istruzione linea a

Sistemi Hardware
Concetti Fondamentali
► Hardware
Tutto ciò che è tangibile, cioè tutte l’insieme dei dispositivi
elettronici e meccanici che costituiscono l’elaboratore
► Software
L’insieme dei programmi che permettono di gestire sia
l’elaboratore che le informazioni
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Tipi di computer
► Mainframe
Grossi sistemi aziendali, vengono utilizzati contemporaneamente da un elevato
numero di utenti mediante “terminali”
► Minicomputer
Piccoli mainframe
► Network
Computer
Possono funzionare solo se connessi a un mainframe/minicomputer mediante
una rete
► Personal
Computer (PC)
► Laptop Computer
Di dimensioni ridotte e con la possibilità di essere alimentato a batteria
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Cosa fa un computer?
► Elabora
informazioni
► Informazioni sotto forma di dati digitali, che
possono cioè avere solo due valori (0,1), chiamati
bit
► I bit sono raggruppati in gruppi di 8 chiamati
byte
1 0
0
1 1
1 0 1
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Cosa fa un computer?
► Per
elaborare le informazioni il computer
esegue programmi
► I programmi sono delle sequenze di
istruzioni elementari che specificano
quali operazioni devono essere eseguite
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Hardware
► Unità
Centrale di Elaborazione (CPU)
► Memoria
► Unità di Input e di Output
CPU
memoria
bus
Dispositivi
di I/O
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Il bus
►
►
I componenti comunicano scambiandosi segnali elettrici
attraverso serie di conduttori che costituiscono il bus
Il bus è suddiviso in
 Bus Indirizzi
 Bus Dati
 Bus di controllo
►
►
Il bus ha subito diverse evoluzioni. Attualmente si utilizza
un bus parallelo chiamato PCI
L’evoluzione è il PCI express che è un bus seriale
attualmente utilizzato per la comunicazione con le schede
video
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La CPU
► Il
suo compito è quello di eseguire i
programmi
► Questi sono una sequenza di istruzioni
elementari (operazioni aritmetiche,
operazioni logiche, spostamenti di dati da
una posizione ad un’altra)
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La CPU
► Unità
Aritmetico Logica (ALU)
► Unità di controllo (CU)
► Registri
ALU
CPU
CU
registri
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► Unità
Aritmetico Logica (ALU)
►Esegue
► Unità
le operazioni aritmetiche e logiche
di controllo (CU)
►Comanda
e sincronizza l’esecuzione delle operazioni
► Registri
►Vi
vengono depositati temporaneamente i dati
oggetto delle operazioni
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Esempio di elaborazione
Trasferimento
istruzione dalla
memoria alla cpu
2. Traduzione del codice
istruzione
3. Trasferimento dei dati
oggetto dell’istruzione
dalla memoria alla
CPU
4. Esecuzione dell’istruzione
5.
Trasferimento del
risultato dalla CPU
alla memoria
1.
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MEMORIA
1
5
3
4
CPU
2
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IL segnale di clock
►
►
►
►
Per sincronizzare le operazioni della CPU tra loro e con il
resto del sistema si ricorre ad un segnale apposito
Questo segnale è un onda quadra
Quando il segnale passa dal valore basso al valore alto può
essere svolta un’operazione
Più elevata è la frequenza di clock e più operazioni possono
essere eseguite in un secondo
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t
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Prestazioni della CPU
► Dimensione
del BUS
 32 o 64 bit
► Frequenza
di clock
 numero di cicli eseguibili in un secondo
 Si misura in GHz (1 GHz = 1 miliardo di cicli al secondo)
► Architettura MULTICORE
 una struttura con più ALU e CU che lavorano in parallelo
all’interno dello stesso microprocessore
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La memoria
La funzione della memoria è quella di
immagazzinare :
►Dati
►Programmi
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La memoria
► Memoria
principale
 Molto veloce ma di dimensioni contenute
 Interagisce direttamente con la CPU
► Memoria
secondaria o memoria di massa
 In grado di immagazzinare in maniera permanente una grossa
quantità di dati ma, inevitabilmente, più lenta della principale
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Tipologie di memoria
►RAM
(Random Access Memory)
Memoria di tipo “volatile”, costituisce la memoria principale
►ROM
(Read Only Memory)
Memoria di sola lettura, “non volatile”. Viene utilizzata per
contenere le informazioni necessarie all’avvio del computer
(BIOS)
►Cache
Di dimensioni ridotte ma molto veloce è posizionata all’interno
della CPU. Contiene le informazioni che vengono scambiate
più spesso con la RAM
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RAM
► La
memoria può essere immaginata come un
contenitore con tanti “cassetti”
► In ogni “cassetto” è contenuta un’informazione
sotto forma di byte
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RAM
► Random
Access Memory  Memoria ad
accesso casuale (per distinguerla dalle memorie ad accesso
sequenziale dove il tempo di accesso dipende da dove il dato è posizionato).
