La memoria centrale

La memoria centrale

La memoria centrale (chiamata anche memoria primaria) è costituita da:

• RAM (▶ Random Access Memory);
• ROM (▶ Read Only Memory).

La RAM

La RAM è una memoria volatile, cioè una memoria che a causa della tecnologia con cui è costruita ha lo svantaggio di perdere i dati che contiene, ogni volta che viene privata dell’alimentazione.

Quindi, ogni volta che il computer viene spento volontariamente o accidentalmente, tutto quello che è contenuto in questa memoria, si volatilizza e non può più essere recuperato. Questo è un notevole inconveniente: è normale domandarsi come mai venga utilizzata nei computer.

Il motivo principale è che si tratta di una memoria molto veloce (più veloce delle memorie di massa, che descriveremo in seguito) e, per questo motivo, risulta molto utile, durante il funzionamento del computer, per contenere i programmi in esecuzione e i dati utilizzati dai programmi.

Trattandosi di una memoria performante è anche piuttosto costosa (più costosa della memoria di massa) e, solitamente, ha dimensioni piccole (più piccole della memoria di massa).

La ROM

Mentre il computer è in funzione, nella RAM vengono caricati i dati e i programmi necessari per il suo funzionamento, ma come sappiamo la RAM è una memoria temporanea: quando il computer viene spento, tutto ciò che essa contiene viene perso. Alla riaccensione è quindi indispensabile la presenza di una memoria permanente che conservi le informazioni necessarie a ripristinare il sistema ogni volta che viene riacceso il computer.

All’accensione del computer l’unità centrale di elaborazione (processore) legge le prime istruzioni a partire da una locazione fissa della memoria ROM.

In quella locazione è contenuta la prima di una sequenza di istruzioni di avvio (bootstrap) del computer, che comprendono:

• una serie di controlli dell’hardware: viene verificato quale hardware è disponibile in quel momento.

  Per esempio viene verificata la presenza o meno di uno schermo, di un mouse, di una stampante, di una scheda di rete ecc.;

• il caricamento nella RAM del sistema operativo, cioè di quel programma che gestisce le risorse hardware e software della macchina consentendo all’utente di interfacciarsi facilmente con essa.

  A computer spento, il sistema operativo risiede permanentemente nella memoria secondaria.

Durante il normale funzionamento, il contenuto della ROM non è modificabile, tuttavia esistono anche le memorie:

• PROM (ROM Programmabile): sulla quale è possibile scrivere una volta sola a livello hardware usando apparecchiature speciali;
• EPROM (▶ Erasable PROM): cancellabile e riscrivibile per un numero limitato di volte, sempre a livello hardware.

La memoria di massa

La memoria di massa (o memoria secondaria) raccoglie grandi quantità di dati (capacità elevata), rispetto alla memoria primaria, e li conserva in maniera permanente, anche in assenza di alimentazione, finché non viene cancellata volontariamente.

Normalmente le memorie secondarie, a parità di capacità, costano meno di una RAM, ma sono più lente perché hanno tempi di accesso maggiori rispetto alla memoria centrale. Esistono diversi tipi di memoria di massa, fra i quali:

• nastri magnetici;
• dischi (magnetici e ottici);
• memorie a circuito integrato.

i nastri magnetici

I nastri magnetici sono supporti di memorizzazione ad accesso sequenziale, oggi quasi totalmente in disuso, che in passato venivano utilizzati come memoria di massa e successivamente per il ▶ backup (copie di sicurezza) dei dati.

i dischi

I dischi sono supporti di memorizzazione ad accesso diretto e si differenziano in base alla tecnologia con cui vengono realizzati, che può essere: magnetica o ottica.

I dischi magnetici

I dischi magnetici sono supporti di memoria sui quali le informazioni vengono memorizzate in maniera permanente grazie a un processo di magnetizzazione.

Il disco magnetico è suddiviso in anelli concentrici numerati, detti tracce, ciascuna identificata a sua volta da un numero. Il disco è suddiviso in settori, ovvero in spicchi uguali, anch’essi identificati univocamente da un numero. Tra un settore e un altro esistono dei ▶ gap, che li separano.

Il disco viene letto per mezzo di una testina mobile che si sposta da una traccia all’altra, rimanendo vicinissima al disco, mentre questo viene fatto ruotare a una velocità costante, in modo che la testina possa raggiungere tutti i settori.

La velocità di accesso a un dato dipende dalla posizione in cui si trova la testina rispetto ai dati da leggere. Il tempo di accesso è dato dalla somma del tempo di spostamento della testina verso la traccia desiderata (tempo di seek) e del tempo necessario al disco a far giungere il settore desiderato sotto la testina (tempo di latenza).

Prima di poter utilizzare un disco magnetico, occorre formattarlo, cioè dividerlo logicamente in tracce e settori e numerarli.

