Struttura fondamentale dell'elaboratore Il calcolatore elettronico, noto con il nome di elaboratore o PC altro non è che una macchina, il frutto di tecnologie. In realtà una macchina è costituita da due parti fondamentali: l'HARDWARE e il SOFTWARE. Perhardware si intende il materiale elettronico, elettrico, elettromagnetico e meccanico di cui la macchina è composta, indipendentemente dalle applicazioni per le quali può essere impiegata. Ilsoftware è il termine invece relativo ai programmi, alle specifiche applicazioni che "girano" sulla macchina, cioè il complesso delle istruzioni che rendono possibile utilizzare la macchina per sortire i risultati desiderati. Il software è quindi un complesso di istruzioni che l'hardware deve comprendere ed eseguire. E' necessario quindi, oltre ad una minima conoscenza di come materialmente è costituita una macchina, capire quali sono le parti fondamentali che la costituiscono, cioè le "componenti" dell'elaboratore, e comprendere in che modo i dati vengano gestiti dalla macchina e dalle sue componenti. 1.1 L'INFORMAZIONE DIGITALE L'eleboratore è una macchina detta numerica o digitale in contrapposizione alle apparecchiature analogiche. Il termine digitale deriva dall'inglese "digit" che significa cifra o numero. L'elaboratore infatti è in grado di gestire informazione trasmissibile in forma digitale cioè lavora su numeri. Questi numeri sono due: 0 e 1. L'informazione a due valori è detta bit (binary digit). Le macchine informatiche possono infatti manipolare solo i due simboli della notazione numerica binaria (0 ed 1). La convenzione che fa corrispondere all'associazione di bit un'informazione è detta codifica. Con la codifica si esprimo vari e differenti tipi di dato o, per meglio dire, tutta l'informazione veicolata da un calcolatore è esprimibile sottoforma BINARIA e quindi con il ricorso a questa notazione è possibile gestire ogni tipo di informazione. L'unicocodice attualmente comprensibile da parte della macchina è quindi il codice di numerazione binaria, unico codice di comunicazione verso l'elaboratore; esso è quindi definibile come un sistema di segni mediante il quale possiamo trasmettere dei dati. Per la precisione diremo che la codifica è un procedimento per mezzo del quale i dati che compongono un'informazione possono diventare un messaggio. Essendo i computer delle macchine che funzionano quindi in base a principi binari, lecodifiche binarie, quelle cioè formate da due segni, sono fondamentali in informatica [1]. Per riuscire ad esprimere un'informazione un po' più articolata di due soli stati (o 0 o 1), fu deciso di considerare poi i bit a gruppi di 8 per formare un byte, un byte è perciò composto da 8 bit consecutivi [2]. Dal momento che ogni singolo bit può assumere due stati, un byte può assumere tutti gli stati da 00000000 a 11111111, con tutte le situazioni intermedie, per un totale di 256 diverse combinazioni (2×2×2… 8 volte =256) con cui esprimere l'informazione [3]. 1.2 COMPONENTISTICA DEL CALCOLATORE
Il Case (il contenitore delle componenti dell'elaboratore) Lo schema che illustra il funzionamento di un calcolatore è dovuto a Johan Von Neumann (1903-1957); esso è assai prossimo all'effettiva struttura dei moderni calcolatori.
Le unità che costituiscono una macchina sono quindi: A. Unità di ingresso (input) che consentono l'immissione di dati nella memoria. B. Unità di memoria nella quale vengono registrate le informazioni. C. Unità di controllo detta anche processore(Central Processing Unit o CPU) che presiede a tutte le operazioni del calcolatore, interpretando le istruzioni prelevate dalla memoria e inviando alle specifiche unità i segnali per l'esecuzione delle operazioni. D. Unità aritmetico-logica (Arithmetic-Logic Unito ALU) in grado di eseguire operazioni aritmetiche o logiche. E. Unità di uscita (ouput) per la presentazione dei risultati dell'elaborazione. Assieme alla spiegazione del funzionamento teorico delle componenti e all'illustrazione del ruolo svolto dalle varie unità, si è tentato di fornire anche un'indicazione delle caratteristiche tecniche di ciascuna delle componenti fisiche. E' bene saper fin da subito che la componentistica interna di un calcolatore è collocata sulla cosiddetta SCHEDA MADRE (Motherboard).
