Tecnologia dell'Informazione e della Comunicazione (TIC)
Modulo 3: Architettura e componenti di un calcolatore
Calcolatore: il calcolatore dal termine inglese computer è una macchina da calcolo in grado di
eseguire calcoli matematici. Il calcolatore prende in ingresso (input) dei dati (informazione), esegue
l'elaborazione per cui è stato programmato e restituisce il risultato sotto forma di dati in uscita
(output) (informazione elaborata).
Il calcolatore per eseguire i calcoli sfrutta l’insieme dei componenti fisici (hardware) e l’insieme dei
programmi (software), due elementi che non possono fare a meno l’uno dell’altro.
I principali componenti hardware di un qualsiasi calcolatore si dividono in base ai compiti da essi
svolti:
•
Unità di ingresso (input): sono i componenti che consentono di inserire dati e istruzioni (la
tastiera, il mouse, lo scanner, etc.);
•
Processore o CPU (Central Processing Unit): è l'unità centrale di elaborazione che esegue le
istruzioni per l’elaborazione dei dati;
•
Memoria centrale o RAM (Random Access Memory): è la memoria ad accesso casuale usata
per memorizza temporaneamente dati e istruzioni;
•
Unità di uscita (output): sono tutti i componenti che consentono di visualizzare i risultati
dell’elaborazione (il video e la stampante);
•
Memorie di massa: sono i componenti che consentono di memorizzare in modo permanente
(archiviare) i dati e i programmi (disco fisso); oltre ai componenti interni esistono supporti
di memorizzazione esterni (CD, DVD e le pen drive).
I calcolatori sono classificati in base alle dimensioni, costi e prestazioni.
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Mainframe: è un calcolatore di grosse dimensioni e costoso, dotato sia di notevole potenza di
elaborazione sia di grande capacità di memoria. Può essere collegato a diverse postazioni
(terminale) per i singoli utenti, ciascuna costituita da video, tastiera e mouse. È utilizzato dalle
grandi aziende e organizzazioni per gestire grandi quantità di dati.
Personal Computer (PC): è il calcolatore più utilizzato nelle case, nelle scuole e negli uffici. Dalla
sua nascita (circa 1980) ha avuto un’enorme diffusione grazie alla costante diminuzione di prezzo,
unita a una crescita delle prestazioni e della facilità di utilizzo.
Un qualsiasi PC è composto da: monitor (video), tastiera, mouse (topo) e un case (contenitore) il
quale può essere disposto in orizzontale (desktop) o in verticale (tower, miditower o minitower). I
notebook sono PC portatili chiamati cosi perché hanno le dimensioni di un quaderno per gli appunti.
I netbook sono portatili di dimensioni ridotte con peso inferiore al chilogrammo. I tablet sono
computer portatili a forma di tavoletta sottilissima e dotati di uno schermo tattile (touch screen). l
palmari sono infine computer di dimensioni cosi ridotte da poter essere portati nel palmo di una
mano. Anche gli smartphone, pur essendo apparecchi cellulari, possono essere considerati
computer.
Periferiche: sono i componenti esterni al case e vengono collegati al calcolatore inserendo gli
spinotti dei loro cavi dentro alle porte situate sul retro del case (stampante, scanner, modem, etc.).
Esistono diversi tipi di porta ciascuna con caratteristiche adatte per un particolare tipo di periferica:
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•
Porta seriale: è una vecchia porta a bassa velocità in cui i dati vengono trasmessi in serie,
uno dopo l'altro (vecchi modem e vecchi mouse).
•
Porta parallela: è una vecchia porta in cui i dati vengono inviati parallelamente in più flussi
seriali (vecchie stampanti).
•
Porte PS/2: sono vecchie porte usate per collegare il mouse e la tastiera.
•
Porte USB (Universal Serial Bus): consente di collegare ad alta velocità le periferiche
(scanner, stampanti, etc.). Ha sostituito tutte le precedenti porte e normalmente è presente in
grande quantità sia sul retro del case sia sul pannello frontale del computer.