I dischi ottici

I dischi ottici sono supporti di memoria, molto più diffusi in passato rispetto a oggi, su cui le informazioni vengono registrate e lette tramite un raggio laser (luce).

Diversamente dai dischi magnetici, i dischi ottici hanno una struttura paragonabile a quella dei dischi musicali in vinile: i dati vengono memorizzati lungo un’unica traccia a spirale che parte dal centro e procede verso l’esterno, permettendo di realizzare anche dischi con formato più piccolo rispetto allo standard.

I supporti ottici vengono fatti ruotare a una velocità variabile e, per essere utilizzati, non è necessario formattarli prima: vengono formattati direttamente al momento della scrittura.

Appartengono alla categoria dei dischi ottici:

• CD (Compact Disc) e mini-CD: i CD hanno una capacità massima fissa di 700 MB;
• DVD (Digital Versatile Disc): nei DVD i dati vengono memorizzati in modo più “denso” e inoltre sono ▶ multi layer (di solito hanno 2 strati). Per questi due motivi, i DVD possono memorizzare più dati rispetto a un CD. Un DVD memorizza 4,7 GB per ogni strato, su un singolo lato. Esistono anche DVD doppia faccia (double side), quindi scritti su entrambi i lati, in tal caso la capacità totale raddoppia;
• Blu-Ray: utilizzano, per la lettura e la scrittura, un laser a luce bluastra, che ha una lunghezza d’onda più corta rispetto ai CD e ai DVD. Questo consente ai Blu-Ray di contenere fino a 200 GB di dati, cioè quasi 40 volte di più rispetto a un DVD standard. Vengono utilizzati soprattutto per i film, anche in 3D, e i videogiochi, quindi prevalentemente in lettura.

Ciascuna categoria di disco ottico può presentarsi in tre diverse tipologie di scrittura dati:

• ROM: non permettono di alterare i dati memorizzati, gli utenti possono solo leggerli. Come per i CD di canzoni originali, che infatti si chiamano CD-ROM;
• WORM (Write Once Read Many): sono registrabili una sola volta, l’utente può scrivere sul disco fino al suo riempimento, anche in sessioni temporali successive. Ne sono un esempio i CD di tipo R (Readable);
• Erasable: sono riscrivibili più volte dall’utente. Ne sono un esempio i CD di tipo RW (Re-Writable).

Le Memorie a circuito integrato

Le memorie a circuito integrato sono supporti di memorizzazione ad accesso casuale che registrano le informazioni su un circuito integrato. In base alla tecnologia con cui vengono realizzate, si parla di: memorie Flash e memorie a stato solido.

Le memorie Flash hanno una tecnologia più vecchia e realizzano:

• penne USB (pen drive): con capacità fino a 256 GB. Grazie alle ridotte dimensioni sono gli strumenti più utilizzati per memorizzare, trasportare e scambiare dati;
• memorie SD (Secure Digital): con capacità anche superiore a 256 GB, vengono utilizzate sopratutto nelle macchine fotografiche e negli smartphone.

Le memorie a stato solido (Solid State Drive, SSD) hanno una tecnologia più nuova e realizzano principalmente hard disk sia interni sia esterni.

I dischi SSD sono più costosi degli hard disk magnetici (HDD) e quindi, a parità di prezzo, hanno una capacità inferiore, ma sono più veloci perché l’accesso alla memoria è elettrico, inoltre non avendo l’accesso mediante componenti magnetiche, ottiche o meccaniche in movimento, risultano anche più robusti agli urti (per esempio non possono verificarsi disallineamenti della testina in caso di caduta). Hanno, però, il difetto di deteriorarsi maggiormente durante la memorizzazione dei dati: per questo motivo i dati vengono registrati costantemente in posizioni differenti, in modo da prolungare la durata temporale del supporto.

Il modello logico della memoria

Come abbiamo visto, esistono diversi tipi di memoria, con caratteristiche differenti.

In informatica, però, indipendentemente dalla tecnologia con cui sono state fisicamente realizzate, tutte le memorie possono essere immaginate come una sequenza finita di celle, ciascuna contenente un certo numero di ▶ bit (di solito un byte, ovvero 8 bit).

Ciascuna cella è individuata da un indirizzo di memoria, cioè da un numero binario (per esempio formato da 4 byte) che identifica univocamente quella posizione in memoria.

La definizione di bit e di byte deriva dalla comprensione di alcuni importanti concetti che vengono trattati di seguito.

I segnali analogici e i segnali digitali

Per comprendere il concetto di segnale analogico e segnale digitale è utile pensare all’orologio.

Un segnale analogico (come l’orologio analogico) è continuo: se viene rappresentato su un grafico, in ogni istante di tempo sarà sempre possibile conoscere esattamente il suo valore.