La scheda madre fa da supporto e connessione per tutti i componenti interni del computer e contiene inoltre una serie di circuiti (chipset, cache, bios [4]) adibiti al controllo delle varie parti. I modelli in commercio sono molte decine e ne escono sempre di nuovi. Spesso nei computer di marca le schede madri svolgono anche le funzioni audio, video e rete (che nei PC assemblati si trovano invece sempre su schede separate). Sulla scheda madre si inseriscono come componenti separati ilprocessore, ram e le varie schede (audio, video, rete che generalmente vanno sugli slot PCI); vi si trovano inoltre le prese per il collegamento dell' hard disk e dei drives (cioè gli "sportelli" in cui si inseriscono le unità disco) per idischi mobili (floppy e CD) [5]. Un computer elabora i dati e fornisce risultati eseguendo determinate istruzioni. I dati e i programmi devono essere inseriti dall'esterno. Le unità I/O sono le componenti del computer che consentono di inserire i dati utilizzando codifiche "naturali" (alfabeto tradizionale) e di ottenere come risultato dati scritti con le medesime codifiche. Queste componenti devono quindi essere capaci di: - Trascodificare i dati del linguaggio naturale in binario e viceversa - Trasmettere e ricevere dati dalla CPU in codice binario. Per ricevere e/o trasmettere bit, o byte [6], è necessario che avvenga una passaggio di segnali elettrici binari. Questo passaggio di dati avviene tramite dei COLLEGAMENTI. Ogni componente sarà quindi collegato alla macchina tramite un cavo con due estremità: una attaccata all'apparecchio e l'altra attaccata al calcolatore tramite le PORTE o INTERFACCE (seriale, parallela, USB, PS/2, rete, SCII, video). Elenco delle Unità di I/O Tastiera Nei PC moderni si collega ad una porta PS/2 appositamente dedicata. Le tastiere moderne (dette "estese", per contrasto con un vecchio tipo "standard") possiedono 101 tasti (o 104 se adattate per Windows), divisi in 4 gruppi: Tasti Funzione, Tasti Alfanumerici, Tastierino numerico, Tasti Cursore. Mouse Il mouse fu introdotto per semplificare l'invio dei comandi alla macchina, comandi che in precedenza venivano impartiti unicamente attraverso la tastiera. Lo spostamento del mouse controlla il movimento di un puntatore sullo schermo, mentre i tasti inviano il comando.I mouse per Macintosh possiedono un unico tasto, quelli per Windows due tasti (il sinistro per inviare il comando e il destro per far comparire delle opzioni specifiche a seconda del luogo in cui si "clicca"). Il mouse si collega al PC attraverso una porta seriale (anche se ormai sono pochi i mouse che ancora si attaccano alla seriale) o PS/2 o USB. Monitor il monitor è la principale interfaccia fra l'utente e l'attività del computer (la parola stessa in inglese significa "controllare"). I monitor più diffusi sono quelli a tubo catodico; esistono poi i monitor piatti a cristalli liquidi (usati soprattutto con i computer portatili) che producono un'immagine molto più nitida, ma che purtroppo costano molto di più dei monitor a tubo catodico. Attualmente sono molto diffusi i monitor a cristalli liquidi per PC denominati LCD (Liquid Cristal Display). Vi sono comunque altre tecnologie che i vari costruttori stanno da tempo sviluppando ed alcune di queste vanno sotto il nome di "plasma" PDP (Plasma Display Panels) e FED (Field Emission Display). Alcuni modelli comprendono al loro interno anche le casse audio ed il microfono. Il monitor si collega al PC attraverso la porta che si trova sulla scheda video [7]. La misura del monitor si esprime in pollici (''), con un valore variabile fra 15'' e 24'' circa. Stampanti si dividono in tre principali categorie:
Esistono poi stampanti per usi professionali o tipografici, per riproduzioni di altissima qualità. Una particolare categoria di stampanti sono i plotter che usano dei pennini ad inchiostro per disegnare su fogli di grande formato. Le stampanti si collegano al PC attraverso la porta parellela o USB. I parametri che caratterizzano una stampante sono: - la velocità di stampa, espressa in numero di caratteri al secondo (cps - character per second); - la risoluzione cioè il numero di punti da cui è costituito ciascun carattere oppure il numero di punti per pollice quadro dell'immagine (dpi - dots per inch) [8]; - i tipi di carattere utilizzati (detti anche font). I font possono essere interni, cioè presenti nella memoria associata alla stampante oppure esterni cioè da caricare nella stampante a mezzo di appositi programmi. Casse La scelta delle casse deve avvenire in