•
Porta video: serve per connettere il monitor al computer.
•
Porta di rete: è usata per collegare il computer direttamente a un altro computer o a una rete
locale di computer.
•
Porta FireWire: serve per collegare apparecchiature digitali (fotocamera e videocamera).
Componenti interni
I seguenti componenti si trovano all'interno del case:
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•
Scheda madre: è un circuito stampato sul quale sono montati il processore, la memoria
RAM e molti altri componenti. Questi elementi comunicano tra loro attraverso collegamenti
elettrici detti bus (strade) per il passaggio dei dati.
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CPU (Central Processing Unit): processore o microprocessore esegue le istruzioni per
l'elaborazione dei dati: per tale motivo si può considerare come il cervello del calcolatore. È
costituito da una wafer (tavoletta) di silicio, detta chip, sulla quale sono presenti tutti i
microscopici componenti elettronici quali conduttori, resistenze, condensatori a transistor.
Generalmente, su di esso viene montato un dissipatore assieme a una ventola di
raffreddamento per dissipare il calore prodotto durante il suo funzionamento. Il processore è
identificato da diverse caratteristiche:
•
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•
Frequenza: misurata in MHz o GHz rappresenta la velocità con la quale vengono
eseguite le operazioni. Infatti, l'esecuzione è scandita da un orologio interno alla
macchina chiamato clock; maggiore è il numero di oscillazioni effettuate in un
secondo da questo orologio (la frequenza), maggiore è la velocità con cui il
processore esegue i programmi. l microprocessori più recenti hanno frequenze di
alcuni GHz.
•
Core: rappresenta il numero di unita di elaborazione, generalmente, identiche
presenti all'interno del processore. Maggiore è il numero di core e maggiore è il
numero di operazioni che il processore è in grado di compiere a parità di frequenza. I
microprocessori moderni hanno un numero di core variabile da 2 a 20.
•
Cache: particolare tipo di memoria RAM ad alta velocità presente all'interno del
processore che permette di accelerare l'accesso ai dati rispetto agli altri tipi di
memoria. Maggiore è la quantità di tale memoria e maggiore è la sua velocità,
maggiori sono le prestazioni del processore. I moderni processori hanno un
quantitativo di memoria cache distribuito su più livelli gerarchici (L1,L2 e L3) da 1
MByte fino 32 MByte.
Memoria RAM (Random Access Memory): la memoria centrale o RAM registra i dati
inseriti e le istruzioni dei programmi in esecuzione. E' una memoria volatile perché non
conserva le informazioni in assenza di alimentazione elettrica (a ogni spegnimento del PC).
Quindi è necessario procedere al salvataggio dei dati su una memoria di massa prima di
terminare il lavoro. La memoria RAM permette di poter eseguire più programmi
contemporaneamente: maggiore è il suo quantitativo e maggiore è il numero di programmi
che possono essere mantenuti in esecuzione nello stesso momento. I calcolatori moderni
hanno un quantitativo di memoria RAM compreso tra 1 GByte e 64 GByte. Di solito, la
memoria RAM è costituita da chip montati su moduli (detti banchi) di alcuni GByte
ciascuno che vengono alloggiati in appositi slot presenti sulla scheda madre. Questo
permette di estendere la memoria aggiungendo uno o più moduli sulla scheda madre.
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Memoria ROM (Read Only Memory): è una memoria a sola lettura che non si cancella in
assenza di alimentazione. La memoria ROM viene utilizzata in fase di accensione del
calcolatore per inizializzare l'avvio del sistema operativo. Il BIOS (Basic Input/Output
System) è il programma di inizializzazione memorizzato nella memoria ROM che
all’accensione effettua una serie di test diagnostici sullo stato delle periferiche e quindi cerca
i1 sistema operativo su disco. È possibile accedere a un programma di configurazione che
permette di modificare i parametri del BIOS, premendo il tasto durante Canc/F2/F10 (a
seconda del produttore) durante la fase di accensione.
