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Le memorie di massa

Le caratteristiche fondamentali della memoria di massa sono la non volatilità e la grande capacità: essa deve contenere tutti i programmi che possono servire all’utente, i dati che questi programmi utilizzano e producono, mantenendo tali informazioni per un periodo di tempo indefinito, anche in assenza di alimentazione. I principali dispositivi utilizzati per realizzare le memorie di massa sono basati su tecnologie magnetiche, ottiche e stato solido.


Nastri e dischi magnetici

I dispositivi di memorizzazione magnetici sono nastri e dischi costituiti da un supporto ricoperto da un sottile strato di materiale magnetico le cui condizioni di magnetizzazione consentono di memorizzare i dati.  Le operazioni di lettura e scrittura avvengono tramite una testina che posizionata in prossimità della faccia magnetizzata rileva ed eventualmente può modificare lo stato di magnetizzazione della superficie sottostante. Le cassette a nastro in tecnologia DAT (Digital Audio Tape) e DV (Dital Video) consentono capacità di memorizzazione di GByte grazie all’adozione di un tracciato di memorizzazione tipo elicoidale e di materiali ferromagnetici avanzati.Nei dischi il materiale magnetico viene steso su entrambe le facce di un porto di forma circolare. Le informazioni sono memorizzate sul disco in cerchi concentrici, chiamati tracce, tutti della stessa larghezza, che corrisponde alla dimensione della testina, e tutti contenenti lo stesso numero di bit (la densità di memorizzazione, cioè il numero di bit per unità di superficie, cresce quindi andando dalla periferia verso il centro del disco). Le tracce sono suddivise in settori e ogni settore ospita un blocco di dati (record), che rappresenta in genere l'unità minima di trasferimento tra disco e memoria centrale. Sia tracce adiacenti che settori successivi sono separati da gap, ossia parti vuote, che servono a evitare quegli errori nella lettura o nella scrittura dei dati provocati da un posizionamento poco preciso della testina .

Formattazione

Per poter utilizzare un disco, la sua superficie deve essere organizzata in tracce e settori, con un’operazione detta formattazione che consente di identificare la posizione di ogni settore all’interno di ogni traccia mediante un insieme di dati di controllo che vengono memorizzati sul disco. Il suo funzionamento e' alquanto semplice, il disco ruota a velocità costante , la velocita di rotazione varia da 4000 a 7200 giri al minuto per i dischi IDE (Integrated Drive Electronics) e raggiunge anche i 10000 giri al minuto per quelli SCSI. Per leggere o scrivere la testina si posiziona sulla traccia desiderata all’inizio del settore. IL seek time, tempo necessario per posizionare la testina sulla traccia richiesta, varia da pochi millisecondi a centinaia di millisecondi a seconda della distanza della testina dalla traccia di destinazione. Quando la traccia è raggiunta, il sistema attende che la rotazione del disco faccia posizionare il settore cercato sotto la testina e quindi attiva l'operazione di lettura o scrittura. Per eseguire un trasferimento occorre dunque specificare all’interfaccia di ingresso/uscita del disco traccia, settore e numero di parole da trasferire, l'indirizzo della memoria centrale da dove proviene o dove deve essere memorizzata l’informazione e il tipo di operazione, se lettura o scrittura.

 

 

Le unità di memoria a dischi tradizionalmente disponibili si distinguono in hard disk e floppy disk.

 

HARD DISK

L'hard disk (chiamato anche disco fisso” o «disco rigido”) è alloggiato all’interno di un disk drive e può essere composto da più dischi sovrapposti a distanza di pochi millimetri l’uno dall’altro. All'interno dell'hard drive si trovano le testine di lettura/scrittura, il motore per far ruotare i dischi e tutti gli elementi elettronici necessari per il controllo e l’esecuzione delle operazioni di lettura e scrittura. I dispositivi più recenti sono dotati di memoria elettronica (buffer) (che attualmente varia da 512 KByte a circa 32 MByte) dedicata alla memorizzazione dei dati del disco usati più di frequente, sono equipaggiati con interfacce veloci di ingresso/uscita IDE ATA, SATA o SCSI (Small Computer Standard Interface). Tali sistemi possono raggiungere velocità di trasferimento fino a 40 MByte/s con tempi medi di accesso di qualche millisecondo e capacità di vari Gbyte.