funzione della scheda audio [9]: se la scheda audio comprende solo le funzioni di base si useranno casse economiche, se invece è capace di riproduzioni audio di alta qualità, effetti audio particolari come il Dolby surround, ecc., si potranno usare casse di qualità superiore e impianti audio sofisticati. Sarebbe inutile usare casse di alta qualità con una scheda audio scadente, o viceversa. Scanner si tratta di dispositivi che, basandosi sul principio delle fotocopiatrici, consentono di acquisire testo e immagini stampate su carta per trasferirle all'interno del computer, cioè convertire il cartaceo in digitale. I modelli più versatili consentono anche l'acquisizione direttamente da diapositiva o da negativo fotografico. Lo scanner cosiddetto a letto piano, è uno strumento che tramite un dispositivo, il CCD, Charge Coupled Device, traduce i valori della luce riflessa dall'oggetto sottoposto a scansione in impulsi elettrici e questi, a loro volta, in immagini digitali. Gli scanner migliori usano la porta SCII per collegarsi al computer, ma esistono in commercio anche scanner che si attaccano alla porta USB o alla parallela. Videocamere: vengono usate per catturare immagini da elaborare (sono quindi un tipo particolare di scanner) o da trasmettere. Si va da videocamere professionali per riprese di alta qualità, a piccole videocamere dette webcam usate per trasmettere riprese video attraverso la rete. La ripresa con una webcam ha sempre una qualità piuttosto bassa perché questo consente di ridurre al minimo il flusso di dati (esigenza ancora oggi prioritaria per qualunque informazione viaggi su Internet). Masterizzatore Sono i dispositivi usati per la scrittura su CD (il disco deve essere tale da consentire la scrittura, altrimenti il masterizzatore non funziona). Funzionano anche come normali lettori di CD. Tipicamente sono inseriti all'interno del computer e presentano uno sportello come i lettori CD, ma esistono anche dei modelli esterni che si collegano al computer con un cavo. Come gli Hard Disk (e altri dispositivi) esistono masterizzatori EIDE (più economici) e masterizzatori SCSI (più veloci). La velocità si esprime in tre parametri diversi: lettura, scrittura e riscrittura. Modem: si usa per la trasmissione e ricezione di dati attraverso la linea telefonica ed in particolare per la connessione ad Internet. I modem possono essere esterni al computer (collegati con un cavo) oppure interni (in forma di scheda di espansione), ma in quest'ultimo caso presentano spesso problemi di incompatibilità col resto dell'hardware. La velocità con cui i modem sono in grado di scambiare i dati si misura in Kbit/secondo (Kbps) ovvero il numero di bit che il modem riesce a trasferire in un secondo. Esistono quattro tipi principali di modem, a seconda del tipo di linea telefonica disponibile: - standard Per la normale linea telefonica. I modem standard trasferiscono dati alla velocità di 56 Kbps, che rappresenta comunque la capacità massima della linea (un flusso di dati maggiore non riuscirebbe a passare). Quando il modem è collegato la linea è occupata e non è possibile usare il telefono (di fatto, il collegamento alla rete tramite modem costituisce a tutti gli effetti una normale telefonata). - ISDN Raggiungono i 128 Kbps, ma necessitano della linea ISDN (una linea telefonica particolare). La linea ISDN consente anche l'uso del telefono mentre il modem è collegato (cosa impossibile con la linea normale) sacrificando però metà della velocità (64 Kbps); altrimenti si può scegliere di dedicare l'intera linea al modem. - ADSL Raggiungono i 640 Kbps, ma necessitano della linea ADSL (una linea telefonica particolare). L'ADSL costituisce un collegamento permanente 24 ore su 24 con la rete e non interferisce in nessun modo col telefono (contrariamente ai modem standard e ISDN, l'ADSL non effettua telefonate, ma mantiene un collegamento fisso), però si tratta di un servizio ancora piuttosto caro (viene richiesto un canone mensile di 50-100 Euro, a seconda del fornitore e del tipo di servizio, oltre al costo iniziale di attivazione). - GSM Per i collegamenti tramite cellulare. Poiché in questo campo non non si è ancora affermato un standard, ogni marca di telefoni cellulari produce un modem (di solito in forma di scheda) compatibile coi propri modelli di telefonino. Può servire in casi di necessità, per postazioni mobili o temporanee. I modem standard esterni si collegano al PC attraverso la porta seriale; se interni, sono delle schede da collocare su una delle slot della scheda madre.
