le parti fisiche del computer

Corso di Laurea per Educatore Professionale
Appunti di Informatica
Anno Accademico 2007-08
Appunti sul Modulo 1 - Parte Ia
Obiettivi tratti dal Modulo 1 della ECDL
Tipi di computer
Distinguere
le
varie
classi
di
computer
(supercomputer,
mainframe,
minicomputer,
workstation, personal computer) in termini di capacità
di elaborazione, velocità, costo e impieghi tipici.
Conoscere il significato di terminale intelligente e
terminale stupido.
Componenti di base di un
personal computer
Sapere quali sono le componenti principali di un
personal computer: l'unità centrale di elaborazione
(CPU), l'hard disk, i più comuni dispositivi di
input/output, i tipi di memoria, i supporti rimovibili
come dischetti, USB disk, CD-ROM, ecc. Sapere cosa
significa dispositivo periferico.
Unità centrale di elaborazione
Sapere cos'è l'unità centrale di elaborazione (CPU) e
che cosa fa: calcolo, controllo logico, gestione della
memoria, ecc. Sapere che la velocità della CPU è
misurata in Megahertz (MHz) o Gigahertz (GHz).
Dispositivi di input
Conoscere i vari dispositivi usati per inserire dati nel
computer come mouse, tastiera, trackball, scanner,
touchpad, penna luminosa, joystick, ecc.
Dispositivi di output
Conoscere quali sono i più comuni dispositivi
utilizzati per mostrare i risultati delle elaborazioni del
computer: unità di visualizzazione (schermo, monitor),
stampanti di uso normale, plotter, dispositivi a
microfilm, sintetizzatori vocali, ecc.
Memoria di massa
Distinguere i vari tipi di memoria di massa in termini
di velocità, capacità e costo, per es. hard disk
interni/esterni, DVD, data cartridge, CD-ROM,
dischetti, ecc.
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Appunti sinteticii
(si tratta soprattutto di un memorandum delle cose da conoscere, il cui contenuto è sicuramente da “espandere”
per mezzo di una buona Guida alla ECDL)
Tipi di computer
E’ necessario avere un’idea di quali siano i principali tipi di computer e sulle loro caratteristiche:
a. supercalcolatori
b. mainframe (+ i terminali “stupidi” ad essi collegati)
c. minicomputer (+ i terminali “stupidi” ad essi collegati)
d. workstation
e. personal computer (PC):
1. desktop (da scrivania)
2. laptop (portatili)
3. palmtop (palmari, da taschino, PDA)
tipologia
utilizzo
tipologia di utenti
supercalcolatori
calcoli
estremamente
complessi
mainframe
server di reti
complesse, con
enormi basi di dati
centri di ricerca,
meteorologia, usi
militari
banche e
assicurazioni,
grandi aziende,
enti pubblici
minicalcolatori
mainframe in
miniatura, per
gestire archivi e
programmi
contabili, come
server di reti di
piccole dimensioni
workstation
progettazione
computerizzata ed
elaborazioni
grafiche
personal computer
elaborazione
personale
banche o medie
imprese
utilizzo
professionale,
ambienti di
ricerca, piccole
imprese
privati, piccole
imprese
prezzo
indicativo
milioni di €
costi elevati
software utilizzato
sviluppato
appositamente per
l’uso richiesto
sviluppato
all’interno del
soggetto
utilizzatore
> 25.000 €
preconfezionato
10.000 €
preconfezionato o
sviluppato ad hoc
800-2.500 €
preconfezionato
Si definisce “terminale stupido” un dispositivo (inserito in una rete di computer) che non effettua
nessuna elaborazione, ma si limita alla lettura dei dati immessi ed alla visualizzazione dei risultati.
L’elaborazione è riservata al server di rete.
Se una rete utilizza come terminali dei PC dotati di capacità proprie di elaborazione e di
immagazzinamento dei dati, essi si possono definire anche “terminali intelligenti”.
