I dischi del computer ( indicati con H.D. o come: hard disk ), sono i principali dispositivi di memoria non volatile del computer. Sono costituiti da una serie di piatti di alluminio, od altro materiale rigido, con sopra uno strato magnetizzabile. I dischi ruotano a velocita' che possono essere di 3600 -5400 -7200 - 10000 rpm ( rpm significa round per minute, ovvero giri al minuti ). Ormai i dischi a 5400 sono rari e si trovano soprattutto dischi a 7200 rpm per i PC e dischi a 10000 rpm per i server. Sopra ogni piatto c'e' una testina magnetica, che si puo' muovere radialmente rispetto al piatto e serve a leggere ed a scrivere.

• traccia (head): cerchio su un piatto spesso 5-10 micron , che passa sotto la testina durante una rotazione ;
• cilindri : insieme di tracce corrispondenti sui diversi piatti
• settore: parte di traccia contigua, tipicamente 512 byte

A questo modo di indirizzare i byte sul disco, che al crescere delle dimensioni dei dischi ha mostrato varie limitazioni, si e' aggiunto poi il sistema LBA (logical block address) in cui il disco e' visto come una lunga sequenza di settori, in genere di 512 bytes. bytes, numerati a partire da 0. Vecchi PC facevano infatti fatica a riconoscere dischi grandi, il BIOS era limitato a 1,024 cilindri, 16 traccie (heads) e 63 settori, che facevano solo 504 Mbytes. Per ovviare a questa limitazione il BIOS usava un sistema di "traduzione" in cui si faceva finta che ci fossero piu' testine e meno cilindri, ma poi si incontravano limitazioni imposte al numero di cilindri dallo standard ATA , per l'interfaccia fra dischi e scheda madre.

Caratterizzano i dischi:

• velocita' di rotazione ( 3600 -5400 -7200 - 10000 rpm)
• seek time : tempo per posizionare la testina (1-15 millisec, ma dipende da dove parte)
• latenza di rotazione: tempo che ci mette il settore per arrivare sotto la testina
• transfer rate : tipici 5-20 MB/sec ( fino a 100 MB/sec )
• MTBF : mean time between failures : 10.000 - 20.000 ore

Nel 2006 si assiste ad un cambiamento nelle tecnologie di scrittura sui dischi, permesso dalla maggior miniaturizzazione delle testine, la nuova tecnologia: "Perpendicular recording", crea zone di diversa magnetizzazione non piu' in direzione longitudinale, ma in direzione perpendicolare alla faccia del disco. Queste tecnologia permette maggior densita' di scrittura e nel 2007 si inziano a trovare in commercio dischi di capacita' prossima al terabyte.

Il collegamento fra il PC ed i dischi utilizza una interfaccia standard, che specifica connettori e metodi di trasferimento. L'interfaccia in uso nei PC e' quella IDE (Integrated Driver Electronics) , sviluppata attorno al 1985, utilizza cavi piatti, a 40 poli, con lunghezza massima di 90 cm , e trasmette 16 bit per volta. Ad un singolo cavo possono essere attaccati 2 dischi, uno e' detto master, e gestisce l'accesso al bus, l'altro e' slave. La modalita' "cable select" utilizza cavi particolari, con alcuni pin tagliati, per permettere ai dischi di riconoscere da soli se sono master o slave. Il master va all'estremita' del cavo.

L'IDE e' derivato dal controller del PC XT IBM, ove il BIOS controllava l'accesso al disco. Il BIOS indirizzava il disco con: 4 bit per testine, 6 bit per i settori, 10 bit per il cilindro, cioe' poteva vedere 16 testine, 63 settori, 1024 cilindri, per un massimo di 528 MB. Queste limitazioni sono superate ora dall'indirizzamento LBA, di cui si e' parlato sopra. Per l'interfaccia dei dischi sii usa anche il termina ATA (Advanced Technology Attachment), ed un'estensione denominata ATAPI permette di collegare anche CD-ROM e nastri. Lo standard ha avuto varie evoluzioni, ma la nomenclatura e' confusa dall'uso che ne fanno i fabbricanti a scopo di marketing. L'ATA-1 prevede un clock a 8MHz, L 'ATA-2 introduce l'accesso diretto alla memoria (DMA), oltre al "programmed I/O" o PIO mode. Il PIO ha diverse modalita', denominate PIO-0, PIO-1, PIO-2, e prevede trasferimenti rispettivamente a 3.5, 5.2 ,8.3 Mbyte/sec, in cui la CPU controlla il trasferimento, scrivendo in indirizzi del bus che corrispondono al disco. Con ATA-2 sono anche introdotti modi PIO-3 e PIO-4 che permettono trasferimenti a 11.1 e 16.7 Mbyte/sec. Si usa anche il termine EIDE per indicare ATA-2 ed ATA-3. L'ATA-4, del 1998, permette la modalita' UDMA-33, che invia di 2 dati ogni ciclo di clock e quindi il trasferimento a 33 Mbyte/sec. (8MHz x 16 bit x2 ) L'ATA-5 prevede l'UMDA 66, che porta il clock a 16 MHz, ed utilizza cavi particolari, ad 80 pin invece che 40, con 40 connettori di terra in piu'; per evitare disturbi nella trasmissione, inoltre la lunghezza massima del cavi diviene di 45 cm; l'UDMA 100 e l'UDMA-133 alzano ancora il clock, trasmettendo 100 e 133 Mbyte/sec. I CD-ROM supportano solo l'UDMA-33.

