I tipi di memorie del Personal Computer

I tipi di memorie del Personal Computer
L'hard disk o disco rigido è un dispositivo utilizzato per la memorizzazione a lungo
termine dei dati in un computer. È costituito fondamentalmente da uno o più dischi
rivestiti di materiale ferromagnetico in rapida rotazione e da due testine per ogni
disco (una per lato), poste a piccolissima distanza dalla superficie del disco stesso in
grado di leggere e scrivere i dati. La testina è tenuta sollevata dall'aria mossa dalla
rotazione stessa dei dischi che può superare i 15.000 giri al minuto.
Gli hard disk moderni hanno capacità e prestazioni enormemente superiori a quelle
dei primi modelli, ma restano comunque molto al di sotto delle prestazioni dei
componenti elettronici che compongono il resto del computer. Per questo motivo,
l'hard disk è spesso la causa principale del rallentamento di un computer.
Le caratteristiche principali di un hard disk moderno sono:
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la capacità
il tempo di accesso
la velocità di trasferimento
La capacità è in genere espressa in gigabyte (GB). I produttori usano i gigabyte
metrici, invece delle approssimazioni per potenze di due usate per la memoria.
Questo significa che un hard disk di una data capacità è in realtà un poco più piccolo
di un modulo di memoria con la stessa capacità, e lo scarto aumenta all'aumentare
delle dimensioni. Gli hard disk si trovano in vendita con capacità generalmente
comprese tra 40 e 300 gigabyte. La capacità può essere aumentata incrementando la
densità con cui le informazioni vengono memorizzate sui dischi, usando dischi più
grandi, o usando un numero maggiore di dischi.
Il tempo di accesso è la variabile più importante nel determinare le prestazioni di un
hard disk, ma spesso non viene menzionata dal produttore. 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 interessante non si trova sotto
la testina (latenza rotazionale). 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.
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. C'è da dire che, a parte casi particolari, la velocità di trasferimento
teorica viene raramente raggiunta e il tempo di accesso è quello che maggiormente
influenza le prestazioni di un hard disk.
Hard disk IDE
Connettore IDE di un hard disk
L'interfaccia più comune è quella IDE, poi evolutasi in EIDE e ATA. Un cavo piatto, solitamente
grigio, è usato per connettere l'hard disk alla scheda madre. Spesso il cavo ha un terzo connettore
per poter usare un altro hard disk (o altre periferiche ATA come i lettori cd) con lo stesso cavo. In
tal caso, per poter distinguere tra le due periferiche, esse devono essere configurate una come
master e una come slave. Questa configurazione può avvenire sia manualmente, spostando dei
jumper presenti sulle periferiche, sia automaticamente se esse sono impostate come cable select. In
quest'ultimo caso è la scheda madre a decidere chi è il master e chi lo slave. Questo è
particolarmente utile quando si utilizzano dischi fissi vecchi, o nel caso di bassa compatibilità tra
unità diverse (ad esempio due dischi fissi, ma anche un disco fisso e un lettore CD).
Una scheda madre ha solitamente due connettori IDE (primario e secondario, detti spesso canali e
impropriamente controller), ad ognuno dei quali è possibile connettere due unità per un totale di
quattro periferiche. Non mancano schede madri con quattro connettori. Il cavo IDE comunque non
porta l'alimentazione elettrica necessaria per il funzionamento delle periferiche, che quindi devono
essere connesse all'alimentatore per mezzo di un cavo separato.
Tipicamente, un personal computer ha un disco fisso come master sul canale IDE primario, ma a
seconda del sistema operativo utilizzato esso può risiedere su una qualunque interfaccia IDE.
Ecco un esempio delle possibili connessioni all'IDE di un pc:
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canale primario:
o master: hard disk;
o slave: lettore cd (con il jumper su cable select)
canale secondario:
o master: hard disk;
o slave: masterizzatore DVD
Impostazione di master, slave, cable select
Ogni unità che può essere connessa ad un cavo IDE (hard disk, lettore/masterizzatore CD/DVD)
possiede un gruppo di pin nella parte posteriore, tra il connettore per il cavo IDE e quello per
l'alimentazione, che possono essere collegati a due a due da un apposito jumper. Per cambiare
l'impostazione di un hard disk tra master, slave e cable select, bisogna controllare sulla superficie
esterna dell'unità le diverse posizioni possibili del jumper e a quali di queste corrispondono le
diverse modalità.
