La struttura di un computer

La struttura di un computer
Seconda parte
La memoria virtuale
 Soprattutto
se sul computer è
installata poca RAM si corre il
rischio di esaurirla se si aprono
troppi programmi
contemporaneamente

Con la memoria virtuale, quello che il
computer fa è controllare nella RAM le
aree che non sono usate frequentemente e
spostarle sul HardDisk. In questo modo la
memoria viene liberata e possono essere
caricate nuove applicazioni

Questi spostamenti dalla RAM all'Hard
disk avvengono in modo automatico senza
che l'utente se ne accorga nemmeno.
Usando la memoria virtuale quindi è come
se si avesse memoria illimitata, anche se in
realtà se ne possiede solamente una piccola
parte.

Se non si ha una RAM sufficiente, il
sistema operativo sarà costretto
continuamente a spostare informazioni
avanti ed indietro tra la memoria RAM e
l'Hard Disk. Questa operazione è chiamata
trashing ed è quella che può rallentare il
PC.
La memoria cache

Fra il microprocessore e la memoria
centrale RAM vi è interposta un’altra
memoria detta cache

Le CPU, veloci e potenti, hanno bisogno di
accedere a grandi quantità di dati per
massimizzare le loro prestazioni. Se una
CPU non riesce a leggere i dati di cui ha
bisogno, si ferma ed aspetta! Le moderne
CPU con velocità di diversi gigahertz
possono richiedere ed elaborare
grandissime quantità di dati. Il problema è
che dovrebbero esistere delle RAM
spropositate (sia in termini di capacità che
di costi) per poterli contenere tutti
I progettisti hanno risolto questo problema
mediante il tiering, ovvero usando piccole
quantità di memoria costosa e quantità più
grandi di memoria di costo ristretto.
 Anche
con BUS più grandi e più
veloci, il tempo che la CPU
impiega per leggere i dati dalla
memoria è sempre spropositato se
confrontato col tempo di
elaborazione degli stessi di cui è
capace la CPU stessa.
 Le
memorie cache sono state
create proprio per questo motivo,
per far si che i dati più usati dalla
CPU siano immediatamente
accessibili senza dover compiere
tutto il tragitto dalla memoria alla
CPU. Questo viene realizzato
costruendo una piccola quantità di
memoria direttamente sulla CPU.

Si tratta di una quantità variabile da 2 a 64
KB e viene detta cache primaria o cache
di livello 1.

La cache secondaria o cache di livello 2
risiede invece su una memoria collocata
vicino alla CPU e connessa direttamente
ad essa.
Altre memorie di massa

La PENDRIVE o CHIAVETTA USB
E' un dispositivo d’archiviazione
dati portatile che si può collegare
ad ogni porta USB del computer.


E’ molto più comoda di un CD o DVD in quanto
occupa meno spazio ed è più compatta ed è più
veloce e ha molta più memoria di un FLOPPY
DISK ormai in disuso.
Come memoria supportata va dai 512 mb e
arrivano fino ad un massimo di 64 GB per il
momento, ma quest’ultima è difficile da trovare
in commercio per i costi elevati.
Informazioni generali

Nella chiave USB i dati sono memorizzati
in una memoria flash contenuta al suo
interno. La capacità è limitata unicamente
dalla densità delle memorie flash
impiegate, con il costo per megabyte che
aumenta rapidamente per alte capacità. A
febbraio 2010 la chiave di maggior
capacità disponibile sul mercato era il
modello DataTraveler 310 da 256 Gb
prodotto dalla Kingston Technology .
Struttura
interna
1)
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3)
4)
5)
6)
7)
8)
connettore USB
chip di gestione
del protocollo
USB
pin per test
industriali
memoria flash
quarzo
dell'oscillatore
LED di
funzionamento
interruttore per il
blocco della
scrittura
spazio per una
seconda memoria
flash
Pro e contro


Nello scaricamento e caricamento di dati la
chiavetta USB è il supporto con il minore
ingombro (sta in tasca) più veloce: supera in
velocità di lettura e scrittura i CD-ROM e DVDROM, ma è più lento delle componenti interne
del computer (memoria cache, RAM e Hard
Disk). Altro vantaggio è la sua versatilità, infatti
nessun sistema operativo moderno richiede
l'installazione di driver per riconoscere le chiavi
USB.
Un aspetto negativo è il fatto che dopo un lungo
periodo di utilizzo, la memoria presente nella
chiavetta potrebbe perdere dati. Questo dipende
dalla specifica memoria e dal suo grado di data
retention. In questo caso basta formattare la
chiavetta per riavere l'affidabilità originaria.
La memoria flash

La memoria flash è una memoria a stato
solido cioè una memoria costituita da
dispositivi elettronici miniaturizzati su una
barretta di semiconduttore per cui è non
volatile: non perde i dati se non è
alimentata