I cavi ad 80 pin hanno connettori con colori particolari, in genere il blu va alla scheda madre, il nero al master. Il master va all'estremita' del cavo e se c'e' un solo disco va messo come master, all'estremita' del cavo. In figura un cavi IDE a 80 poli (da http://www.pcguide.com)

La tendenza attuale e' di sostituire connessioni parallele a connessioni seriali, ad alta velocita'. Anche per i dischi si segue questa linea, utilizzando invece che l'ATA il Serial ATA, ove si utilizzano 2 coppie di fili per trasmettere e ricevere. Il segnale e' codificato come differenza di voltaggio fra i membri di ogni coppia. Il cavo SATA ha lunghezza massima di 1 metro, e 5 connettori, 3 di terra e 2 coppie per la trasmissione. Il SATA-150 va a 1.5 Ghz, e trasmette a 150 Mbyte/sec (usa 10 bit per codificare 1 byte). A meta' del 2005 si iniziano a vedere dischi che implementano il SATA-II a 300 Mbyte/sec. Assieme ai connettori per i dati cambiano anche i connettori per l'alimentazione dei dischi. I nuovi connettori hanno 15 piedini e forniscono 5, 12, e 3.3 Volt. L'utilizzo di connettori piu' sottili semplifica il montaggio e permette una miglior circolazione dell'aria nel case.

Lo SCSI ( Small Computer System Interface ) e' uno standard del 1986 , a differenza dell'IDE il controller SCSI gestisce le operazioni sul disco, organizzando le richieste di I/O in code, questo scarica la CPU di parte dell'I/O ed ha performance migliore dell'IDE. Inoltre lo SCSI usa l'LBA per indirizzare i blocchi sul disco. Lo SCSI, piu' costoso dell'IDE, ha avuto diffusione soprattutto per i server o PC al alte prestazioni, inoltre utilizzavano interfacce SCSI i primi masterizzatori di CD-ROM. Il controller SCSI puo' essere integrato sulla scheda madre, oppure puo' essere in una scheda SCSI, alloggiata in uno SLOT PCI. Un controller SCSI supporta fino a 8 dischi, collegati in serie, con un cavo piatto. I dischi sono identificati da un numero, che viene settato a mano, con un ponticello, il cavo deve essere terminato con un connettore apposito, per evitare riflessioni nel segnale.

I primi SCSI avevano un clock di 5 MHz e trasferivano 8 bit per volta. Ci sono state 3 versioni dello SCSI e parecchie varianti: il "fast SCSI, che andava a 10 MHz, il Wide SCSI, che andava a 10 MHz e portava 16 bits per volta, l'Ultra SCSI, che andava a 20 MHz. Poi con lo SCSI-II (1994) versioni "Ultra-2" da 8 bits e 40 MHz, "Ultra 2 -wide, da 16 bit e 40 MHz, con lo SCSI-III si mandano 2 dati per ciclo di clock, raddoppiando le prestazioni. Ci sono anche versioni che hanno un clock piu' alto ed arrivano a 160, 320 o 640 Mbyte/sec

Analogamente a quanto sta succedendo per l'IDE ci sono ora versioni seriali dello SCSI, che raggiungono velocita' elevate. Lo SCSI non e' quasi piu' usato per i PC, solo per i server, abbinato a dischi ad alte prestazioni. I server usano pero' anche altre tecnologie, come il "fiber channel" , che puo' utilizzare connessioni in fibra ottica e raggiungere alcuni Gbyte/sec.