► Il
tempo di accesso è indipendente da dove
è immagazzinato il dato.
► Consente
rapide
operazioni
di
lettura/scrittura.
► È una memoria volatile, cioè perde i dati
immagazzinati
quando
viene
tolta
l’alimentazione
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Evoluzione della RAM
► SRAM
Static RAM
sono molto veloci
consumano poco e dissipano poco calore
Occupano una notevole porzione del chip in
silicio su cui sono realizzate
 Solitamente sono utilizzate per realizzare
memorie cache




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Evoluzione della RAM
► DRAM
 Dynamic Random Access Memory
 Costi ridotti e elevata densità per superficie di
chip utilizzato
 Come svantaggio risultano più lente
 Tendono a perdere il bit immagazzinato che va
periodicamente ricaricato -> REFRESH. Da
questa necessità deriva il termine dinamica
che caratterizza questo tipo di memoria
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Evoluzione della RAM
► SDRAM
 Synchronous DRAM
 Si differenzia dalla DRAM normale per il fatto che
l'accesso è sincrono, ovvero governato dal clock.
► DDR
SDRAM
 Double Data Rate
 L’accesso alla memoria avviene sia durante il fronte di
salita del clock che su quello di discesa
 Funzionano quindi a velocità doppia rispetto alle altre
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Prestazioni della memoria
► Capacità
Si misura in Byte e nei suoi multipli
KiloByte 1KB = 1024 Byte
MegaByte 1MB = 1024 KByte
GigaByte 1GB = 1024 MByte
► Velocità
Ossia tempo medio affinché un dato possa essere letto/scritto in memoria
(attualmente frequenza max 667 MHz, ossia circa 1,5 ns)
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Memorie di Massa
► Hard
Disk
► Flash memory
► Floppy disk
► CD-ROM
► DVD-ROM
► Dischi rimovibili (Zip Disk)
► Nastro magnetico
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Hard Disk
► Il
disco rigido è formato da:
► Uno o più piatti in alluminio (in alternativa
vetro) ricoperti da materiale ferromagnetico
► Una o più testine in grado di leggere e
modificare i valori del campo magnetico
nelle diverse zone del disco
► Un motore che mette in rotazione il disco.
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Hard Disk
motore
testina
piatti
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Hard Disk
►
►
►
I dati vengono memorizzati sul disco dalle testine che
magnetizzano (bit 1) o meno (bit 0) parti specifiche del
disco stesso
Le testine non hanno nessun contatto fisico con i piatti
durante il normale funzionamento, ma planano sul
cuscino d'aria formato dalla rapida rotazione dei piatti
grazie al loro profilo aerodinamico.
Quando l'hard disk è spento le testine vengono
parcheggiate in una zona adibita a tale scopo, la landing
zone, oppure in alcuni modelli vengono parcheggiate fuori
dal disco in un apposito supporto di plastica.