Sono le prese, localizzate sul lato posteriore del computer, che vengono utilizzate per collegare alla macchina tutti dispositivi esterni (monitor, tastiera, mouse, ecc.). Tipicamente sono poste direttamente sulla scheda madre le seguenti porte:
Le schede di espansione [10] che vengono montate sulla scheda madre rendono poi disponibili molte altre porte, fra cui le principali sono:
B. Memoria La memoria di un computer è il supporto materiale atto a contenere unità informative (bit). Le memorie possono essere di vario tipo (centrali o di massa) ma in ogni caso la loro CAPACITA' (quantità di memoria disponibile) è espressa in byte cioè un insieme di 8 bit [11], o nei suoi multipli [12], oppure in word (cioè sequenza di bit): il KiloByte (KB) pari a 1024 Byte (circa 1000 Byte) il MegaByte (MB) pari a 1.048.576 Byte (circa un milione di Byte) il GigaByte (GB) pari a 1.073.741.824 Byte (circa un miliardo di Byte) Oltre alla capacità, l'altro parametro da considerare è il TEMPO DI ACCESSO, vale a dire il tempo necessario per eseguire una singola operazione di lettura e di scrittura; il parametro che rappresenta la velocità di memoria è il nanosecondo (milardesimi di secondo). La memoria centrale di un calcolatore (CM -Central Memory) è quella nella quale sono collocati i byte, sui quali vengono effettuate operazioni di scrittura e lettura da parte della CPU. La memoria centrale è detta memoria RAM [13] (Random Access Memory cioè memoria ad accesso casuale[14])
è una memoria VOLATILE non è un luogo di immagazzinamento dei dati; questo significa che l'informazione ivi registrata viene perduta all'atto dell'interruzione della alimentazione elettrica [15]. Il salvataggio dei dati avviene invece sulleMEMORIE DI MASSA [16]. La memoria di massa svolge il ruolo di archivio di informazioni (programmi e dati); quando necessario, una parte delle informazioni viene spostata nella memoria centrale per essere elaborata e quindi riportata nella memoria di massa. I supporti per le memorie di massa si possono poi dividere in 4 grandi categorie, in relazione al tipo di memoria e al tipo di apparecchiatura meccanica che il supporto di registrazione richiede: 1. Dischi magnetici Sono dischi sui quali la memorizzazione dei dati avviene magnetizzando la superficie, tramite un'apposita testina di lettura/scrittura. Sullo stesso disco i dati possono essere scritti, cancellati e riscritti per un numero indefinito di volte senza logorare il supporto. I dischi magnetici sono volatili per natura, un forte campo magnetico è sufficiente a cancellarne l'intero contenuto in pochi istanti, per questo motivo vanno tenuti distanti dalle fonti di campo, come trasformatori di potenza o grosse calamite. L'hard disk, il disco fisso del computer sul quale risiedono i dati (che passano poi alla RAM una volta che vengono utilizzati) ed il floppy disk, sono le cosiddette memorie SRAM (Semi-Random Access Memory, memorie ad accesso semi-casuale) DISCHI MAGNETICI REMOVIBILI: Floppy. Sono i comuni dischetti, possono contenere fino a 1,44 MByte (dei vecchi modelli, ormai fuori commercio, potevano contenere solo 720 KB). Sono caratterizzati da una velocità di lettura/scrittura molto bassa rispetto a quella degli altri dischi. Il foro in basso a sinistra serve per proteggere il disco da scrittura nel caso si volessero preservare dei dati importanti da cancellazioni accidentali; quando il foro è scoperchiato il disco è protetto da scrittura, quando il foro è coperto il disco è nuovamente scrivibile. Tutti i supporti magnetici estraibili possiedono un meccanismo di protezione simile a questo. DISCHI MAGNETICI REMOVIBILI: Zip. Somigliano ai dischetti floppy ma sono un po' più grandi e la forma è un po' diversa. Esistono da 100 e 250 MByte e necessitano di un drive apposito, diverso da quello dei floppy.
