MEMORIE DI MASSA
Il microprocessore, per poter lavorare, ha bisogno di
una
memoria in cui registrare i dati e le istruzioni da eseguire. Questa memoria
deve essere veloce, in modo da rispondere alle richieste della CPU nel minor
tempo possibile. La memoria utilizzata dalla CPU per lavorare è detta, appunto,
MEMORIA DI LAVORO (di solito la RAM).
Molto veloci, le memorie di lavoro hanno una
caratteristica da sottolineare: sono volatili,
cioè quando si
spegne il computer vengono persi tutti i dati in esse contenuti. Esistono anche
memorie di lavoro non volatili (NoVRAM), in cui ad ogni cella di memoria
volatile è associata una di memoria non volatile: l’informazione, in scrittura,
viene memorizzata contemporaneamente in entrambe le celle, mentre, in lettura,
viene letta solo dalla cella volatile (poi viene riscritta in essa perché, in questo tipo di memoria,
la lettura dell’informazione si dice Distruttiva perché cancella
l’informazione che è memorizzata sotto forma di carica di un condensatore). Tuttavia,
causa del
loro eccessivo costo, le NoVRAM sono utilizzate solo per applicazioni
particolari.
Il computer necessita quindi di un altro tipo di memoria
che conservi i dati anche a PC spento: la MEMORIA DI MASSA. Alcuni esempi di
memorie di massa sono hard disk,
floppy disk, CD-rom, DVD, dischi magneto-ottici e tutti i dispositivi a nastri.
In questo tipo di memorie i dati non vengono persi finché
l’utente non decide di cancellarli, tuttavia non possono essere utilizzate come memoria di lavoro, in quanto
sono molto più lente rispetto alla RAM, infatti, essa ha un
funzionamento elettronico, per cui l’accesso ai dati è quasi immediato, mentre
le memorie di massa hanno un funzionamento meccanico, per cui l’accesso ai dati
è molto lento rispetto ai tempi della CPU (di pochi millisecondi, un'eternità in
termini di tempo di CPU).
Gli hard disk sono il tipo di memoria di
massa attualmente più utilizzata, ogni computer moderno ha almeno un hard disk:
essi sono al primo posto tra le memorie di massa per velocità e per quantità di
memoria a disposizione in rapporto al basso costo per MegaByte (circa 0.1 € cent).
HARD
DISK
Gli hard disk sono anche chiamati dischi fissi o dischi
rigidi e si trovano fisicamente all’interno dell’unità centrale (case, tower)
collegati alla scheda madre attraverso un cavo (bus).
FIG. 01
La fig.01 mostra l’interno di Hard Disk,
dove si trova il disco vero e proprio.
Per avere un’idea di cosa si trova all’interno del
rivestimento, immaginate di prendere alcuni dischi musicali, disporli uno sopra
l’altro (alla stessa distanza l’uno dall’altro) e fissarli con un unico perno
centrale, in questo modo tutti i dischi girano alla stessa velocità. La distanza
tra i dischi deve essere tale da permettere ad una testina di leggere e scrivere
le informazioni su ogni disco (su entrambe le sue facce).
FIG. 02
Componenti fondamentali di un disco rigido:
Piatti: sono dischi rigidi di metallo montati su un albero che li fa ruotare tutti alla stessa velocità.
Testine di lettura/scrittura: componenti sensibili alla magnetizzazione della superficie del disco. Sono montate su bracci che si estendono su entrambe le superfici, superore ed inferiore, di ogni disco. Vi è almeno una testina per ogni faccia dei dischi. I bracci si muovono unitamente avanti e indietro tra il centro e il bordo esterno dei dischi e questo movimento, insieme con la rotazione dell'albero, consente alle testine di accedere a tutte le aree dei dischi.
Componenti elettronici integrati: traducono i comandi ricevuti dalla CPU (più precisamente, dal controller) e comandano le testine di lettura e scrittura.
I dischi sono formati da
una base in alluminio leggerissimo, sulla quale è apportato uno strato di
materiale magnetico (ossido di ferro). Il computer registra i dati sul disco
fisso come una serie di bit, ognuno dei quali è archiviato magnetizzando
(negativamente o positivamente) questo sottile strato di ossido di metallo. Quando
l’hard disk riceve le informazioni da conservare, utilizza le testine per
memorizzare magneticamente i bit su uno o più piatti. Quando il sistema richiede
dati già registrati, le testine si muovono sulla superficie interpretando la
polarizzazione dei piatti.
I dischi sono chiusi in contenitori sotto vuoto, in quanto
hanno bisogno di un ambiente pulito, cioè senza particelle di polvere o altre
resistenze superflue. Le testine di lettura e scrittura si trovano sopra e sotto
ogni disco, come si vede nella figura 02, e si trovano ad una distanza
ridottissima dai dischi, senza però mai toccarli perché, se questo accadesse,
danneggerebbero la superficie del disco in quanto esso ruota ad una notevole
velocità.