•
Memoria cache: è una memoria ad accesso più veloce della RAM ed è utilizzata in
aggiunta a essa per rendere più veloce il trasferimento dei dati e delle istruzioni tra la CPU e
la RAM. La presenza della cache riduce il tempo di attesa dell’elaborazione perché evitano
il trasferimento diretto fra CPU e RAM. La memoria cache è integrata direttamente nel
processore e suddivisa in livelli gerarchici 1° livello (L1), 2° livello (L2) e 3° livello (L3).
Esistono anche memorie cache per il trasferimento dei dati fra la RAM e la memoria
centrale.
•
Scheda video: è una scheda dedicata alla riproduzione delle immagini sullo schermo. Viene
installata sulla scheda madre in un apposito slot (PCI-express/AGP) e collegata al monitor
mediante apposito cavo. La scheda video è dotata di un proprio processore e di una propria
memoria RAM: maggiore è la capacità della memoria video e migliore sarà la risoluzione
dell'immagine che si può adottare e maggiore sarà il numero di colori che si possono
trattare.
•
Scheda audio: è una scheda dedicata alla riproduzione dei suoni. Viene installata sulla
scheda madre in un apposito slot (PCI-express/PCI) e collegata agli altoparlanti mediante
apposito cavo. La scheda audio è dotata di un proprio processore e di una propria memoria
RAM le capacità di elaborazione sono molto più limite rispetto alla scheda video poiché la
potenza richiesta per elaborare un segnale audio e minore rispetto a un segnale video
(immagini).
Periferiche di ingresso (input)
•
Tastiera: è la prima unità per l’inserimento dei dati. È suddivisa in:
•
Area principale contenente i tasti alfanumerici della macchina da scrivere (numeri,
lettere, punteggiatura);
•
Una fila in alto di tasti funzione (per funzioni specifiche come l'apertura della guida
in linea del programma attivo)
•
Un tastierino numerico.
•
I tasti di direzione e di scorrimento permettono di scorrere le pagine di un
documento, di portarsi all'inizio o alla fine di una riga, di scorrere un elenco di file.
•
Alcuni tasti di controllo che permettono di compiere operazioni specifiche se premuti
contemporaneamente ad altri (CTRL + C permette di copiare oggetti).
La disposizione dei tasti non è sempre la stessa perché esistono diversi modelli di tastiera
che differiscono per il numero totale di tasti e per la loro disposizione. I tipi più comuni sono
la tastiera americana e quella italiana detta anche QWERTY (dal nome dei primi sei tasti
alfanumerici in alto a sinistra), QWERTZ (Germania) e AZERTY (Francia).
•
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Mouse: è l'altra importante periferica di input che permette di muovere sullo schermo la
freccia (detta puntatore) trascinando il mouse su una superficie piana. Il mouse ha due tasti e
una rotella che permette di scorrere più velocemente le schermate.
•
•
Il tasto sinistro permette di:
•
fare clic per selezionare un oggetto sullo schermo, spostare il cursore
all'interno di un testo, aprire i menu contenuti nei vari programmi;
•
fare doppio clic per lanciare un programma o aprire un file;
•
trascinare il mouse per selezionare degli oggetti (un testo o un insieme di
file); devi fare clic nel punto di inizio della selezione e, tenendo premuto il
tasto, spostare il mouse fino al punto in cui vuoi interrompere la selezione.
Il tasto destro permette di attivare funzioni particolari (attivare il menu di comandi
associato all’oggetto puntato).
•
Scanner: è una periferica di input che permette di leggere pagine stampate contenenti sia
immagini sia testo e di trasformarle in formato digitale e salvarle come file sulla memoria di
massa. Utilizza lo stesso principio della fotocopiatrice, cioè l'illuminazione della pagina
mediante una fonte luminosa e la rilevazione della luce riflessa con le diverse tonalità di
grigio o di colore.