La memoria flash, trattandosi di memoria a stato
solido, non presenta alcuna parte mobile quindi è
piuttosto resistente alle sollecitazioni e agli urti,
inoltre è estremamente leggera e di dimensioni
ridotte.
La memoria flash è particolarmente indicata per
la trasportabilità, proprio in virtù del fatto che
non richiede alimentazione elettrica per
mantenere i dati e che occupa poco spazio. È
infatti molto usata nelle fotocamere digitali, nei
lettori di musica portatili, nei cellulari, nei
pendrive (chiavette), nei palmari, nei moderni
computer portatili e in molti altri dispositivi che
richiedono un'elevata portabilità e una buona
capacità di memoria per il salvataggio dei dati.
I dischi a stato solido

Un'unità a stato solido o drive a stato
solido, in sigla SSD (dal corrispondente
termine inglese solid-state drive), talvolta
impropriamente chiamata disco a stato
solido, è una tipologia di dispositivo di
memoria di massa che utilizza memoria a
stato solido (in particolare memoria flash)
per l'archiviazione dei dati.
Un disco a stato solido confrontato
con un hard disk
Altre informazioni

Il termine "disco a stato solido" è
improprio perché all'interno dell'SSD non
c'è nessun disco, né di tipo magnetico né di
altro tipo. L'utilizzo della parola "disco"
deriva dal fatto che questa tipologia di
dispositivo di memoria di massa svolge la
medesima funzione del più datato disco
rigido e viene quindi utilizzato in
sostituzione di esso.

Le unità a stato solido si basano sulla
memoria flash di tipo NAND per
l'immagazzinamento dei dati, ovvero
sfruttano l'effetto tunnel per modificare lo
stato elettronico di celle di transistor; per
questo essi non richiedono parti
meccaniche e magnetiche (dischi, motori e
testine), portando notevoli vantaggi per la
sicurezza dei dati.
La totale assenza di parti meccaniche in movimento
porta diversi vantaggi, di cui i principali sono:
 rumorosità assente;
 minore possibilità di rottura;
 minori consumi durante le operazioni di lettura e
scrittura;
 tempo di accesso ridotto: si lavora nell'ordine dei
decimi di millisecondo; il tempo di accesso dei
dischi magnetici è circa 50 volte maggiore,
attestandosi invece sui 5 millisecondi;
 maggiore resistenza agli urti;
 minore produzione di calore;



A fronte di una maggiore resistenza agli urti e a
un minor consumo, le unità a stato solido hanno
due svantaggi principali:
Entrambi i problemi sembrano però destinati a
risolversi in futuro. Le nuove tecnologie stanno
portando memorie flash in grado di garantire
durata pari o superiore a quella di un disco
rigido tradizionale e attualmente i produttori
dichiarano 140 anni di vita con 50 GB di
riscritture al giorno su un'unità da 250 GB.
Il costo di questa tecnologia inoltre sta
lentamente scendendo, facendo facilmente
presagire una futura sostituzione dei dischi
tradizionali con unità a stato solido.
Il BIOS
Sappiamo che il computer non possiede
alcuna forma di intelligenza
 Tutto quello che sa fare deriva dai
programmi che sono registrati sul suo hard
disk
 Anche compiti come la gestione della
tastiera, del video, del mouse, ecc.
sarebbero impossibili da eseguire se il PC
non possedesse il sistema operativo


Se non vi fosse un sistema operativo
installato sul hard disk il computer sarebbe
completamente inerte



Ma per caricare il sistema operativo dal hard disk
il microprocessore dovrebbe sapere come si fa
Anche questo è un compito che gli deve essere
spiegato
il Basic Input-Output System o BIOS è un
insieme di routine software, generalmente scritte
su ROM, FLASH o altra memoria RAM non
volatile, che fornisce una serie di funzioni di base
per l'accesso all'hardware e alle periferiche
integrate nella scheda madre da parte del sistema
operativo e dei programmi.

A partire dall'introduzione dei primi IBM PC XT
e compatibili nell'agosto del 1981, è il BIOS che
ha il compito di dare i primi comandi al sistema
durante la fase di avvio, detta boot process. In
questa fase, dopo i controlli preliminari sulla
funzionalità dei componenti fondamentali
(interrupt, RAM, tastiera, dischi, porte), per
sapere come inizializzare correttamente le
periferiche presenti il BIOS legge alcuni
parametri (come l'ora e la data correnti) da una
piccola memoria RAM tamponata, cioè
mantenuta alimentata anche a PC spento da una
batteria, del tutto separata dalla RAM principale
del computer.

Il BIOS è il firmware del computer, dal
momento che è una parte integrante
dell'hardware, pur essendo composto da
istruzioni software. Prima del 1990 il
BIOS veniva memorizzato su una o più
ROM, non riprogrammabili.

