i dispositivi di memoria

LEZIONE IV
“I DISPOSITIVI DI MEMORIA”
PROF. GIOVANNI ACAMPORA
Informatica di base
Lezione IV
Indice
1
La memoria di un computer ..................................................................................................... 3
1.1 L’unità di misura della memoria ............................................................................................ 4
1.2 Le memorie principali ............................................................................................................. 5
1.2.1 La memoria RAM............................................................................................................ 5
1.2.2 La memoria ROM ........................................................................................................... 7
1.3 Le memorie di massa ................................................................................................................. 9
1.4 Confronto tra memorie veloci e memorie di massa ............................................................... 15
2
Le prestazioni di un computer ................................................................................................ 16
Bibliografia/Sitografia ..................................................................................................................... 18
Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente
vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore
(L. 22.04.1941/n. 633)
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1 La memoria di un computer
Nell'architettura di von Neumann la memoria assume un’importanza paritaria rispetto alla
CPU (descritta nella precedente lezione).
La memoria di un computer si divide in due grandi categorie: le memorie principali (o
memoria primaria) e le memorie di massa (o memoria secondaria). La prima è una memoria veloce
direttamente accessibile per eseguire operazioni, mentre la seconda è una memoria più lenta su cui
la CPU non può lavorare direttamente, ma disponibile tipicamente in grande quantità.
Le principali caratteristiche di una memoria sono le seguenti:
la capacità: rappresenta il volume globale dei dati (misurato in bit) che la
memoria può immagazzinare;
il tempo di accesso: corrisponde all'intervallo di tempo che intercorre tra la
richiesta di lettura/scrittura e la disponibilità del dato;
il tempo di ciclo: rappresenta l'intervallo di tempo minimo tra due accessi
successivi;
la capacità della banda: definisce il volume di dati scambiato per unità di
tempo, espressa in bit al secondo;
la non volatilità: rappresenta l'attitudine di una memoria a conservare i dati
anche in assenza di alimentazione elettrica.
In teoria, la memoria ideale ha una grande capacità, tempi di accesso e di ciclo molto ridotti,
banda elevata ed è non volatile. Ma, come vedremo, le memorie rapide sono molto costose. Pertanto
in un computer si utilizzano delle memorie che si servono di tecnologie diverse, interfacciate le une
con le altre e organizzate in modo gerarchico.
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Figura 1: Lo schema piramidale della memoria usata dalla CPU
Prima di parlare delle varie tipologie di memoria, presentiamo velocemente la loro unità di
misura.
1.1 L’unità di misura della memoria
Il principio di funzionamento di un computer si basa sulla logica binaria. Per comprenderne
l’idea di base, possiamo pensare a un interruttore, che può essere aperto o chiuso, cioè assume
solamente due stati:
-
0 = acceso
-
1 = spento
Questa variabile che assume solo due stati (0 e 1) si chiama bit (da “binary digit”, cifra
binaria) ed è l’'unità minima di informazione e la base dell’algebra binaria. Un computer “ragiona”
unicamente interpretando gruppi di bit, cioè comandi rappresentati da sequenze di “uno” e di “zeri”
(per esempio, 0 0 1 0 1 1 0 0). Convenzionalmente, 8 bit costituiscono 1 byte. Per dare un’idea di
che cos’è un byte, si tenga presente che può essere identificato come l’ingombro di memoria di un
singolo carattere digitato a tastiera.
La quantità di memoria di un computer si misura mediante i multipli del byte:
Unità di Misura
Numero
byte
di
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1 Kilobyte (1 KB)
1024
1 Megabyte (1 MB) =
1.048.576
1 Gigabyte (1 GB) =
1024 KB
circa
1,07
1024 MB
1 Terabyte (1 TB) = miliardicirca
1100
1024 GB
Tabella 1: Multipli di un byte
miliardi
C’è un preciso motivo che ha condotto alla scelta di porre un kilobyte a 1024 byte e non ad
esempio a 1000. Essa trova fondamento nell’aritmetica binaria: 1024 è una potenza di 2 (210),
mentre 1000 no.