 

FLOPPY DISK

I floppy disk (i cosiddetti «dischetti da 1,44 Mbyte, 3,5 pollici”) si sono diffusi con l’avvento dei personal computer, per facilitare il trasferimento dei dati tra calcolatori, e funzionano secondo lo stesso principio dei dischi fissi, con la differenza che ogni unità contiene un solo disco, inserito in una confezione rigida per gli attuali dischetti da 3,5 pollici e flessibile per quelli da 5,2 pollici ormai utilizzato solo il nome floppy. Al contrario degli hard disk, che in genere sono sempre in rotazione , i floppy disk rimangono fermi, in modo da consentirne l'strazione durante i periodi di inattività, e vengono messi in rotazione solo quando giunge una richiesta di accesso. I floppy disk attualmente più usati hanno un diametro di 3.5 pollici, una capacità di 1.44 MByte e sono formattati con 80 tracce e 18 settori.

IL FILE SYSTEM

Le modalità per realizzare fisicamente la strutturazione logica del file system in file e directory sono molteplici. I dati sul disco rigido vengono gestiti in blocchi di piccole dimensioni, dell’ordine del KByte. In sistemi operativi come MS-DOS e Windows 95-98, l'associazione fra i blocchi che contengono i dati di un file e il corrispondente filename viene realizzata impiegando una struttura a lista concatenata (a partire dal primo elemento, in coda a ogni blocco di dati viene riportato l'indirizzo del successivo), che viene memorizzata in una particolare area del disco, detta tabella di allocazione dei file (File Allocation Table, - FAT). In tal modo, il file system per accedere ai dati di un file deve individuare il suo filename, recuperare l'indirizzo del primo blocco e quindi scorrere la lista dei blocchi a esso pertinenti. Per ogni file il file system memorizza non solo l'indirizzo del primo blocco dei dati, ma anche un descrittore di file, che contiene altre informazioni ausiliarie come data e ora dell'ultima modifica, tipo del file, protezioni, dimensione... L’operazione di creazione o di accesso a un file comporta il caricamento nella memoria centrale di tali informazioni, così come la chiusura di un file l'aggiornamento del descrittore su disco. Per ragioni di efficienza, si può operare con una copia della FAT mantenuta in memoria centrale. La soluzione a lista concatenata funziona egregiamente per sistemi che operano con file di dimensione limitate. Qualora si debbano trattare file di notevoli dimensioni l'efficienza nei tempi di accesso può risultare critica per la ricerca che nella lista concatenata avviene in modo strettamente sequenziale e lo spazio destinato alla FAT nella memoria centrale può divenire eccessivo.

In altri sistemi operativi, per esempio UNIX o LINUX, l'organizzazione dei blocchi di dati che compongono un file è basata sui cosiddetti inode. Gli inode contengono le informazioni relative al descrittore del file insieme a quelle sui blocchi della memoria di massa. Un inode può effettivamente contenere l'indicazione di blocchi di dati, se il file è piccolo, oppure identificare un insieme di altri inode, che a loro volta specificano blocchi di dati o altri inode, e così via. In questo modo ai file di grandi dimensioni è associato un albero di inode i cui nodi alle estremità contengono i riferimenti ai blocchi di dati. Questa apparente complessità comporta una significativa diminuzione dei tempi di accesso, poiché per arrivare a conoscere l'effettivo indirizzo su disco di un dato è necessario analizzare, qualora il file sia composto da N blocchi, un numero di inode proporzionale a log N, mentre nel caso della ricerca sequeziale necessaria per l'organizzazione a lista concatenata il numero di inode da analizzare è evidentemente proporzionale a NTIPI DI PARTIZIONI

Ogni hard disk contiene una tabella delle partizioni, che ha spazio per quattro registrazioni. Ogni registrazione può essere una partizione primaria o una partizione estesa; é possibile però creare solo una partizione estesa.

 Le partizioni primarie sono un settore ininterrotto di tracce, associato a un sistema operativo. Come partizioni primarie si possono creare massimo quattro partizioni per ogni hard disk.