•
Altre periferiche: le altre periferiche di input che si possono collegare al computer sono:
•
Il microfono: è la periferica in grado di introdurre i suoni all'interno del calcolatore.
Se il computer è dotato di programmi di riconoscimento vocale può essere utilizzato
per impartire comandi al computer o per dettare il testo di un documento a un
programma di elaborazione testi o nei corsi multimediali di lingua.
•
La penna ottica: è utilizzata per leggere i codici a barre presenti negli oggetti
(prodotti nei negozi o magazzini).
•
La macchina fotografica digitale e la videocamera digitale: sono le periferiche di
input che consentono di acquisire immagini reali come fotografie o filmati e
memorizzarle all'interno del computer in formato digitale.
Periferiche di uscita (output)
•
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Monitor: detto anche video è la principale periferica di output e serve per visualizzare testi
o immagini. Le immagini vengono rappresentate sul monitor mediante un insieme di puntini
chiamati pixel. Esistono tre tipi di monitor:
•
Tubo catodico CRT (Cathode Ray Tube): ha lo stesso principio di funzionamento dei
vecchi televisori ed è piuttosto ingombrante;
•
A cristalli liquidi LCD (Liquid Crystal Display): è ultrapiatto e molto più leggero del
CRT e con quasi totale assenza di radiazioni. Rispetto al CRT ha un angolo di
visualizzazione inferiore.
•
A LED (Light Emitting Diode): è uno schermo ultrapiatto come uno schermo LCD,
ma con assenza di radiazioni e qualità superiore dell'immagine.
Caratteristiche principali del monitor:
•
Dimensione della diagonale dello schermo (misurata in pollici).
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La risoluzione (il numero di pixel in orizzontale e in verticale visualizzati sullo
schermo, 1920x1080 pixel). Impostabile dal sistema operativo anche se gli schermi
hanno una risoluzione nativa prestabilita.
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La profondità di colore ossia il numero di colori che possono essere gestiti per ogni
pixel visualizzato (da un minimo di 256=28 fino a un massimo di circa 16
milioni 224 ). Impostabile dal sistema operativo.
N.B. Maggiore è il numero di colori e migliore è la qualità dell'immagine visualizzata. La
possibilità di utilizzare risoluzioni e numero di colori più alti dipende anche dalle
caratteristiche della scheda video.
•
Stampante: è utilizzata per riprodurre testi o immagini su carta. Le caratteristiche di una
stampante sono: la risoluzione (misurata in dot x inch (dpi) punti x pollice) e la velocità di
stampa (misurata in pagine al minuto (ppm)). Maggiore è la risoluzione e migliore è la
qualità di stampa ottenuta.
•
Le stampanti a getto d'inchiostro (inkjet): sono le più diffuse perché consentono
discrete velocità di stampa e buone risoluzioni, sia in bianco e nero sia a colori, e
costi d'acquisto contenuti. Devono essere ricaricate con inchiostro liquido contenuto
in apposite cartucce.
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Le stampanti laser: permettono maggiore qualità e velocità di stampa, hanno un
prezzo di acquisto più alto delle inkjet, ma un minore costo di gestione. Devono
essere ricaricate con inchiostro in polvere (toner).
•
Plotter: è un'altra periferica di output, simile alla stampante, utilizzata per la stampa di
disegni tecnici. È formato da un braccio avente libertà di movimento in verticale e in
orizzontale e da un pennino. Il pennino può essere un comune pennarello e avere più di un
colore, ed è in grado di eseguire disegni di elevata complessità.
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Periferiche audio: gli altoparlanti rappresentano una periferica per la riproduzione dei
suoni. Possono essere affiancati o sostituiti dalle cuffie.