1.2 Le memorie principali
Le due memorie principali di un computer, la memoria RAM e quella ROM, sono memorie
veloci usate, la prima, per memorizzare i dati in corso di elaborazione e le istruzioni di un
programma in esecuzione, e, la seconda, per memorizzare dati in maniera permanente come per
esempio alcune parti dei sistema operativo.
1.2.1 La memoria RAM
Il microprocessore, per funzionare, ha bisogno di uno spazio dove memorizzare le parti di
un programma che utilizza e i dati che deve elaborare. Tale spazio è rappresentato dalla memoria
centrale ad accesso casuale, detta più comunemente RAM (Random Access Memory). La memoria
RAM è detta volatile perché conserva i dati solo fino allo spegnimento dei computer.
La RAM è considerata ad “accesso casuale” perché è possibile accedere direttamente ad
ogni singola cella di memoria, essendo quest’ultima identificata univocamente da uno specifico
indirizzo di memoria, permettendo al processore di ritrovare immediatamente un dato registrato
nella RAM. Pertanto si contrappone ad una memoria ad accesso seriale (SAM) nella quale è
possibile accedere ad una cella solamente scorrendo tutte le celle che la precedono (come in un
nastro su cassetta).
La RAM è costituita da chip che vengono disposti su una circuito stampato separato (PCB)
inserito in uno speciale alloggiamento (banco di memoria) sulla motherboard. I chip di memoria
sono disponibili unicamente come componenti di un modulo. Durante gli anni il tipo di modulo
impiegato per la RAM si è evoluto. Infatti, i primi tipi erano proprietari e pertanto incompatibile
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con gli altri perché legati strettamente al modello di computer. Con la realizzazione delle SIMM
(single in-line memory module) queste incompatibilità sono scoparse. Questo modulo di memoria
usava un connettore a 30 pin e misurava circa 9 x 2 centimetri. Nella maggior parte dei computer,
poiché la larghezza di banda del bus era molto più ampia di quella delle SIMM bisognava installare
SIMM a coppie, di eguale capienza e velocità. Attualmente, invece, le SIMM sono di grandezza
superiore (circa 11 x 2.5 centimetri) e utilizzano connettori a 72 pin per aumentare la banda
alloggiando fino a 256 Megabytes.
Figura 2: Una classica SIMM
Con l’aumento della larghezza di banda dei processori, un nuovo standard, le DIMM (dual in-line
memory module), è stato introdotto. Con un connettore a 168 pin ed una grandezza di circa 14 x
2.5 centimetri, le DIMM hanno una capacità da 8 a 128 MegaBytes per modulo e possono essere
installate singolarmente.
Figura 3: Una DIMM a 168 pin
Ci sono, poi, alcuni famosi produttori di computers portatili come gli iMac che usano delle
RAM di tipo SODIMM (small outline dual in-line memory module). Esse hanno una dimensione
ridotta (5 x 2.5 cm), 144 pins ed una capacità da 16 a 512 MegaBytes.
Figura 4: Una SODIMM
La struttura dei chip di una memoria RAM è differente a seconda del tipo di RAM. Nella
forma più comune, la DRAM (Dynamic Random Access Memory), una cella di memoria che serve
a memorizzare un singolo bit è costituita da un transistor ed un condensatore. Il condensatore
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mantiene il bit di informazione 0 o 1 mentre il transistor funge da interruttore permettendo di
modificare lo stato.
La RAM è un importante indicatore della capacità del computer. Essendo la memoria di
sistema dove vengono immagazzinati i dati sui quali il computer sta eseguendo le proprie
elaborazioni, ovviamente, maggiore è la dimensione della RAM, più grande è il numero di dati sui
quali può operare la CPU per l'elaborazione. Una configurazione minima richiede un RAM di
almeno 128 megabyte, indispensabili a sistemi operativi come Windows, caratterizzati da interfacce
grafiche. La RAM, comunque, è facilmente ampliabile con l’aggiunta di ulteriori circuiti di
memoria. Comunque la scelta della quantità di RAM si basa molto sull’'uso che si farà del
computer. Il prezzo è in continua variazione. Si passa da un intervallo di 30-40 euro per le soluzioni
RAM medie ai 150-200 euro per le soluzioni più performanti. Tra i due estremi esiste comunque
un’ampia gamma di scelta che permette un buon trade-off tra performance ed costo.
