva fino a 360360-480Mbps.
480Mbps.
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