In natura esistono solo segnali analogici, pertanto i segnali digitali vengono creati artificialmente (▶ unità 3). Partendo dal segnale analogico vengono effettuate due operazioni:

• campionamento: vengono prelevati dei campioni dal segnale analogico, a intervalli di tempo regolari;
• quantizzazione: i campioni vengono arrotondati al numero intero più vicino.

I segnali digitali usati dai computer come i segnali digitali generici appena descritti assumono solo valori discreti. Vengono ottenuti partendo da segnali analogici particolari, che hanno solo due possibili valori dai quali si ottengono i ben noti “0 e 1” dei computer.

Definizione di bit e di byte

Nei computer i dati e le informazioni vengono rappresentati con i segnali digitali che, nel tempo, assumono i valori 0 e 1. Questi due valori prendono il nome di bit (dall’inglese ▶ BInary digiT) e costituiscono i “mattoncini” più piccoli con cui è possibile costruire le informazioni.

Il bit è l’unità elementare di informazione.

Come abbiamo accennato, otto bit prendono il nome di byte. Perché proprio 8 bit? Semplicemente per motivi storici.

Le celle della memoria e i blocchi di dati che vengono trasferiti in un unico passaggio, solitamente hanno la stessa dimensione. Quando nel 1970 venne prodotto il primo microprocessore della storia dell’informatica (il 4004 della Intel) si usarono 4 bit, ma ben presto ci si rese conto che non erano sufficienti per eseguire i programmi in tempi ragionevoli. La Intel, allora, iniziò a produrre processori a 8 bit e tutti i maggiori concorrenti seguirono questa tendenza.

Il byte è l’unità di misura della capacità della memoria.

Unità di misura della memoria

Per quantificare le dimensioni di una memoria esistono diverse unità di misura, oltre al bit e al byte di cui abbiamo già parlato. In particolare si usano i multipli del byte: kilobyte, megabyte, gigabyte, terabyte ecc.

Quanto vale un kilobyte? La parola kilo deriva dal greco e significa mille.

Nel Sistema Internazionale, la definizione standard di kilobyte stabilisce che:

1 kilobyte = 10³ byte = 1000 byte

Tuttavia nei calcolatori la base di numerazione è 2.

Di conseguenza si deve formulare una definizione non standard (o binaria) di kilobyte, la quale stabilisce che:

1 kilobyte ≅ 1 kibibyte = 2¹⁰ byte = 1024 byte

Questa definizione è quella usata a livello pratico per esprimere la capacità di memoria dei computer, la dimensione di un file o lo spazio disponibile su un hard disk. Tuttavia il Sistema Internazionale ha sconsigliato questa definizione di kilobyte, suggerendo di indicare i 1024 byte con il termine kibibyte per non confonderli con i 1000 byte del kilobyte.

A tal proposito, l’unità di misura del kilobyte è indicata con kB, dove la k indica il multiplo e la B indica i byte; invece, l’unità di misura del kibibyte è indicata con KiB.

Quando sono nati i primi computer, non si riscontrava una grande differenza: una memoria di 1000 byte era quasi identica a una da 1024 byte. Con l’avanzare della tecnologia e lo sviluppo di calcolatori sempre più potenti, invece, la differenza è diventata tangibile, per esempio:

1 gibibyte = 2³⁰ byte = 1 073 741 824 byte

1 gigabyte = 10⁹ byte = 1 000 000 000 byte

La differenza è di ben 73 741 824 byte.

Sulle etichette delle memorie di massa normalmente la capacità è espressa nel Sistema Internazionale.

Quanto descritto nell’esempio accade perché il computer lavora in base 2, visualizza il valore numerico in tebibyte ma, impropriamente, scrive come unità di misura TB invece di TiB.

Quanto descritto nell’esempio accade perché il computer lavora in base 2, visualizza il valore numerico in tebibyte ma, impropriamente, scrive come unità di misura TB invece di TiB.

i Multipli del byte

Nella tabella sono riportati alcuni multipli del byte assumendo sia la definizione standard (o decimale) del Sistema Internazionale sia la definizione non standard (o binaria).

Anche se normalmente vengono usati impropriamente i termini kilobyte, megabyte, gigabyte ecc., i multipli del byte a cui comunemente ci si riferisce sono quelli espressi in potenza di 2.

Il megabyte (esattamente 1 milione di byte) ha come unità di misura MB, mentre il megabit (esattamente 1 milione di bit) ha come unità di misura Mb.

I prefissi usati per i multipli del byte valgono anche per i multipli del bit.

Per esempio 1 megabit è pari a 10⁶ bit e ha come unità di misura Mb; 1 mebibit è pari a 2²⁰ bit e ha come unità di misura Mib.