Antonio Tufano - I dispositivi di memoria

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Indice

1. LA MEMORIA DI UN COMPUTER ............................................................................................................. 3

1.1 L’UNITÀ DI MISURA DELLA MEMORIA ............................................................................................................................. 4

2. LE MEMORIE PRINCIPALI ......................................................................................................................... 6

2.1 LA MEMORIA RAM.................................................................................................................................................... 6 2.2 LA MEMORIA RO ....................................................................................................................................................... 8 2.3 CONFRONTO TRA MEMORIE VELOCI E MEMORIE DI MASSA ............................................................................................... 18

3. LE PRESTAZIONI DI UN COMPUTER ........................................................................................................ 19

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................. 21





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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





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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 di byte

1 Kilobyte (1 KB) 1024

1 Megabyte (1 MB) = 1024 KB 1.048.576

1 Gigabyte (1 GB) = 1024 MB circa 1,07 miliardi

1 Terabyte (1 TB) = 1024 GB circa 1100 miliardi

Tabella 1: Multipli di un byte

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.





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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 del sistema operativo.

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 un 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 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





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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





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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

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 e costo.

2.2 La memoria RO

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





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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.

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.





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Figura 6: Nei BIOS vengono usate ROM di tipo Flash Memory

2.1 Le memorie di mass

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:





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• 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.

• 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.





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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 CD-ROM

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.

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.





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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.





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Figura 11: L'interno di un lettore CD

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.





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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).

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





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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

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





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aggiuntivo che quindi può essere usato per memorizzare un numero maggiore di

informazioni.

2.3 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.

Caratteristiche Memorie principali Memorie di massa

Funzione elaborazione archiviazione

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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3. 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 del 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 dato 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.





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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:

• 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

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• Gioacchino Candilio, Elementi di informatica generale, Franco Angeli, 2004

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