Serial ATA
Hard disk con connettore Serial ATA (il secondo a sinistra)
Negli ultimi anni con l'evoluzione delle periferiche di memorizzazione l'interfaccia ATA ha
mostrato i suoi limiti tecnologici e quindi è stata sostituita dal una nuova versione chiamata serial
ATA. Questa nuova interfaccia ha come principale caratteristica quella di trasmettere i dati in modo
seriale e quindi invece di utilizzare quaranta fili per trasmettere i dati ne utilizza solo due, uno per
trasmettere i dati e uno per ricevere, oltre a due fili per le masse. In realtà il cavo è a sette fili dato
che lo standard utilizza anche alcuni fili come segnali di controllo.
Tecnologie SATA
NCQ: Native Command Queuing
Recentemente nei dischi SATA è stata implementata una tecnologia ereditata dai dischi SCSI:
l'NCQ:
Ogni disco invia una richiesta tramite la CPU e, se il dato non è presente in una delle cache, le
testine dell'hard disk si posizionano in modo da potere iniziare la lettura dei dati. Se occorre
accedere a una serie di dati non sequenziali distribuiti in varie zone del disco, le testine dovranno
saltare da un cilindro all'altro, avanti e indietro.
Per esempio, se la sequenza di accesso è 1, 4, 3, 5, 2, 6, 7 (immaginando che la sequenza numerica
corrisponda all'angolo di rotazione), si perderanno parecchi cicli di rotazione prima che le testine
abbiano visitato tutti i blocchi di dati. Con l'NCQ, l'hard disk crea una coda delle richieste di
accesso, quindi le riordina (ne cambia la sequenza) per ridurre al minimo il numero di rotazioni e il
tragitto delle testine in modo da eseguire tutti gli accessi nel più breve tempo possibile.
La rotazione dei piatti e il posizionamento sulla traccia (seek) sono i due criteri per ottimizzare
l'esecuzione dei comandi in coda, così da compiere il tragitto più breve per visitare tutti i blocchi di
dati che la coda di comandi prevede di leggere e scrivere. Questo meccanismo di accodamento e
riordino è paragonabile all'ottimizzazione delle consegne da parte di un postino che debba
consegnare centinaia di lettere in diverse zone di una città; anziché esaminare una consegna per
volta in sequenza e saltare continuamente da un capo all'altro della città, il postino stabilisce un
percorso che richiede il tempo minore per eseguire tutte le consegne. Per utilizzare al meglio l'NCQ
occorre che le applicazioni stabiliscano code di comandi, cosa che non succede se è in esecuzione
una singola applicazione che attende la risposta a una richiesta di dati prima di inviare la richiesta
successiva.
Il Compact Disc
Un Compact Disc, o CD, è un supporto di memorizzazione digitale composto da un
disco di resina termoplastica trasparente, generalmente di 12 centimetri di diametro,
ricoperto da un sottile foglio di materiale metallico sul quale sono memorizzate le
informazioni come "buchi" (in inglese "pits") successivamente letti per mezzo di un
laser.
L'origine del CD risale al 1979, quando fu inventato, congiuntamente, da Sony e
Philips. La genesi del CD è dovuta alla ricerca, da parte del mondo della telefonia, di
un sistema efficiente di moltiplicazione per le informazioni, attraverso la
numerizzazione e semplificazione dei segnali. L'applicazione congiunta del sistema
binario al suono e del laser diede vita al compact disc.
I formati di CD più diffusi sono:
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CD Audio per la memorizzazione di suoni: fu il primo, originale tipo di
compact disc, messo in commercio nei primi anni '80.
CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) usati per la memorizzazione di
dati generici, stampati con appositi macchinari industriali. I CD-ROM di più
larga distribuzione vedono una capienza di 74 minuti/650 MB e di 80
minuti/700 MB, mentre più rari sono i formati da 90 minuti e da 100
minuti/870 MB. A loro volta si dividono in:
o CD-R (Compact Disc Recordable): registrabili una sola volta con i
comuni masterizzatori
o CD-RW (Compact Disc Rewritable): riscrivibili e perciò registrabili più
volte.