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Le funzioni di un calcolatore
Schematizzando, le funzioni di un elaboratore elettronico, di un computer, sono classificabili come:
1. elaborazione di dati
2. memorizzazione di dati
3. trasferimento di dati da e per l’esterno
4. controllo su tutte le risorse e componenti del calcolatore
L’architettura di elaborazione è un compromesso tra diverse esigenze
 flessibilità nel calcolo (tanti possibili usi)
 modularità della struttura (ad ogni componente una specifica funzione)
 scalabilità dei componenti (sostituzione con uno migliore)
 standardizzazione dei componenti (sostituzione in caso di difetti)
 abbattimento dei costi (costruzione su vasta scala)
 semplicità di installazione e di esercizio del sistema
 disponibilità di applicativi a basso prezzo
La memorizzazione può essere per periodi brevi (quanto serve per poter elaborare i dati) o lunghi,
per archiviarli.
I compiti di trasferimento sono svolti da unità dedicate, le periferiche di I/O
Il trasferimento su lunghe distanze (mediante rete) è chiamato trasmissione dei dati.
L’elaborazione, la memorizzazione ed il trasferimento dei dati sono sottoposti al controllo da parte
dell’utilizzatore e -internamente al calcolatore- di una apposita unità di controllo, detta CPU.
L’evoluzione dei personal computer
A titolo di esempio, sono riportati nella tabella sottostante i valori di alcuni importanti parametri,
che ci danno la misura della rapida evoluzione delle CPU utilizzate dai personal computer, dal 1978
in poi.
CPU
Intel 8086
Intel 80486
Intel Pentium 4
anno
1978
1989
2004
frequenza in MHz
4,77
25 ÷ 50
2800 ÷ 3800
dimensione registri/ampiezza bus dati
8/16 bit
32/32 bit
32/64 bit
n° transistor
29000
1,2 milioni
125 milioni
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Componenti di base di un personal computer
Vi sono vari tipi di computer, ma tutti rispettano un’architettura di riferimento, uno schema
generale: quello della macchina di Von Neumann [si pronuncia fon noiman] (1947).
CPU
memoria
centrale
memoria
di massa
unità di
I/O
Bus di collegamento
BUS
Schema della architettura base di un calcolatore (o macchina di Von Neumann)
Cominciamo col distinguere le parti macroscopiche di un computer, ossia quello che si vede
dall’esterno:
a. unità centrale (racchiusa in un contenitore, detto all’inglese case)
b. periferiche (dispositivi di input e di output)
Dando uno sguardo al case da fuori possiamo vedere:
1. le porte per i vari tipi di connettori; port vorrebbe dire “porto”, ma si è italianizzato in
“porta”: è il nome che si dà al blocco di piedini (in inglese, pin) di ingresso o di uscita.
Sono di vario tipo:
 seriali (i connettori seriali, disponendo di un solo filo elettrico -più la
massa- fanno passare un bit alla volta)
 parallele (i connettori paralleli dispongono di otto fili più uno per la
massa, quindi fanno passare un intero byte alla volta)
 audio
 video
 power (per dare corrente al computer)
 USB (sono porte seriali di nuova concezione, molto veloci)
2. i cavi di collegamento (o collettori).
Se diamo uno sguardo dentro la scatola (case), vediamo le componenti costitutive del computer:
a. motherboard (scheda madre, su cui sono integrati tutti i chip ed i relativi circuiti
elettrici di collegamento, ossia i bus)
b. CPU, ossia il microprocessore centrale, a cui è demandato il compito di dirigere tutte le
operazioni del computer
c. memoria centrale (RAM ed altre memorie al servizio della CPU: ROM, cache di 1° e
2° livello)
d. memorie di massa (HD, floppy disk, CD-Rom, DVD, cartucce a nastro, ecc.)
e. slot per schede di espansione
Le schede, spesso dei veri computer nel computer, sono dedicate ciascuna ad una particolare
funzione: scheda video, scheda audio; altre schede sono invece fatte per contenere attrezzature
aggiuntive, come ad esempio un modem interno.