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►I
dati sono organizzati in
 Tracce  zone concentriche
 Settori  spicchi radiali
 Cluster (o blocchi)  intersezioni tra tracce e
settori
 Le tracce di diversi piatti che si trovano alla
stessa distanza dal centro formano un cilindro
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traccia
settore
cluster
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Caratteristiche
► Capacità
 Attualmente intorno ai 2 TB ( 2000 GB)
► Velocità
di rotazione dei piatti
 5400 rpm ( minori consumi e minor calore prodotto)
 7200 rpm
Maggiore velocità si traduce in un più rapido accesso ai
cluster dove sono contenuti i dati
Esistono versioni meno diffuse a 10000 e 15000 giri al minuto
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Hard Disk
► Bus
di trasferimento dei dati
 EIDE – ATA (detto anche P-ATA)
►Trasferimento
dei dati in parallelo
►Velocità massima di trasferimento dei dati 133
MByte/s
 Serial ATA (SATA)
►Trasferimento
dei dati seriale
►Velocità di trasferimento dei dati fino a 6 Gbit/sec
ossia 750 MByte/sec (difficilmente raggiungibile su
dischi commerciali a causa del collo di bottiglia
nell’accesso ai dati)
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CD-ROM e DVD
►I
CD (Compact Disc), a differenza degli hard disk,
sono delle memorie di massa su supporto ottico
► I DVD (Digital Versatile Disk) sono una evoluzione
dei CD in grado di immagazzinare una maggiore
quantità di dati e con un più veloce trasferimento
degli stessi
► Un laser è in grado di leggere se sul disco è stato
inciso un incavo (pit) oppure è presente una zona
piatta (land) e li intrepreta come bit assegnando il
valore 1 oppure 0
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Caratteristiche Tecniche
► CD
ROM
 Capacità 700 MB
 Max Velocità di trasferimento dati 7,8 MB/s
(52x)
► DVD
 Capacità 4,7 GiB (miliardi di Bytes) = 4,37 GB
 Max Velocità di trasferimento dati 21,13 MB/s
(16x)
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Dispositivi di Input
► Tutti
i componenti hardware che forniscono dei
dati in ingresso al sistema
► Principali dispositivi







Tastiera
Mouse
Touch Pad
Scanner
Tavolette Grafiche
Microfoni
Web Cam
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Dispositivi di Output
► Tutti
i dispositivi hardware che trasferiscono
all’esterno le informazioni elaborate dal
sistema
► Principali dispositivi





Monitor
Stampante
Plotter
Altoparlanti
Videoproiettori
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Scheda Video
► Necessaria
per “alleggerire” il lavoro della CPU
► Elabora l’immagine che deve essere visualizzata
sul monitor
► Indispensabile per elaborare le animazioni 3D
► Prestazioni
 Risoluzione (numero di pixel che è in grado di elaborare)
 Numero di colori
 Frequenza di aggiornamento dell’immagine
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Scheda Audio
► Elabora
i segnali elettrici che devono essere
inviati agli altoparlanti e converte in segnali
digitali quelli provenienti dal microfono
► Può essere considerata
contemporaneamente dispositivo di Input e
di Output
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Porte di comunicazione
► Servono
esterni




per il collegamento dei dispositivi
Seriale
Parallela
USB
Firewire
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Porta seriale
►I
dati vengono
trasferiti in serie, un bit
dopo l’altro.
► Velocità di trasmissione
9600 bit/sec
► Ormai superata a
causa della sua
lentezza
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Porta parallela
► Trasferisce
8 bit in
parallelo
► Utilizzata
prevalentemente su
stampanti e scanner
► Velocità di
trasferimento max 1,2
Mbit/s
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USB
► Universal
Serial BUS
► standard di comunicazione seriale che consente di
collegare diverse periferiche ad un computer
► Il sistema USB consiste in un singolo gestore e
molte periferiche collegate da una struttura ad
albero attraverso dei dispositivi chiamati hub
► Supporta fino ad un massimo di 127 periferiche
per gestore (nel computo vanno però inclusi anche
gli hub e il gestore stesso)
► Corrente massima erogabile 500 mA
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Velocità USB
► USB
1.0
► USB 1.1
1,5 Mbit/s
12 Mbit/s
 Noto anche come 2.0 Full Speed
► USB
2.0
480 Mbit/s
 Noto anche come 2.0 High Speed
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Connettori USB
Connettore tipo A
Connettore tipo B
Connettore mini A e mini B
Connettore micro USB
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La scheda madre
► Mother
Board o Main Board
► Funge da supporto meccanico ed elettrico ai
diversi componenti che costituiscono un
calcolatore
► In particolare il collegamento elettrico tra i
diversi componenti
► In essa sono allocati il BUS e le interfacce
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Scheda Madre
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Componenti della scheda madre
► CPU
Socket
► ROM
(BIOS, RAM CMOS, Batteria)
► Chipset
 Northbridge
 Southbridge
► Slot
RAM
► Il Bus
► Interfacce di I/O (seriale, parallela, USB,
firewire, PS/2 per mouse e tastiera)
► Interfacce per i dischi (EIDE, SATA)
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► La
scheda madre può integrare anche
dispositivi come
► Scheda audio
► Scheda video
► Scheda di rete
e i relativi connettori esterni
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Northbridge
È il circuito integrato che connette il processore con la
memoria RAM e con i bus di espansione principali (PCI, PCI
express e AGP);
► I modelli più recenti incorporano anche le interfacce ATA
e/o SATA per gli hard disk, che sono i componenti più critici
per le prestazioni di un personal computer.