DISCHI MAGNETICI FISSI:Hard disk [17]. Sono dischi contenuti all'interno del computer e non sono normalmente estraibili né visibili dall'esterno. I primi modelli avevano una capacità di pochi MByte, i modelli oggi in commercio arrivano fino da alcune decine di GByte, ma escono continuamente modelli nuovi di capacità sempre maggiore. Gli hard disk vengono realizzati secondo 2 diverse tecnologie: EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics) e SCSI (Small Computer Systems Interface); questi ultimi sono più veloci, ma costano anche un po' più degli altri (oltretutto richiedono la scheda montata sul computer, mentre i dischi EIDE si connettono direttamente alla scheda madre). 2. Dischi ottici
Sono dischi su cui la memorizzazione dei dati avviene "bruciando" con un laser la superficie, che da lucida diviene così opaca. Normalmente i dati scritti su un disco ottico non possono più essere cancellati, esistono tuttavia dei dischi particolari (CD riscrivibili) che consentono la cancellazione e la riscrittura per un numero comunque limitato di volte (ad ogni cancellazione la superficie tende a deteriorarsi sempre di più finché non diventa inutilizzabile). E' poi possibile, tramite un'unità chiamata "masterizzatore" rendere un CD, che nasce come unità di sola lettura, un disco scrivibile. I dischi ottici sono divisibili in due tipi: da un lato i WORM, Write Once Read Many, sui quali è possibile scrivere una sola volta ma leggere molteplici volte (come il CD-ROM), dall'altro quelli riscrivibili, che possono essere cioè più volte utilizzati, cioè idischi magneto-ottici. CD-ROM (Compact Disk) [18]: sono esattamente gli stessi CD usati per la musica, la sigla ROM (Read Only Memory) indica il fatto che i dati, una volta scritti su CD, sono indelebili e potranno essere soltanto letti. La capacità tipica è di 650 MByte (che nei CD audio corrisponde a 74 minuti di registrazione), ma esistono anche modelli leggermente più capienti.La scrittura su CD è sempre un'operazione piuttosto complessa e delicata in quanto deve avvenire seguendo un ritmo costante e senza interruzioni. Se, per qualunque motivo, il flusso di dati durante la scrittura rimane bloccato, il CD è da buttare e bisogna ricominciare tutto da capo con uno nuovo. DVD (Digital Versatile Disk): Esteriormente sono in tutto simili ai CD-ROM, ma possono contenere da 9 a 17 GByte (cioè fino a 25 volte la capacità di un normale CD). Sono usati da alcuni anni soprattutto per i film digitali, tuttavia possono benissimo contenere anche i normali dati come i CD-ROM. Per leggere i DVD occorre un lettore CD appropriato (i normali drive per CD non sono in grado di farlo). Il lettore DVD è invece sempre in grado di leggere anche i normali CD-ROM. 3. Dischi magneto-ottici Sono dischi a supporto magnetico, su cui però la scrittura dei dati può avvenire solo dopo un forte riscaldamento della superficie con un fascio laser. A temperatura ambiente i dischi magneto-ottici non sono sensibili ai campi magnetici e questo li mette al riparo dalle cancellazioni accidentali. I dischi magneto-ottici esistono in numerosi modelli, con capacità che arriva fino ad alcuni GByte, e richiedono la presenza di un apposito drive. Furono messi in commercio nella seconda metà degli anni '80, prima dell'avvento dei CD-ROM, ma non hanno mai preso campo, sia per il costo eccessivo (soprattutto del drive), sia per la contemporanea affermazione degli hard disk e dei CD. Rimangono in uso solo in alcuni sistemi dove è richiesto il frequente salvataggio di una grande quantità di dati in condizioni di sicurezza, come unità di backup.