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Unità centrale di elaborazione
La CPU: cosa è e cosa fa
 Cosa è: è il microprocessore (Central Processing Unit), ossia un chip integrato, formato da
una piccola piastra di silicio, posizionata sulla scheda madre (motherboard), e sulla cui
superficie sono stati “stampati” milioni di transistor miniaturizzati.
o Sul microprocessore (abbreviato anche in p) sono oggi integrati milioni di
transistori (ancora nel 1979 erano “solo” 29mila, ma si sono moltiplicati nel
frattempo…).
o Sulla scheda madre, oltre alla CPU, si trovano altri chip (con varie funzioni) ed i
collegamenti elettrici necessari.
 Cosa fa: governa tutte le operazioni richieste dai programmi applicativi e dal sistema
operativo. Ossia genera tutti i segnali elettrici occorrenti per far funzionare i circuiti
collegati alla CPU stessa. Inoltre esegue tutti i calcoli, mediante una unità logicomatematica (ALU, ossia Arithmetic-Logic Unit) che nei moderni processori si trova
all’interno della CPU stessa.
o Qualsiasi azione venga compiuta da e attraverso i circuiti che compongono il
computer, essa è sempre la manipolazione più o meno complessa di segnali binari:
tutta l’elettronica digitale si basa su commutazioni di tensione del tipo
“acceso/spento” o “c’è/non c’è tensione sul filo”. In altre parole, tutti i dati
manipolati dal computer sono solo e solamente degli impulsi di tensione, perché i
cosiddetti circuiti “logici” possono solo distinguere i due stati di presenza o assenza
di tensione su una linea elettrica collegata al loro ingresso.
Per inciso: un transistore è sostanzialmente un interruttore; combinandone insieme alcuni, secondo date
modalità, si ottengono circuiti logici, capaci di compiere le funzioni logiche elementari, ossia AND, OR
e NOT. Tanto per esemplificare: una “porta AND”, ossia un circuito elementare capace di compiere la
funzione di AND logico, è quella che ha ai due ingressi una tensione dello stesso tipo, che sarà tale anche
in uscita (in termini logici, associata a 1 la condizione VERO ed a 0 la condizione FALSO, perché sia
vero il risultato dell’AND logico devono essere vere entrambe le condizioni di ingresso: 1 AND 1 dà
ancora 1, quindi VERO, mentre 1 AND 0 dà 0, ossia FALSO; ovviamente, 0 AND 0 dà ancora 0).
La CPU dispone di una propria memoria interna, i registri, per i dati di immediata elaborazione:
dimensioni minime, tempo di accesso estremamente rapido pari ad un ciclo di clock.
Esterna alla CPU, ma integrata sullo stesso chip, in modo da non dover far passare i dati attraverso
il bus, si trova una memoria cache (che utilizza delle RAM statiche, molto veloci), organizzata su
uno o due livelli.
La memoria centrale (la RAM vera e propria) è posta invece esternamente rispetto alla CPU, ed è
quindi collegata attraverso il bus.
La memoria di lavoro
La memoria di lavoro (la memoria centrale, ossia la RAM, ma anche la cache) può essere vista
come una successione ordinata di elementi binari, capaci cioè di assumere uno fra due possibili
stati, indicati convenzionalmente con 0 e 1. Ciascun elemento di memoria può quindi
immagazzinare un singolo bit.
Gli elementi di memoria binari sono raggruppati logicamente in unità minime indirizzabili, dette
celle. Ogni cella può contenere 8, 16, 36, 64 elementi binari, a seconda del tipo di computer.
Si definisce parola di memoria del calcolatore una successione di bit pari al numero di elementi
binari di una cella. Ogni cella ha un indirizzo, che definisce la sua posizione relativa rispetto alla
prima cella di memoria, che ha convenzionalmente l’indirizzo zero.