Tale velocità di rotazione è misurata in RPM, cioè rotazioni per
minuto. Per i dispositivi più vecchi si parla di 3.600 Rpm, quelli più
moderni possono avere varie velocità: 5.400, 7.200, fino al massimo attuale che
è di 15.000 Rpm. Quindi le testine arrivano a muoversi, molto vicine alla
superficie dei dischi, che girano ad una velocità lineare di circa 240 km/h!. Per
questo motivo la
superficie dei dischi deve essere priva di impurità per evitare il contatto con
le testine, che significherebbe procurare danni irreparabili (Head
Crashes - Landing).
Il contenitore esterno ai dischi serve, quindi, ad evitare
l’ingresso di impurità e sigillare dischi e testine in un ambiente sottovuoto e
“sterile”, cioè privo di qualsiasi particella di polvere di diametro superiore
a 0,3 micron. La figura 04 mostra il confronto tra la dimensione di alcune
impurità con la distanza delle testine dai piatti (tutta la figura è stata
ingrandita e le proporzioni non sono state rispettate fedelmente, è un'immagine
solo a scopo illustrativo).
FIG. 04
La capacità dei dischi fissi, continuamente in crescita, è passata da pochi MegaByte dei primi anni ’80 fino ai vertici attuali di 80 GigaByte.
STRUTTURA
Ogni hard disk è
suddiviso in tracce, settori e cilindri.
La superficie di ogni piatto del disco rigido è divisa in
cerchi concentrici chiamati TRACCE. Esse sono identificate da un numero, partendo da zero e
arrivando al limite superiore, differente per ciascun hard disk.
Le tracce, a loro volta, sono suddivise in
SETTORI,
utilizzati per immagazzinare una determinata quantità di informazioni,
tipicamente 512 byte - 0.5 Kb.
La figura 01 illustra la suddivisione di un disco.
FIG. 01
La quantità di tracce dipende dal disco,
non esiste un numero unico.
Anche i settori variano la loro dimensione a seconda del
tipo di disco. La capacità di memorizzazione deve però essere uguale per tutti i
settori del disco: da ciò consegue che sulle tracce interne le informazioni
devono essere più concentrate rispetto alle tracce più esterne.
Un cilindro è composto da una serie di tracce che si trovano alla stessa distanza
dall’albero su entrambi i lati di tutti i piatti. Ad esempio, la traccia tre su ogni lato di ciascun piatto si trova alla stessa distanza dall’albero. Immaginando queste tracce collegate in senso verticale, la serie va a costituire la forma di un cilindro.
L'hardware e il software del computer utilizzano spesso i cilindri: se i dati e le istruzioni sono memorizzati nello stesso cilindro, il tempo richiesto per accedervi è minore in quanto non è necessario spostare la testina. Il movimento della testina è infatti molto lento se paragonato alla rotazione del disco e al tempo di selezione della faccia.
Il disco fisso è gestito
da un dispositivo chiamato CONTROLLER che si occupa di interpretare i comandi
ricevuti dalla CPU e posizionare le testine di lettura e scrittura sulla traccia e sul
settore giusto . Per ritrovare le informazioni registrate, il controller
necessita di alcuni dati: il numero della traccia, il settore di inizio e la
lista degli altri settori contenenti le informazioni.
CARATTERISTICHE
Un hard disk è caratterizzato da numerosi attributi, quali
la capacità, la velocità di rotazione, il tempo medio di accesso, ecc.
La CAPACITÀ esprime il numero di GigaByte di spazio
disponibile per memorizzare le informazioni.
La DENSITÀ DI REGISTRAZIONE è indicata attraverso 3
nomi: densità di superficie (areal density), densità dei bit lungo la traccia (recording
density) e densità delle tracce (track density). Confrontando questi parametri
tra due dischi si può stabilire quale utilizza le tecniche più moderne. Quando
questi dati non sono disponibili si può utilizzare il numero ottenuto dividendo
la capacità totale per il numero di piatti: si ottiene un ulteriore indicatore
della densità di registrazione.
Attualmente i valori più alti sono 15 GigaByte per piatto per dischi da 7.200 Rpm e 20 GigaByte per piatto per dischi da 5.400 Rpm. La densità di registrazione è una caratteristica molto importante in quanto da essa dipendono la capacità, il costo per MegaByte e la velocità di trasferimento.
La VELOCITÀ DI ROTAZIONE si
misura in giri al minuto, Più velocemente girano i piatti, maggiore è la
quantità di dati che è possibile trasferire in un certo tempo, minore è anche il
tempo di attesa. Al crescere della velocità di rotazione si deve però ridurre la
densità di registrazione e si devono tenere sotto controllo l’usura, la
generazione di calore e l’emissione acustica.
Un buffer più grande permette di ridurre il numero degli
accessi al disco (per i quali serve molto più tempo rispetto alla RAM), quindi
la DIMENSIONE DEL BUFFER influisce sulle prestazioni. Attualmente il
buffer dei dischi per PC si aggira intorno ai 512 KB pari ad un settore.