CD-I (Compact Disc Interactive): inventato dalla Philips nel 1986 e ceduto poi
alla Sony, può essere definito il progenitore del DVD, in quanto è un supporto
in grado di contenere audio, video ed altra multimedialità integrata.
Il Digital Audio Tape (DAT), un formato di nastro digitale in cartuccia, può essere
usato per creare una copia digitale di un CD, con caratteristiche audio indistinguibili
dall'originale, o per registrazioni audio dal vivo di qualità comparabile a quella del
CD.
Questi supporti, sviluppati prima dei CD-RW, venivano utilizzati prevalentemente in
ambito editoriale dato il loro costo elevato, ma soprattutto perché, per le loro stesse
caratteristiche, minavano alla base la possibilità di protezione del diritto d'autore, e
non ebbero perciò incentivo da parte di nessuna etichetta discografica. Negli Stati
Uniti la RIAA portò il caso del DAT persino davanti al Congresso.
I DVD
Il DVD, acronimo di Digital Versatile Disc (originariamente Digital Video Disc) è un supporto di
memorizzazione di tipo ottico.
Storia
Il DVD è il prodotto della cooperazione di alcune fra le maggiori aziende nel campo della ricerca
nel campo del cosumer electornics (Royal Philips, Sony, Matsushita, Hitachi, Warner, Toshiba,
JVC, Thomson e Pioneer che formano il c.d. DVD Forum). L'intento era quello di creare un
formato di immagazzinamento di grandi quantità di video digitali che fosse accettato da tutti i
maggiori produttori senza riserve, evitando quindi tutti i problemi di incertezza del mercato dovuti
alla concorrenza fra formati che si erano presentati al tempo dell'introduzione delle videocassette
per uso domestico.
Nelle finalità del DVD forum sono 3 i campi d'applicazione del DVD:
1 - Formato DVD-Video destinato a contenere film, in sostituzione della videocassetta.
2 - DVD-Audio destinato a sostituire il CD Audio grazie ad un formato di decodifica
enormemente più evoluto dal punto di vista qualitativo.
3 - Formato DVD-Rom, destinato a sostituire il CDrom.
Sia nel DVD-Video che il DVD-Audio sono previsti sistemi di protezione in grado di disincentivare
la duplicazione illegale dei contenuti. Proprio a causa di problemi nello sviluppo dei codici di
sistemi di protezione adeguati, lo standard DVD-Audio sembra essere l'applicazione meno fortunata
del formato DVD (vedi oltre). Al contrario lo standard DVD-Video e DVDrom sono apparsi sul
mercato sin dal 1997, ottenendo un enorme successo commerciale.
In un secondo momento, lo stesso DVD Forum introdusse gli standard per i formati registrabili del
DVD. Formalizzato nel corso del 1999, il formato c.d. DVD-R è lo standard ufficiale per i DVD
Registrabile. Esso si suddivide nei formati "DVD-R for authoring" e "DVD-R for general use". I
primi sono destinati alla creazione di copie di video sotto copyright, necessitano di uno speciale
masterizzatore e sono in grado di implementare i sistemi di protezione dalla duplicazione. I secondi
sono in grado di contenere qualunque tipo di materiale, ma non sono compatibili con i sistemi di
protezione utilizzati nei DVD-Video.
Nel 2000 è stato formalizzato lo standard DVD-RW, che ricalca le caratteristiche dei DVD-R "for
general use", ma con la possibilità di essere riutilizzato fino a mille volte (teoricamente). Negli anni
necessari alla formalizzazione dello standard DVD-R, sono stai commercializzati altri 2 formati per
la registrazione in formato DVD: il DVD+R (e DVD+RW) dal consorzio Sony-Philps ed il formato
DVD-RAM supportato da Matsushita e JVC. Questi formati differiscono notevolmente dal formato
DVD-R in termini tecnici, anche se i più moderni lettori e masterizzatori sono in grado di
supportare DVD registrabili in qualunque formato (con qualche riserva per il DVD-RAM).