► È l'elemento più importante del chipset e il suo buon
funzionamento è cruciale per la stabilità e la velocità della
macchina.
►
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Southbridge
►è
il secondo componente del chipset e il suo
compito è quello di gestire tutte le
interfacce a bassa velocità
► è connesso al north bridge tramite il bus di
espansione e gestisce
 le porte seriali e parallele,
 l'interfaccia per la tastiera e il mouse,
 l'interfaccia Ethernet,
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48
Il MODEM
► MOdulatore/DEModulatore
► Ha
lo scopo di adattare i segnali digitali
gestiti dall’elaboratore affinché possano
essere convogliati sulla rete telefonica
► Risulta quindi essere contemporaneamente
dispositivo di Input e di Output
Ing. Giuseppe Cisci 2010
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La rete telefonica
► Esistono
due tipi fondamentali di rete:
 PSTN (Public Switched Telephone Network) è la
linea voce (analogica) che collega normalmente
i telefoni
 PSDN (Public Switched Data Network) è una
linea digitale che consente solo il traffico di dati
e non della voce
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Il MODEM
►A
seconda della linea telefonica utilizzata il
MODEM consente di trasferire i dati a differenti
velocità
 MODEM per linea telefonica standard: 56 Kbit/sec
 MODEM per linea ISDN: circa 128 Kbit/sec
 MODEM per linea ADSL: inizialmente 640 Kbit/sec,
attualmente si raggiungono velocità di 20 Mbit/sec
(le linee ISDN e ADSL sono linee dati di tipo digitale )
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La scheda di rete
► Anche
questo dispositivo svolge
contemporaneamente sia funzioni di Input
che di Output
► Il suo compito è quello di consentire il
collegamento a una rete di computer
► Esistono diverse tipologie: 10, 100, 1000,
dove il numero indica la velocità massima di
comunicazione espressa in Mbit/sec.
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Reti informatiche
► In
generale sono costituite da due o più
computer in grado di comunicare tra loro
► Sono suddivise in due tipi fondamentali:
 LAN (Local Area Network)  reti locali
 WAN (Wide Area Network)  reti geografiche
Ing. Giuseppe Cisci 2010
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Vantaggi nell’utilizzo di una rete
► Condivisione
delle risorse (stampanti, sistemi di
archiviazione dati, etc. )
► Condivisione delle informazioni
► Posta elettronica
► Supporto a distanza
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Reti LAN
► Sono
caratterizzate
dall’essere collocate in
uno spazio “limitato”
(coinvolgono i computer
all’interno di uno stesso
edificio o al massimo di
edifici adiacenti).
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LAN - Ethernet
►È
la tipologia di collegamento utilizzata
correntemente
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LAN - Ethernet
►I
computer sono collegati attraverso i
seguenti dispositivi:
 Schede di rete (all’interno dei PC)
 Cavi di rete denominati UTP (Unshielded
Twisted Pair)
 HUB oppure SWITCH (Concentratori)
► Questi
ultimi collegati ai PC tramite i cavi di
rete, permettono il passaggio delle
informazioni da un computer all’altro.
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LAN - Ethernet
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HUB
► Svolge
la funzione di concentratore
► I dati ricevuti su una porta vengono inoltrati
su tutte le altre
► Questo provoca uno spreco di banda e ne
limita l’utilizzo al collegamento di un
massimo di 8 PC
► Hanno il vantaggio di essere economici
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SWITCH
►A
differenza degli HUB leggono il pacchetto
di dati oggetto della comunicazione e lo
instradano solo verso il PC di destinazione
► Questo risulta in una migliore gestione della
banda
► Di contro sono più costosi
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