Partizione estesa: anche la partizione estesa è un settore ininterrotto di tracce, ma la si può ancora suddividere in cosiddette partizioni logiche che non hanno bisogno di alcuna registrazione nella tabella delle partizioni.

Se necessitano più di quattro partizioni, nel crearle una si deve impostare come partizione estesa: nella partizione estesa si possono a sua volta creare un numero di partizioni logiche limitato solo dal tipo di hard disk (il massimo per gli hard disks SCSI è di 15, mentre per gli hard disk IDE sono 63 ).

Il sistema operativo windows 95-98 si installa sulla prima partizione primaria (C:)dopo averla resa attiva. Altri sistemi operativi non hanno queste restrizioni e si avviano anche se installati sulla partizione estesa.

 

IL BOOT DEL PC All'accensione del computer, vengono prima inizializzati dal BIOS (Basic Input Output System) schermo e tastiera e viene fatto il test della memoria principale; finora non è ancora stata riconosciuta alcuna periferica esterna!
Dopo aver terminato il suo “controllo interno” , il sistema può dedicarsi alla ricerca dell'hardware collegato. Informazioni riguardanti la data attuale, l'ora e una scelta delle periferiche più importanti vengono lette dai valori CMOS (CMOS setup). Poichè il primo hard disk e la sua geometria dovrebbero essere conosciuti, può cominciare l’avvio del sistema operativo.

Per farlo, viene caricato dall’hard disk nella memoria il primo settore fisico di dati che ha la capacità di 512 Byte (Master Boot Record - MBR), quindi il controllo del boot passa a un piccolo programma sito all’inizio di questo settore.

Chiaro quindi che il processo del boot si svolge in modo identico su ogni PC, indipendentemente dal sistema operativo installato, e il PC ha a disposizione, per l'accesso alle periferiche, solo le routines memorizzate nel BIOS.


MASTER BOOT RECORD La struttura dell’MBR è stabilita da una convenzione estesa a tutti i sistemi operativi. I primi 446 Byte sono riservati ai codici del programma. I succesivi 64 Byte offrono lo spazio per una tabella di partizione contenente fino a 4 registrazioni · Gli ultimi 2 Byte contengono un “numero magico” (AA55): un MBR con un numero diverso viene considerato come non valido dal BIOS e da tutti i sistemi operativi del PC.
Il codice stesso e le sue capacità — dipendono però dal sistema operativo sotto cui è stato creato l'MBR.

 

Senza la tabella di partizione non sono possibili filesystem; l'hard disk è praticamente inutilizzabile

  

SETTORI DI BOOT I settori di boot sono i primi settori delle partizioni dell'hard disk. Essi offrono una capacità di 512 Byte e sono atti a contenere un codice in grado di inizializzare un sistema operativo che si trova su questa partizione: questo viene sempre fatto anche dai settori di boot di partizioni formattate in DOS-, Windows- o OS/2 (e contengono inoltre anche importanti dati di base del filesystem). Al contrario dei suddetti settori boot, quelli delle partizioni Linux — anche dopo la creazione di un filesystem — sono in principio vuoti . Perciò una partizione Linux non si inizializza da sé, anche se contiene un kernel e un root filesystem valido.
Un sistema boot con system start-code valido deve avere negli ultimi 2 Byte lo stesso contrassegno “”magico” dell’MBR.

 

Fare il boot da DOS o Windows 95/98/XP Nell'MBR di DOS del primo hard disk la registrazione di una partizione è indicata come attiva (bootable), il che significa che si deve cercare là il sistema da caricare. Il codice del programma di DOS nell'MBR è il primo gradino del bootloader (first stage bootloader) e controlla se sulla partizione indicata esiste un settore di boot valido.

Se questo è il caso, in questo settore boot può venire post inizializzato il codice come “secondo gradino” del boot loader (secondary stage loader). Il codice carica ora i file di sistema e alla fine del processo appare l’usuale DOS-Prompt o parte la superficie grafica di Windows 95/98/XP.

Sotto DOS è possibile contrassegnare come attiva una sola partizione primaria

Bruno Pelle

 

 

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