Il termine RAID ( Redundant Array Inexpensive Driver ) indica l'abbinamento di piu' dischi che vengono a costituire un unico "disco" logico, in modo da avere ridondanze e quindi avere la macchina che va anche in caso di rotture di dischi ( fault tolerance), oppure per aumentare il rate di I/O suddividendo i dati su piu' dischi. Alcune schede madri per PC hanno incorporato un controller RAID, ma questa tecnologia e' utilizzata soprattutto sui server. Ci sono diversi "livelli" di RAID, a seconda che si voglia ridondanza, maggior prestazioni od entrambe:

I CD-ROM sono stati introdotti da Sony e Philips nel 1983, per rimpiazzare i vecchi dischi in vinile, come supporti digitali per la musica ( lo standard e' l'ISO 10149, detto red book). I dati sono campionati a 44.1 kHz, in stereo, e riproducono quindi correttamente frequenze fino a 22 KHz. Il dati sono incisi, sotto forma di punti scuri e riflettenti, lungo un percorso a spirale, che parte dal centro, su un piccolo disco di plastica (policarbonato). Un CD contiene circa 40 minuti di musica e c'e' un complicato sistema di check e di ridondanze che permette di correggere errori di lettura. Il disco e' letto da un laser miniaturizzato. Nel 1985 questi supporti sono stati adattati anche alla conservazione di dati (yellow book), e si e' aggiunto un complicato sistema di correzione degli errori, perche' non si puo', come per la musica, interpolare i dati in caos di errori gravi. Nel 1986 col green book sono state aggiunte specifiche per inserire contenuti multimediali. Nel 1989, con l'orange book, sono stati introdotti i CD-R scrivibili, questi hanno una traccia pre-incisa, ed un laser segue questa traccia mentre fa piccoli fori nello strato riflettente. I CD-RW, riscrivibili, hanno uno strato con una lega che puo' passare da uno strato cristallino ad uno amorfo, cambiando cosi' le sue proprieta' riflettenti. Diverse potenze del laser causano le transizioni di fase.

Caratteristiche dettagliate dei CD:

• Dati scritti si una unica traccia concentrica, con fori (pit e land) nello strato riflettente di 0.8 micron, le tracce della spirale sono distanti 1.6 micron in senso radiale, la traccia va dal centro alla periferia
• Oltre ai dati un CD contiene dati di controllo (subcode) che possono essere utilizzati per indici o cataloghi del contenuto del CD, ma a volte contengono informazioni utili ad evitare copie dei contenuti. In genere le protezioni anti-copia sono pero' introdotte sotto forma di errori nei CD musicali, che ingannano i lettori che cercano di estrarre i dati in modo digitale.
• Il CD contiene 650 Mbyte di dati o 74 minuti di musica ( 1 LP ), in tutto sono: 681.984.000 bytes. = 650 x 1024 x 1024 Qui si procede a multipli di 2, un kbyte sono 1024 byte etc.
• Il laser che legge il CD ha potenza di 0.5 milliwatt, lunghezza d'onda: 780nm
• Poiche' le tracce al centro sono piu' corte il CD ruota con velocita' variabile, in modo che la velocita' lineare sia costante.
• All'inizio del CD c'e' la VTOC, con informazioni sul produttore, potenze laser ammesse, tipo di supporto etc etc. Qui viene messo anche un indice del CD quando il CD e' pieno.
• Alcuni CD hanno la traccia un po' piu' lunga, tengono qualcosa in piu' di 650 Mbyte, non sono accettati da tutti i masterizzatori e lettori, sono fuori standard e non sono consigliabili.
• Recentemente vengono prodotti CD da 700 Mbyte, che hanno spirale piu' stretta, sono fuori standard, ma sembrano garantiti dai fabbricanti.
• Il file system sul CD ROM e' lo standard ISO 9660, questo e' un file system che ha nomi dei files simili al DOS, per liberarsi da queste limitazioni sono in uso diverse estensioni dell'ISO9660. La Rock Ridge Extension usa nomi lunghi (mappati su nomi corti), ed e' usata su macchine Unix, Windows usa la estensione Joliet. Quando si crea un CD occorre fare attenzione all'estensione che si usa oppure certi sistemi operativi possono leggere male i nomi dei files.
• La velocita' di lettura dei primi CD era di 150 kbyte/sec. si e' poi assistito ad un aumento di velocita' ed abbiamo visto lettori 2x, 4x etc, sembrava che 20x fosse il limite imposto dalla meccanica, ma poi la samsung sistemi di bilanciamento del CD che hanno permesso di arrivare a 32x e nel 2004 ci sono lettori in grado di arrivare a 52x, circa 7.8 Mbyte/sec. Sembra che velocita' maggiori possano essere lesive per il policarbonato con cui e' fatto il CD