1.2.2 La memoria ROM
La memoria a sola lettura, ovvero ROM (Read Only Memory), è un tipo di memoria non
volatile (mantiene i dati memorizzati anche se non è alimentata elettricamente) contenente dati e
istruzioni che non possono essere modificati per l’intera durata della sua vita e che pertanto devono
essere memorizzati nella sua fase di costruzione. Quindi il computer può soltanto leggere
informazioni e istruzioni dalla ROM, ma non può scrivervi alcunché.
Allo stesso modo delle RAM, anche i chips ROM contengono una griglia di righe e colonne.
La maggior differenza nella struttura tra le due memorie, RAM e ROM, è che la RAM usa i
transistors per attivare o disattivare i condensatori posti alle intersezioni di riga e colonna, mentre la
ROM usa un diodo per far passare o meno la corrente e determinare quindi se la cella è attiva o
meno. Ci sono differenti tipi di ROM. Essi hanno caratteristiche differenti, ma tutti hanno in
comune la proprietà che i dati memorizzati sono permanenti e non vengono persi anche a computer
spento.
I tipi fondamentali sono 5:
ROM: i contatti vengono realizzati dal costruttore.
PROM (Programmable ROM): la programmazione può essere fatta
dall'utente, ma una sola volta, mediante un apposito programmatore che consente
selettivamente di bruciare dei fusibili presenti all’intersezione tra righe e colonne della
griglia;
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Figura 5: Scheda di una PROM
EPROM (Erasable PROM ): anche in questo caso la programmazione può
essere effettuata dall'utente ma poiché avviene tramite degli impulsi elettrici il dispositivo di
controllo può essere scaricato e quindi riportato alle condizioni di fabbrica;
EEPROM
(Electrically
Erasable
PROM):
sono
delle
EPROM
riprogrammabili elettricamente byte per byte senza rimuovere il chip dalla piastra stampata.
FLASH-EPROM (memoria flash): simili all’EEPROM, sono più veloci e
programmabili per settori.
La memoria ROM-BIOS (Basic Input Output System) è un insieme di procedure registrate in
un chip di ROM all'interno dei PC. Si tratta di routine che gestiscono tutte le funzioni di
input/output, comprese quelle grafiche. Quando l'hardware subisce modifiche è sufficiente
aggiornare il BIOS senza bisogno di riscrivere tutti i programmi.
Figura 6: Nei BIOS vengono usate ROM di tipo Flash Memory
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1.3 Le memorie di massa
La memoria centrale dell’elaboratore, per quanto grande sia diventata, non può contenere
tutti i programmi che servono all'utente per essere produttivo. Si rende quindi necessario avere a
disposizione dispositivi che consentano di memorizzare grandi quantità di byte e che li mantengano
in memoria anche qualora il PC venisse spento (che siano cioè non volatili). Tali supporti vengono
chiamati anche con il termine di memorie di massa e si dividono in:
-
Floppy disk;
-
Hard disk;
-
CD-Rom o riscrivibili;
-
Cassette a nastro;
-
Cartucce Iomega Zip e Jaz;
-
Floppy disk LS;
-
DVD.
Ne diamo adesso una veloce descrizione.
I floppy disk o dischetto sono il supporto che fino a poco tempo fa racchiudeva in se le
caratteristiche della mobilità e dell’economicità. La loro capacità però è alquanto limitata. Si
possono distinguere due tipi:
-
I dischi a bassa densità: identificati dalla sigla DS/DD che significa “doppia
faccia, doppia densità”. Essi memorizzano sino a 720 KB di dati;
-
I dischi ad alta densità: identificati dalla sigla DS/HD che significa “doppia
faccia, alta densità”. Questi floppy disk memorizzano sino a 1,44 MB (1,44 MB
corrispondono a circa 1 milione e mezzo di caratteri ).
Si guastano facilmente, pertanto non sono molto affidabili.
Hard disk o disco fisso è inserito all'interno del case dei computer. Il suo compito è
mantenere in memoria i diversi programmi e ne consegna una copia alla RAM qualora l’unità di
controllo del processore glielo ordini.