Più recente è l'introduzione di standard per la masterizzazione di DVD a doppio strato, simili al
DVD-9 industriale, e con una capienza di circa 9Gb di informazioni. Anche in questo caso la
cordata Sony-Philips ha giocato d'anticipo, commercializzando il formato DVD+R Dual Layer (c.d.
DVD+R DL) fin dal 2002, mentre solo nel 2004 si è formalizzato lo standard ufficiale DVD-R DL.
Il DVD-Video
I DVD-Video sono supporti digitali in grado di contenere fino a 240 minuti di
materiale video in formato mpeg2. L'audio può essere indifferentemente in formato
PCM (stereo non compresso), in formato Dolby Digital AC3 (che prevede da 1 a 6
canali), in formato DTS (a 6 canali) o in formato Mpeg1.
I DVD-Video in commercio possiedono un codice detto codice regionale per poter
essere riprodotto, usando un lettore DVD da tavolo, solo in una determinata zona del
mondo (il globo è stato suddiviso in aree dalle major cinematografiche). I codici
regionali dei DVD-Video sono i seguenti:
0 - Tutto il mondo (nessuna restrizione)
1 - Canada, USA e suoi territori
2 - Europa, Giappone
3 - Sudest asiatico
4 - Australia, Nuova Zelanda, America centrale e meridionale
5 - Asia nordovest e Africa del nord
6 - Cina
7 - Riservato
8 - Speciali sedi di riunioni (aeroplani, navi, hotel, etc.)
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Caratteristiche tecniche del formato DVD e DVD-ROM
Il DVD è una tecnologia matura che ha raggiunto la masima velocità(24X) e
capienza. A conclusione dello SMAU Gates ha detto che il DVD sarà l'ultimo
supporto; nella rete del futuro i dati verranno conservato su server lontani da casa a
cui si dovrebbe accedere in banda larga, realizzando il thin client computer di cui si
parla da 30 anni.
Le dimensioni dei DVD di produzione industriale sono di quattro tipi:
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DVD-5: 4.7 GB Lato unico e singolo strato
DVD-9: 8.5 GB Lato unico e doppio strato
DVD-10: 9.4 GB Due lati e singolo strato
DVD-18: 17 GB Due lati e doppio strato
La memorizzazione delle informazioni avviene sullo "strato di incisione", tramite un
laser, focalizzato su esso, che ne modifica la riflettività, riproducendo la sequenza 0,
1. Ogni strato è suddiviso in tracce circolari e concentriche di 0,74 micron.
In lettura, la luce laser, viene riflessa dallo strato di memorizzazione in modo diverso
a seconda dell'indice di riflessione e conoscendo la velocità di rotazione del disco e la
traccia su cui si sta leggendo, si può risalire alla sequenza 0,1.
La minima velocità di trasmissione dati da un DVD è quasi otto volte maggiore di
quella di un CD, cosicché un lettore DVD da 1x è quasi equivalente ad un lettore CD
da 8x. Più precisamente, 1x per un lettore DVD equivale a 1350 KBps, mentre 1x per
un lettore CD equivale a 150KBps.
Il file system più usato nei DVDRom è l'UDF (Universal Disk Format).
DVD Audio
Come accennato in precedenza il formato DVD-Audio ha subito numerosi slittamenti
per problemi tecnici, ma pochi sanno la natura di questi problemi. Come sappiamo il
DVD Audio (DVDA) è stato progettato per fornire una qualità sonora notevolmente
migliore di quella del CD Audio (CDDA). Malauguratamente i sistemi di protezione
dalla copia illegale implementati nel DVDA si sono rivelati molto efficaci dal punto
di vista della sicurezza, ma terribilemente invasivi dal punto di vista della qualità
complessiva del suono. In pratica il risultato sonoro era addirittura inferiore a quello
dei normali CDDA, tanto che si è dovuto cercare altri sistemi di protezione che
avessero un effetto meno marcato sulla qualità del suono. Nel frattempo è stato
introdotto e si è ritagliato una piccola fetta nel mercato audiofilo il formato
concorrente Super Audio CD (SACD), del consorzio Sony-Philips, in grado di fornire
prestazioni ancora migliori. Altro elemento che concorre al fallimento di questo
formato è la totale incompatibilità degli attuali lettori DVD-Video col formato DVDAudio.