L'evoluzione del CD e' il DVD, creato per contenere non musica, ma filmati. Le specifiche sono del 1996, curate da DVD forum, un consorzio di produttori. Il DVD usa un laser a 650 nm e traccie piu' piccole( pit 0.4 micron, spirale stretta: 0.74 micron), ha migliori algoritmi di correzione degli errori e non ha sub-channel data, per cui riesce a mettere su un disco 4.7 Gbyte di dati invece che 650 Mbyte come il CD. Il DVD puo' anche essere scritto su 2 strati, letti focalizzando in modo diverso il laser, abbiamo quindi diversi tipi di DVD, a secondo che siano scritti da uno o entrambi i lati, su 1 o 2 strati.:

• DVD-5: lato singolo, singolo strato : 4.7 Gbytes (con 1 Gbyte=10^6 bytes )
• DVD-9: lato singolo strato doppio : 8.5 GB
• DVD-10: doppio lato, strato singolo: 9.4 GB
• DVD-14: strato singolo da una parte, doppio dall'altra: 13.3 GB
• DVD-18: doppio strato su due lati: 17.1 GB

Per quanto riguarda i DVD scrivibili e riscrivibili ci sono 2 diversi formati, dovuti a liti fra i membri dei consorzi di standardizzazione a causa di questioni di royalities e licenze.

Il DVD-forum ha introdotto il formato DVD-R, ma chiedeva alti compensi per le licenze, per cui si e' formata la DVD-alliance che ha introdotto il formato DVD+R, meno costoso. Per un certo periodo c'e' stata molta rivalita' fra i 2 formati, poi i produttori di lettori e masterizzatori hanno iniziato a supportare entrambi gli standard. Ad ogni modo ci sono ancora parecchi problemi di compatibilita' fra lettori e masterizzatori, che cambiano in funzione della marca dei DVD che si usano. I masterizzatori di DVD all'inizio erano in grado di scrivere solo su uno strato del DVD, solo all'inizio del 2005 iniziano ad apparire masterizzatori capaci di scrivere su doppio strato

I primi lettori di DVD leggevano ad una velocita' di 1350 kbyte/sec, ci sono lettori che lavorano a velocita' lineare costante (CLV), come i CD, altri leggono a velocita' angolare costante (CAV), per cui il trasferimento e' piu' veloce per le tracce al bordo del DVD.

Utilizzando laser blu (405 invece che 650 nanometri) e' possibile aumentare la densita' di scrittura su supporti tipo DVD; la tecnologia si evolve in questo senso e nel 2006 si iniziano a commercializzare soluzioni che adottano questo approccio. Per problemi relativi alle royalities, al solito, si sono sviluppati 2 standard diversi che seguono questa tecnologia: l' HD-DVD (High Definition Digital Versatile Disc) sostenuto dal DVD forum, con Nec, Toshiba ed altri, ed il Blue-ray, sostenuto da Sony, Pioneer ed altri.Il Blue-ray e' il formato utilizzato dalla Playstation 3.
Il formato HD-DVD permette di scrivere 15 Gbyte su una faccia di un disco, ed e' piu' simile al vecchio formato dei DVD, risultando meno costoso del Blue-Ray, che permette di scrivere 25 Gbyte su una faccia, ma produce dischi piu' sensibili a graffi e danneggiamento.
Questi supporti sono adatti alla distribuzione di film ad alta risoluzione; alcune case cinematografiche adottano una standard, altre l'altro, e c'e' una grossa lotta attorno a questi standard, abbinata all'implementazione di metodi di protezione dei contenuti che impediscano agli utenti la duplicazione dei film distribuiti.
Tutto questo crea confusione, aumenta i costi e crea grossi problemi di compatibilita'; un sistema di protezione difficile da aggirare deve infatti prevedere che tutto sia controllato e compatibile con il sistema di protezione stesso: software, hardware de PC, lettori di DVD, televisioni e connettori; questo da una parte e' impossibile a realizzarsi, dall'altra crea grossi problemi di fruibilita' dei contenuti.
Probabilmente avremo ancora confusione fra i formati, considerato anche che le ditte cinesi, che stanno ora entrando sul mercato, non hanno intenzione di pagare royalities (una decina di dollari ogni lettore), ai consorzi americani e giapponesi, per usare CD e DVD, e stanno gia' creando loro formati autonomi, fra cui l'EVD, una specie di DVD.