Fondamenti di informatica - Laurea triennale Informatica/Memoria di massa

Poiché la memoria principale (RAM) è volatile e di capacità limitata, i computer usano dispositivi di memoria di massa (o memoria secondaria) come hard disk magnetici (HDD), CD/DVD/Blu-ray, nastri magnetici, chiavette USB e SSD.

I vantaggi rispetto alla RAM sono: maggiore stabilità dei dati (non volatilità), grande capacità, costo più basso e spesso rimovibilità per archiviazione. Lo svantaggio principale di molte tecnologie tradizionali (magnetiche e ottiche) è la lentezza dovuta a movimenti meccanici, oltre a una maggiore probabilità di guasti rispetto ai sistemi a stato solido. Anche i supporti flash, pur senza parti mobili, hanno limiti legati a velocità/ usura.

Concetto chiave: la scelta del supporto influenza metodi e costi di gestione dei dati

Sistemi magnetici (HDD, nastro, floppy)

Gli HDD memorizzano i dati su piatti (platters) rotanti rivestiti di materiale magnetico. Le testine di lettura/scrittura scorrono su tracce (tracks) concentriche. Le tracce sono divise in settori, ciascuno con una quantità fissa di dati.

Nei dischi moderni, per sfruttare meglio la superficie, si usa spesso la zoned-bit recording: il disco è diviso in “zone” e le tracce più esterne contengono più settori (quindi più dati) rispetto a quelle interne.

Prestazioni: si valutano con

1. Seek time: tempo per spostare la testina su un’altra traccia
2. Rotational delay: attesa che il settore desiderato “passi sotto” la testina
3. Access time: somma dei due precedenti
4. Transfer rate: velocità di trasferimento dati

Altri concetti generali:

• Bandwidth (banda) = quanti bit si possono trasferire per unità di tempo (bit rate).
• Latency (latenza) = tempo tra la richiesta di trasferimento e l’arrivo dei dati.

Gli HDD ruotano molto velocemente e le testine non toccano il disco (galleggiano a distanza minima): un granello di polvere può causare un head crash; per questo i dischi sono sigillati.

Nonostante velocità elevate, i dischi restano molto più lenti dell’elettronica interna: nel computer si lavora in nanosecondi, mentre i dischi hanno tempi in millisecondi.

Tecnologie magnetiche meno diffuse oggi:

• Nastro magnetico: economico e capiente, ma con latenza altissima; utile per backup/archiviazione sequenziale.
• Floppy disk: portatile ma con densità e velocità molto inferiori; superato dalle memorie flash.

Sistemi ottici (CD, DVD, Blu-ray)

I CD sono dischi riflettenti letti da un laser che rileva irregolarità della superficie. I dati sono registrati su un’unica traccia a spirale (dall’interno verso l’esterno), divisa in settori (per i CD dati tipicamente ~2 KB per settore).

Per massimizzare la capacità, la densità “lineare” dei dati è uniforme: verso l’esterno, in un giro ci sono più dati; perciò nei lettori audio CD la velocità di rotazione può variare per mantenere un flusso costante, mentre molti CD per computer usano velocità più costante e gestiscono variazioni di trasferimento.

I sistemi ottici sono ottimi per dati continui (es. musica/video), ma meno efficienti del disco magnetico per accesso casuale a piccoli pezzi di informazione.

Capacità tipiche:

• CD: ~600–700 MB
• DVD: diversi GB (più strati)
• Blu-ray: maggiore capacità grazie a laser a lunghezza d’onda più corta; i formati multistrato arrivano a ~100 GB, utili per video ad altissima definizione.

Memorie flash (chiavette USB, SSD, schede SD)

Le memorie flash memorizzano bit intrappolando elettroni in micro-strutture: sono non volatili, portatili e senza parti mobili (più resistenti agli urti).

Limite importante: anche se si può leggere in piccole unità, la cancellazione avviene spesso a blocchi grandi, e le ripetute cancellazioni usurano il supporto; quindi non sono ideali come RAM, ma eccellenti per dispositivi dove gli aggiornamenti sono più controllati (smartphone, fotocamere, ecc.).

• Flash drive (USB): molto capienti e comode da collegare/scollegare; buone per trasporto dati, ma meno adatte a archiviazioni “lunghissime” rispetto agli ottici.
• SSD: progettati per sostituire gli HDD; vantaggi: accesso più rapido, silenziosi, resistenti a urti/vibrazioni. Svantaggi: costo più alto e durata limitata delle celle, mitigata da tecniche di wear leveling.
• Schede SD: molto compatte; varianti SDHC e SDXC arrivano a capacità molto elevate e sono usate in molti dispositivi (fotocamere, navigatori, ecc.).