Periferiche di ingresso/uscita (input/output)
Sono periferiche che hanno sia funzioni di ingresso sia di uscita:
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Touchscreen (schermo tattile): è un monitor particolare che funziona come output per la
visualizzazione delle immagini e come input grazie a un digitalizzatore che lo rende
sensibile al tatto. Consente di fornire comandi al calcolatore in modo più semplice e
intuitivo rispetto alla tastiera e al mouse. La tecnologia utilizzata può essere di tipo
(magnetica, a raggi infrarossi, etc.): in tutti i casi si ha l’interruzione o variazione di una
grandezza che avviene quando l’utente tocca con il dito lo schermo. In questo modo viene
rilevato il punto toccato e viene attivato il comando corrispondente. La maggior parte dei
modelli moderni usano un foglio di plastica trasparente, sottile e resistente aderente alla
superficie dello schermo. E' utilizzato in molti dispositivi (smartphone, navigatori satellitari
e tablet, bancomat e sportelli informativi).
•
Modem: il suo nome deriva dall'abbreviazione di modulatore e demodulatore. E' il
dispositivo che consente di trasmettere i dati da un computer a un altro attraverso la normale
linea telefonica. È necessario per collegarsi a Internet. Il suo compito è di trasformate il
segnale inviato dal computer (in binario quindi digitale) in segnale analogico trasmesso dalla
linea telefonica (modulazione) e viceversa (demodulazione). Attualmente i più diffusi sono i
modem ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) che consentono il collegamento alle
linee ADSL molto più veloci delle linee telefoniche tradizionali.
Memorie di massa
Le memorie di massa sono i supporti e le corrispondenti unità di lettura e scrittura utilizzati per
memorizzare in modo permanente le informazioni sia di dati sia di programmi. Le memorie più
diffuse attualmente sono l'hard disk (disco rigido), SSD, CD e DVD, la chiave USB e la scheda SD.
Il floppy disk non è più presente nei computer moderni ed è considerato una memoria del passato.
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•
Hard Disk (HDD): noto anche come disco rigido, è un supporto di memorizzazione di tipo
magnetico con una considerevole capacità di memoria (fino a 5 TByte). È detto anche disco
fisso perché il supporto di memorizzazione non è separabile dal dispositivo di lettura e
scrittura (drive) diversamente degli altri tipi di disco che si possono estrarre e sostituire. Il
disco fisso è formato da una serie di dischi impilati uno sopra l'altro. È sempre presente nei
computer attuali inserito all'interno del case ed è la memoria di archiviazione principale del
computer. Esistono anche hard disk esterni, collegabili al computer attraverso una porta
USB che sono utili per effettuare copie di sicurezza (backup) o per il trasferimento dei dati
fra un computer e un altro.
•
Solid State Disk (SSD): è un nuovo tipo di supporto di memorizzazione di tipo elettronico
(utilizza la tecnologia della memoria flash). Rispetto al disco rigido tradizionale risulta
molto più veloce e più resistente agli urti, ma la capacità è molto inferiore da 64 GByte fino
a 1 TByte. Attualmente il costo alto riduce la sua diffusione.
•
CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory): è un supporto sul quale i dati vengono
memorizzati in modo permanente attraverso un laser. Questi supporti non possono essere
riscritti mediante il normale lettore e per questo sono detti ROM. I lettori di CD possono
leggere sia CD-ROM sia CD audio e si differenziano per la velocità di lettura indicata dalla
sigla 32X,40X (dove 1X corrisponde a circa 150 kByte/s). Il CD-ROM ha una capacità di
circa 650-700 MByte. Per poter scrivere i CD è usato un dispositivo detto masterizzatore: i
dischi masterizzabili sono di due tipi:
•
CD-R (CD-Recordable): scrivibili una sola volta.
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CD-RW (CD-Rewritable): scrivibili e cancellabili più volte.
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DVD (Digital Versatile Disc): il DVD ha un principio di funzionamento simile a quello del
CD, ma i dati sono registrati con una maggiore densità grazie all'utilizzo di un laser più
sofisticato. La capacità di un DVD varia da 4,7 a 17 GByte. La velocità di lettura indicata
dalla sigla 16X,20X (dove 1X corrisponde a circa 1.39 MByte/s). Un DVD può contenere
audio, video e dati: per questo motivo i DVD hanno sostituito i CD-ROM e le videocassette
VHS. I DVD possono memorizzare video con risoluzione fino a 720×576 pixel. Per leggere
questo tipo di disco è necessario un lettore DVD e per registrarlo un masterizzatore DVD.