I parametri per misurare le performance di un hard disk sono principalmente tre:
Data Rate (velocità di trasferimento dati): il numero di bytes che il drive può
inviare alla CPU in un secondo.
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Access Time (velocità d’accesso): il tempo che intercorre tra la richiesta della
CPU di leggere un file e il primo byte inviato ad essa.
Capienza: il numero di bytes che possono essere memorizzati in un hard
disk. Può variare da qualche decina di GB a qualche centinaia di GB.
Figura 7: Dentro un hard disk
CD-ROM e CD riscrivibili uniscono gli aspetti positivi dei floppy disk e dei dischi fissi.
Infatti, sono trasportabili, economici e possono contenere oltre 650 MB di dati e programmi. I CDROM sono di sola lettura mentre i CD riscrivibili possono essere anche riscritti utilizzando appositi
dispositivi chiamati masterizzatori.
Le cassette a nastro servono principalmente per fare il back-up dei dati. La loro capacità
varia da centinaia di MB a centinaia di GB. Le cartucce Iomega e Jaz servono principalmente per
fare il back-up dei dati e per memorizzare programmi molto grandi. Le prime hanno una
dimensione di centinaia di MB di dati e programmi, le seconde diversi GB.
I floppy disk LS 120 possono contenere fino a 120 Mb di dati e programmi e su alcuni PC
hanno sostituito i vecchi dischetti.
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I CD-ROM sono stati affiancati da nuovi supporti, i DVD, all'apparenza identici ai CD, ma
dalla capacità fino a 26 volte superiore. I DVD sono fondamentalmente nati come supporto per
filmati in alta risoluzione. Essi non possono essere letti dai lettori CD-ROM, ma richiedono unità
apposite, mentre è possibile il caso contrario.
Blu-Ray Disc sono dei supporti in grado di contenere fino a 25 Gb di dati. Il loro costo è
alto, circa 900 euro, ma, diventerà presto il nuovo standard per quel che riguarda i supporti digitali.
Presentiamo in seguito, più in dettaglio, la struttura di un CD e di un DVD e come avviene
la loro lettura e masterizzazione.
Materialmente, un CD è un pezzo di plastica policarbonata largo circa 12 cm ed alto circa
1.2 millimetri. Durante la creazione di un CD, la plastica viene deformata con minuscoli buchi
(bumps) lungo una singola traccia a spirale che parte dal centro e arrivare all'esterno del disco.
Questo permette di scrivere i singoli bits di ogni byte, 0 (superfice piatta) e 1 (bump). A questo
punto viene impiegato uno strato di alluminio riflettente per coprire e proteggere i bit stampati.
Infine, uno strato di acrilico e l'etichetta completano il tutto.
Figura 8: Sezione di un CD prestampato
Figura 9: La spirale in un CD
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I bumps incisi nella traccia hanno delle dimensioni piccolissime. Precisamente, una
larghezza di 0.5 micron, una lunghezza di 0.83 micron ed un altezza di 125 nanometri (1 nanometro
= 1 miliardesimo di metro). Se si potesse srotolare la spirale dal CD otterremmo una linea larga 0.5
micron e lunga circa 5 Km.
Figura 10: Dettaglio della spirale in un CD
Per poter leggere dati con una dimensione così ridotta è necessario un meccanismo di lettura
altamente preciso come il lettore di CD. Il compito del lettore CD è quello di trovare e leggere i
bumps memorizzati sul CD e viste le dimensioni dei bumps si può ben comprendere quanto questo
strumento debba essere preciso ed affidabile. Un CD drive è composto da tre principali componenti:
Un motore che si occupa di far girare il disco ad una velocità costante.
Un laser ed una lente per leggere i bumps durante la rotazione.
Un meccanismo che permetta al laser di muoversi seguendo la spirale sul
disco.
Figura 11: L'interno di un lettore CD
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Il funzionamento del lettore CD è il seguente:
-
si punta inizialmente il laser lungo tutta la traccia a spirale;
-
il raggio laser passando attraverso lo strato di policarbonato, riflette lo strato
di alluminio e riesce a determinare la presenza di bumps e di zone piane avendo queste un
intensità riflessa differente;
-
riconoscendo le sequenze di bumps è possibile ricostruire ogni singolo byte
digitalizzato sul disco.