Per poter leggere o scrivere un file, la testina deve
essere prima posizionata sulla traccia giusta. Il tempo impiegato per
posizionare le testine nelle tracce si chiama TEMPO MEDIO DI RICERCA e si
suddivide in Seek Time, il tempo necessario alla testina per posizionarsi
sul cilindro giusto, e in Latency Time, il tempo necessario a far
capitare il settore giusto sotto la testina che dipende dalla velocità di
rotazione del disco. Il tempo necessario a decidere
quale faccia considerare (operazione effettuata elettronicamente) è ininfluente.
Rimane la VELOCITÀ DI TRASFERIMENTO (transfer rate)
che indica la velocità con cui avviene lo scambio dei dati tra disco e buffer e
viceversa.
Come ogni dispositivo, anche il disco fisso è soggetto a usura, errori e malfunzionamenti in seguito ai quali può succedere che vengano persi o rovinati dei dati. Per certi tipi di problemi è possibile intervenire e riparando l’errore, in altri casi invece si deve necessariamente sostituire il disco.
BAD SECTOR
Uno degli errori più frequenti è noto come bad
sector (settore “cattivo”, rovinato). Quando viene segnalato questo
errore significa che i dati memorizzati nel bad sector sono stati persi.
Il
sistema ci avverte quando si verifica questo errore con un messaggio del tipo
"IMPOSSIBILE LEGGERE SU A:" (tale tipo di errore si verifica soprattutto sui
dischi floppy).
Si può tentare di recuperare il floppy disk, anche se in realtà conviene buttare il dischetto e comprarne un altro, spendendo circa 0.50 €, ma nel caso dell’hard disk la cifra sale intorno ai 150€. Il primo tentativo è utilizzare il programma SCANDISK che controlla l’intera superficie del disco segnalando la presenza di errori. Nel caso vengano trovati degli errori, il programma tenta di sistemare il settore difettoso. Se si tratta di un problema non grave il settore sarà ripristinato recuperando i dati in esso contenuti, altrimenti sarà “bollato” come BAD SECTOR con conseguente perdita dei dati.
Fortunatamente la qualità dei moderni Hard Disk
rende molto rari i bad sector, anche se alcuni negozianti stanno
lamentando una difettosità del 40% per alcune marche finora considerate ottime.
Se scandisk non dovesse risolvere il problema, il secondo tentativo
da effettuare è formattare il disco.
Ovviamente con questo sistema verranno persi tutti i dati, anche quelli dei
settori non rovinati, ma nella maggior parte dei casi la formattazione sistema
il disco in modo da non generare errori in seguito.
Il caso preoccupante è quando né SCANDISK né la
formattazione risolvono i problemi: ripetendo il controllo sul disco, ad
esempio, vengono segnalati sempre nuovi errori. Questo è il segnale che in
genere precede la rottura totale del dispositivo perciò conviene cominciare a pensare di acquistarne un altro, e al più
presto fare un back up dei dati, prima che sia troppo tardi.
Un ultimo, estremo, tentativo è la formattazione
“a basso livello”. È possibile effettuarla dal BIOS, oppure con utility a
parte (clicca qui per scaricarla). Questa operazione effettua nuovamente (la prima
volta viene effettuata dal produttore) la suddivisione della superficie del
disco in cilindri, tracce e settori e verifica l'affidabilità di questi ultimi
contrassegnando quelli inutilizzabili: è un'operazione molto lenta (con le
moderne capacità di hard disk, tale operazione può
richiedere anche oltre 24 ore) e non deve essere effettuata se non nei casi
estremi.
I dispositivi più recenti utilizzano un sistema automatico di rimappatura dei settori difettosi: mentre si memorizzano le informazioni sul disco, vengono controllati i settori. Se un settore risulta inaffidabile, i dati vengono copiati in un altro settore in un’area del disco che normalmente è inaccessibile. Questo avviene senza che l’utente se ne renda conto (in modo trasparente all’utente). La dimensione di quest’area dipende dal dispositivo, ma di solito è sufficientemente grande per contenere gli errori che statisticamente possono verificarsi con l’utilizzo normale del disco. Gli errori di bad sector sono segnalati all’utente solo quando quest’area è completamente esaurita.
HEAD CRASHES - LANDING
Questo tipo di errore è molto grave in quanto danneggia fisicamente il dispositivo. Abbiamo visto che le testine non toccano mai la superficie del disco (in figura 04 si apprende che la distanza tra superficie e testina è di circa 0.5 micron): se questo dovesse malauguratamente accadere (ad esempio in seguito ad un urto più o meno violento) a causa della velocità di rotazione del disco le testine ne danneggerebbero la superficie, graffiandola, e microscopici pezzi di rivestimento magnetico andrebbero a danneggiare i settori adiacenti, con il risultato di rendere nella maggioranza dei casi, inutilizzabile il dispositivo.