Alla pari dei CD, esistono DVD-R e DVD-RW. I lettori DVD possono anche leggere i CD,
ma non viceversa.
•
Blu Ray: il Blu Ray (raggio blu) ha lo stesso principio di funzionamento dei CD e DVD, ma
i dati sono registrati con una maggiore densità grazie all'utilizzo di un laser ancora più
sofisticato. Alla pari del DVD, un Blu Ray può contenere audio, video e dati. La capacità di
un Blu Ray varia da 25 a 128 GByte. La velocità di lettura indicata dalla sigla 8X,10X (dove
1X corrisponde a circa 4.5 Mbyte/s). I Blue Ray possono memorizzare video con risoluzione
fino a 1920×1080 pixel. Per leggere questo tipo di disco è necessario un lettore Blu Ray e
per registrarlo un masterizzatore Blu Ray. I lettori Blu Ray possono anche leggere i DVD e
CD, ma non viceversa.
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Chiave USB: detta anche penna USB (pen drive) è un particolare dispositivo di memoria di
massa rimovibile di dimensioni e peso ridottissimi che si connette direttamente alla porta
USB di qualsiasi PC. Il computer riconosce automaticamente la penna USB come un disco
supplementare e permette di trasferire immediatamente i dati. La pen drive ha una capacità
che può andare da 1 GByte fino a 64 GByte. La sua memoria è di tipo elettronico facilmente
cancellabile e riscrivibile (utilizzano la memoria flash come quella delle memory card).
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Schede Secure Digiral (SD card): è una scheda di memoria tipo flash come la penna USB,
ma di dimensioni più ridotte, con capacità maggiori fino a 256 GByte e resistente agli urti.
Per essere utilizzata deve essere letta tramite un apposito lettore che deve essere inserito nel
case o collegato tramite porta USB. Di solito i moderni notebook sono dotati di un lettore di
schede SD. Esistono tre formati che si differenziano per le dimensioni: SD, mini SD e micro
SD.
Operazioni comuni per le memorie di massa
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Formattazione: è l'operazione che prepara all'uso un supporto di memorizzazione di massa
(disco fisso, SSD, penna USB, SD) per renderlo adatto all'archiviazione di dati. Durante
questa operazione viene imposta la struttura del file system sulla memoria di massa.
L'operazione consiste nel dividere la capacità della memoria in una serie di blocchi di uguali
dimensioni e fornire una struttura logica in cui verranno scritte le informazioni che
permetteranno l'accesso ai dati desiderati.
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Inizializzazione: è l'operazione equivalente alla formattazione usata per i supporti come
CD, DVD e Blue Ray. Questa operazione viene realizzata dai programmi di masterizzazione
durante la scrittura del disco.
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Deframmentazione: è un'operazione usata per ottimizzare l'archiviazione dei dati nella
memoria di massa (disco fisso). Consiste nel ridurre la frammentazione dei file presenti sulla
memoria stessa riorganizzando l'allocazione e facendo in modo che ciascun file risulti
memorizzato in una zona contigua dal punto di vista fisico. Questa operazione permette di
ridurre drasticamente i tempi di accesso e lettura dei file.
La deframmentazione è un'operazione che può essere svolta in modo automatico dal file
system (specialmente i sistemi operativi Linux e MacOS X) durante il suo regolare
funzionamento oppure eseguita tramite esplicita richiesta dell'utente tramite l'esecuzione di
un programma.
N.B. Le memorie di massa moderne come (SSD, penna USB, SD) grazie alla loro tecnologia
non risultano penalizzate dalla frammentazione e quindi non è necessario procedere con la
deframmentazione.
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