La parte più complessa è mantenere il laser centrato sulla spirale. Questo compito viene
svolto dal tracking system che regola la velocità di rotazione del disco.
Come abbiamo descritto, un disco è formato da 4 strati (o layer), uno di plastica
policarbonata, uno di alluminio, uno di acrilico ed infine l'etichetta. Comunque, questa è la
composizione di un classico CD prestampato in cui è possibile incidere sulla parte del policarbonato
attraverso dei processi che non possono essere replicati in casa. I CD di questo tipo sono detti
READ ONLY.
Figura 12: Luce riflessa da una zona piana
Figura 13: Luce riflessa da un bump
Per supportare l’esigenza dei consumatori che richiedono supporti registrabili e non
solamente leggibili, furono introdotti nuovi tipi di supporto: i CD-registrabili (CD-R).
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Figura 14: Un CD-R non ha bumps ma zone opache o meno che illuminate dal laser riflettono la luce
Questo tipo di CD non ha bumps ma uno strato sottilissimo di metallo di cui la tinta è
riflettente se il CD non è scritto, mentre se la superficie viene riscaldata con una luce di una
particolare intensità e fequenza, diventa opaca e non riflette più, risultando iscritta. Un lettore CD
riesce a leggere allo stesso modo CD prestampati e CD registrabili perché la lettura si basa sul
concetto di luce riflessa, quindi non conta se provenga da un bump o da una zona riflettente. Il
problema di questo tipo di CD è che una volta scritti i dati su di esso, a differenza di floppy o hard
disk, non possono essere più cancellati e ricoperti con nuovi dati visto che la superficie del disco è
stata alterata dal laser.
Per tale motivo, alla metà degli anni novanta, è stato sviluppato un nuovo formato che
permette di cancellare e riscrivere un CD più volte: i dischi riscrivibili (CD-RW). Questo tipo di
disco è molto simile a quelli registrabili (CD-R) ma permette la cancellazione e la riscrittura in
quanto costituito da uno strato composto da vari materiali (tra cui argento, antimonio e tellurio)
capace di cambiare stato.
Figura 15: Sezione di un Cd riscrivibile
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Un DVD ha una struttura e un funzionamento molto simile ad un CD ma ha una maggior
capacità di contenere dati. Questo è dovuto ai seguenti fattori quali:
-
alta densità dei dati: distanza tra le spire e lunghezza dei bumps minori;
-
multi strato (Multi-layer): ci possono essere più strati dove memorizzare i
dati il che garantisce, ovviamente, una capacità multipla.
-
minore spreco di spazio: nei CD, molte informazioni vengono duplicate per
poter garantire una valida gestione dell’error correction, invece, nei DVD, di concezione
più recente, gli algoritmi per l’error correction sono molto più efficienti e non richiedono
tanto spazio aggiuntivo che quindi può essere usato per memorizzare un numero maggiore
di informazioni.
1.4 Confronto tra memorie veloci e memorie di massa
Vediamo, con una tabella riassuntiva, come le memorie veloci e le memorie di massa si
comportano rispetto alle caratteristiche principali di una memoria.
Caratter
istiche
Memorie
principali
Funzion
Memorie di
massa
elaborazione
e
archiviazion
e
Velocità
Alta
Bassa
Capacità
Bassa
Alta
Costo
Elevato
Basso
Tabella 2: Confronto tra memorie veloci e memorie di massa
Inoltre se volessimo eseguire una classifica della velocità di accesso delle memorie di
massa, essa sarebbe così ordinata:
-
HD;
-
DVD;
-
CD;
-
FD.
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2 Le prestazioni di un computer
Il microprocessore è una delle componenti fondamentali per il funzionamento di un PC in
quanto rappresenta, come è stato visto, il cervello dei sistema informatico stesso. I modelli più usati
sono quelli prodotti dalla Intel (8088, 8086, 80286, 80386, 80486, Pentium I, II ,III, IV,
Celeron,Centrino, Dual Core, Quad Core), dalla AMD (K6, k7, Athlon, Duron), dalla Motorola
(classe 68000). I processori della AMD sono detti “Compatibili”, poiché svolgono le medesime
funzioni degli Intel, anche se il loro funzionamento interno può essere molto diverso. Un parametro
che misura la rapidità di eseguire calcoli da parte di un processore è la sua velocità, misurata in
MIPS o MFLOPS.