Man mano che la complessità è aumentata,
di pari passo con la necessità di
aggiornamenti, si è diffusa la
memorizzazione del firmware BIOS prima
su EPROM, poi su EEPROM o flash
memory così da permettere un rapido
aggiornamento anche da parte dell'utente
finale. La presenza di BIOS aggiornabili
anche dall'utente, permette di ottenere ad
esempio il supporto per CPU più
aggiornate o dischi fissi più capienti.
La scheda madre o motherboard

La scheda madre è il cuore del PC
In essa trovano il loro alloggiamento:
 Il processore
 La memoria RAM
 Il BIOS
 I controller dei dischi
 Il chipset
I bus
I vari componenti installati sulla
motherboard per comunicare sono
collegati da canali costituiti da piste di
rame sulla scheda che consentono il
passaggio dei segnali elettrici
 Degli slot consentono di inserire dispostivi
sulla scheda mediante semplice pressione

IL CPU socket

La prima cosa che troviamo è uno zoccolo
in cui inserire il processore

Il socket è dotato di una ventolina di
raffreddamento per impedire che il
processore si surriscaldi. Il calore
eccessivo rende i dispositivi elettronici
inaffidabili

Poi abbiamo i chip che contengono il
BIOS
Abbiamo poi gli slot per alloggiare la RAM
Abbiamo poi il chipset
l'insieme di chip di una scheda madre che
si occupano di smistare e dirigere il
traffico di informazioni passante attraverso
il Bus di sistema, fra CPU, RAM e
controller delle periferiche di input/output
 In generale, uno specifico chipset è
progettato per una determinata famiglia di
processori e, qualora debba occuparsi
anche della gestione della memoria, anche
per una specifica tecnologia di RAM


La qualità di un chipset dipende sia dalle
funzionalità che supporta sia dalla sua
capacità di far scorrere i dati tra la CPU e i
sottosistemi alla massima velocità e con il
minimo ritardo ; naturalmente anche il
chipset ha una sua "velocità" che viene
misurata in MHz come nel caso dei
processori e dipende dalla sua architettura
e dalla tecnologia implementata in esso.
 Per
molti anni, Intel ha continuato ad
utilizzare la suddivisione del chipset
in due chip principali; nella maggior
parte dei casi è presente un chip
dedicato alle interfacce ad alta
velocità (come il controller della
memoria RAM) e un altro chip che
supporta tutte le altre interfacce di
I/O.
Questa configurazione viene
schematizzata graficamente
collocando la CPU in cima, il chip
di comunicazione con grafica e
memoria sotto la CPU e il chip con
le interfacce di I/O più in basso.
Per questo motivo i due chip del
Chipset hanno preso il nome di
Northbridge (ponte Nord) e
Southbridge (ponte Sud).
Connessioni esterne

Sulla scheda madre vi è anche un
frontalino per la connessione di dispositivi
esterni come l’ingresso della tastiera,
segnali audio , ecc.
Porte ATA o IDE

Le porte ATA consentono il collegamento
di hard disk e unità come il lettore dvd

La connessione avviene mediante dei cavi
piatti
Porte SATA

Esistono anche le porte SATA

Il Serial ATA (abbreviazione dell'inglese "Serial
Advanced Technology Attachment"), in sigla
SATA, è una interfaccia per computer
generalmente utilizzata per connettere hard disk
o drive ottici (masterizzatori e/o lettori di DVD,
CD, ecc.)

Il Serial ATA è l'evoluzione dell'ATA
(anche conosciuto come IDE), rinominato
Parallel ATA (PATA) in seguito alla nascita
del Serial ATA in modo da evitare
fraintendimenti, rispetto al quale il Serial
ATA presenta tre principali vantaggi:
maggiore velocità, cavi meno ingombranti
e possibilità di hot swap.
Hot swap

Significa che le specifiche Serial ATA
prevedono la possibilità di inserimento hot
(a caldo), cioè senza necessità di togliere
l'alimentazione al personal computer,
tuttavia alcuni controller non
implementano questa funzione, spesso a
causa di limitazioni presenti nel BIOS.
Ha naturalmente bisogno di un
cavetto apposito
Il generatore di clock
I vari componenti di un computer, per
poter dialogare, devono sincronizzarsi fra
di loro cioè devono accordare le velocità a
cui lavorano
 Per far questo hanno bisogno di una sorta
di orologio che scandisca il tempo


Si tratta di un circuito detto oscillatore che
genera una serie di impulsi regolari che
dettano la velocità dei dispositivi






Per esprimere la velocità del clock e di
conseguenza di componenti come il
microprocessore si usa l’Hertz
Un Hertz rappresenta un impulso al secondo
1 KHz (kilohertz) sono 1000 hertz cioè 1000
impulsi al secondo
1 MHz (megahertz)sono un milione di Hertz cioè
un milione di impulsi al secondo
1 GHz (Gigahertz) sono un miliardo di impulsi al
secondo
Tale velocità prende anche il nome di frequenza
I
microprocessori viaggiano a
velocità intorno ai 3 gigahertz
mentre i bus usano velocità
inferiori dell’ordine delle
centinaia di MHz
 Gli ultimi microprocessori che
necessitano di frequenze così
elevate hanno un loro clock
interno