MOD (Magneto Optical Disk), o semplicemente "MO": ne esistono di tre misure: 3,5' (come i floppy), 5,25' e 12'. La capacità cresce con le dimensioni.L'uso di questi dischetti estraibili è piuttosto raro, in genere i dischi magneto-ottici vengono impiegati in batterie di dischi interni (tipo hard disk), che possono arrivare a sfiorare la capacità di 1 TeraByte. 4. Nastri magnetici Vengono usati dagli amministratori di grandi sistemi di computer per creare periodicamente copie (backup) del contenuto degli hard disk, in modo da salvare i dati qualora se ne guastasse uno. La lettura/scrittura è però molto lenta (può richiedere alcune ore). Sono unità sequenziali in quanto i dati vanno letti o scritti in sequenza (non sono possibili operazioni di selezione di una porzione predefinita). Possiedono la cosiddetta memoria SAM (Sequential Access Memory).
DAT (Digital Audio Tape): Può contenere alcune decine di GByte. Il nome deriva dall'utilizzo originario del supporto, usato negli studi di registrazione professionali per l'audio digitale di alta qualità. C.-D. Unità di controllo
La CPU Central Processing Unit(CPU) o processore è il cuore del calcolatore, cioè l'unità di calcolo, la componente che esegue le istruzioni dei vari programmi e sovrintende al funzionamento dell'intera macchina. È il processore che esegue tutti i calcoli, gestisce il trasferimento di dati attraverso la memoria e i dischi e attiva/disattiva i componenti della macchina. Il processore è caratterizzato da un proprio linguaggio macchina attraverso il quale si esprimono i programmi memorizzati; accede quindi alla memoria, interpreta le istruzioni in linguaggio macchina e provvede alla loro esecuzione. Diremo che la CPU è capace di modificare lo stato di alcuni bit basandosi sullo stato di altri, cioè esegue delle operazioni. La CPU a sua volta è costuituita da: - la ALU (Arithmetic-Logic Unit, cioè unità aritmetico-logica) che gestisce le operazioni matematiche e gli operatori logici o booleiani (AND, OR, NOT). - la CU (Central Unit, cioè unità di controllo) che coordina le operazioni della ALU sulla base di un'organizzazione programmata con le unità di I/O, il Clock (orologio) e la CM (Central Memory). Diremo che la ALU riceve dalla CU delle istruzioni sottoforma di operazioni da compiere e di sequenze di byte. La CU regola il flusso dei byte che entrano ed escono dalla ALU. Ad ogni scatto del clock la CU fornisce un'istruzione alla ALU. La ALU "trova" le sequenze di byte nella CM, nella quale sono collocati appunto i byte sui quali vengono effettuate operazioni di scrittura e lettura da parte della CPU. Il ritmo di lavoro del processore è cadenzato da un segnale elettrico (detto clock) generato internamente al computer e costituito da rapidissimi impulsi che si ripetono centinaia di milioni di volte per secondo. La velocità del clock[19] (e quindi del processore) si misura in MegaHertz (MHz, ovvero milioni di impulsi per secondo) o, recentemente, in GigaHertz (GHz, miliardi di impulsi per secondo). I processori più potenti attualmente in commercio per computer assemblati funzionano a 1,7 GHz, ciò significa che sono in grado di compiere quasi 2 miliardi di operazioni elementari ogni secondo; comunque escono di continuo processori sempre più veloci.
Talvolta nei computer di marca il processore è direttamente integrato sulla scheda madre, ma di solito viene tenuto come componente separato per dare all'acquirente la possibilità di sceglierne la potenza. È quasi sempre nascosto sotto un dissipatore di calore o sotto una piccola ventola di raffreddamento. Oggi i processori più diffusi fra i PC sono quelli della famiglia Pentium (e Celeron) della Intel e i processori della AMD. |
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