Le prestazioni di un computer, però, non dipendono solo dalla velocità della CPU. I sistemi
operativi
moderni
richiedono
molta
memoria
centrale
o
RAM,
perché
elaborano
contemporaneamente più processi e sono di tipo grafico. Quando la RAM è insufficiente a
contenere i programmi in esecuzione, spesso viene sfruttata la tecnica della memoria virtuale, che
permette di utilizzare una parte del disco rigido come se fosse memoria centrale. La memoria
secondaria utilizzata a questo scopo è comunemente chiamata, in ambiente Posix, swap o spazio di
swap (verbo inglese che significa "scambiare"), mentre, in ambiente Windows, è chiamata file di
paging. Le operazioni di spostamento delle pagine dallo spazio di swap alla memoria fisica sono
chiamate swapping. Tale tecnica rallenta la risposta dei computer, perché scrivere e leggere dati su
disco comporta tempi più lunghi rispetto a farlo in RAM. Pertanto aggiungere altra RAM è uno dei
mezzi più appropriati per aumentare le prestazioni del computer.
Un aiuto a migliorare la performance del sistema è data dalla memoria Cache: una memoria
di tipo RAM, in piccola quantità (128-256-512 KB), strettamente connessa alla CPU.
Anche installare una scheda video più veloce e con una maggiore quantità di memoria video
(VRAM, Video RAM) aumenta le prestazioni del computer evitando un rallentamento durante la
visualizzazione, soprattutto se si lavora molto in grafica oppure se si utilizzano videogiochi di
ultima generazione.
La velocità della CPU e quella di accesso alle RAM sono enormemente più elevate di quella
di lettura e scrittura sui dischi. I componenti elettronici, infatti, lavorano a centinaia di milioni di
operazioni al secondo, mentre l'accesso a un disco rigido si misura in migliaia di operazioni al
secondo. Comunque anche le principali caratteristiche tecniche del disco rigido possono essere
un’indicazione della potenza complessiva di un computer. Le principali sono:
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-
la dimensione;
-
la velocità di rotazione;
-
la velocità media di accesso tra le tracce di un disco.
Per quanto riguarda la dimensione del disco possiamo dire che i sistemi operativi e i
programmi applicativi attuali richiedono spazio su disco nell'ordine delle decine e, sempre più
spesso, centinaia di megabyte e gli archivi di immagini e file multimediali occupano facilmente
milioni di caratteri. Di conseguenza, avere un disco di capacità maggiore significa poter lavorare
più tempo con un computer, prima di cominciare a preoccuparsi di cancellare dati meno importanti
oppure di sostituire l'intera unità. A velocità di rotazione più elevate corrispondono maggiori
quantità di dati trasferiti al secondo. Dai dischi da 5400 rpm (revolutions per minute, ossia “giri per
minuto”), si è passato a quelli a 7200 rpm, e sono già disponibili unità che superano il valore di
10000 giri al minuto. La velocità media di accesso da traccia a traccia non è un indicatore diretto
della reale velocità di risposta di un disco rigido in condizioni operative. A valori più bassi (che
sono intorno a una decina di millisecondi) corrispondono unità con migliori prestazioni
elettromeccaniche e tempo di accesso più rapidi ai dati memorizzati negli archivi sul disco.
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Bibliografia/Sitografia
Hans-Peter Messmer, Indispensable PC Hardware Book, The 4/e, Addison
Wesley Professional Gennaio 2002
Oscar Maeran, Hardware del PC, McGraw-Hill, Gennaio 2006
Curtin Dennis P., Foley Kim, Sen Kunal, Morin Cathleen, Informatica di
base, McGraw Hill, 1999
Gioacchino Candilio, Elementi di informatica generale, Franco Angeli, 2004
N. Tenzoni e A. Guidi, Informatica di base, Apogeo, 2004
Wikipedia, L’enciclopedia libera: http://it.wikipedia.org
www.ComeFunziona.Net
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