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La memoria di lavoro di un calcolatore è quindi organizzata come una matrice di celle contigue,
singolarmente indirizzabili, ognuna delle quali può memorizzare una “parola di memoria”, ossia un
numero di byte compreso tra 1 e 8. Un chip di memoria può contenere attualmente miliardi di byte.
Per leggere o scrivere il dato contenuto in una cella di memoria, occorre che la CPU acceda alla
cella mediante il relativo indirizzo. La lettura del dato lascia lo stesso inalterato, mentre la scrittura
lo altera, sostituendo (e rendendo quindi irrecuperabile) il contenuto precedente con uno nuovo.
Allo spegnimento del computer, tutti i dati contenuti della RAM vengono perduti.
Una funzione importante assegnata da alcuni programmi ad una piccola parte della RAM è quella
di buffer.
Una delle funzioni dei buffer è di mantenere in memoria parte dei dati, in attesa della loro
elaborazione. Un’altra è di funzionare come spazio di memoria per il “taglia e incolla” o per la
registrazione degli ultimi comandi usati, in modo da permettere il ripristino dello stato precedente,
in caso di errore o ripensamento. Windows chiama clipboard questo spazio di memoria.
Le memorie di massa
Oltre alle memorie di lavoro (o memorie veloci), la RAM e le cache, esistono memorie non volatili,
la cui funzione principale è di essere usate per la memorizzazione dei dati: si tratta quindi di
memorie permanenti, non volatili.
Si va dai vecchi floppy disk agli hard disk, ai CD-Rom, ai DVD, alle unità a nastro, fino alle recenti
memory pen capaci di contenere anche alcuni GByte di dati ed inseribili “a caldo”, mediante le
porte USB.
Per valutare una memoria si utilizzano diversi parametri: volatilità (ossia perdita dei dati al cessare
dell’alimentazione elettrica), velocità di accesso, velocità di trasferimento dei dati, capacità -ossia
capienza, quantità di dati che vi possono essere immagazzinati-; costo per bit.
Le memorie possono essere basate su tecnologie elettroniche (veloci ma relativamente costose),
magnetiche (con grande capacità, buona velocità, permanenza dei dati anche in assenza di
alimentazione e costo relativamente basso), ottiche (veloci e permanenti, ma con tempi di scrittura
molto alti o non riscrivibili); negli ultimi anni si sono diffuse le memorie flash (elettroniche,
riscrivibili, non volatili, di capacità crescente: ad oggi vi sono già memorie capaci di contenere
alcuni GByte).
Diverso può essere anche il metodo di accesso alle celle di memoria: dato l’indirizzo di una cella da
leggere o scrivere, l’accesso ad essa può essere sequenziale, casuale, misto.
 Accesso sequenziale: le celle sono poste in successione, quindi per leggere un dato occorre
passare prima da tutte le celle che lo precedono. E’ tipico dei dati memorizzati su nastro
magnetico. Ma anche sui dischi ottici, dove i dati sono memorizzati in una spirale continua
che va dal centro alla periferia.
 Accesso casuale: l’accesso ad una cella non richiede di passare da altre celle, ma si va
direttamente all’indirizzo specificato. E’ la modalità tipica della memoria centrale (RAM,
ROM, cache).
 Accesso misto: l’indirizzo di una cella non permette di determinare con precisione la sua
collocazione fisica sul supporto di memorizzazione. L’accesso al dato avviene mediante
l’individuazione della traccia e del settore in cui esso è contenuto, quindi facendo una
lettura sequenziale fino alla cella cercata. E’ il metodo tipico per leggere -o scrivere- i dati
presenti su dischi magnetici (floppy disk, HD); ma anche CD audio, DVD video, dove la
memorizzazione avviene in tracce distinte.
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Il bus
Il bus: cosa è e cosa fa
 Cosa è: il microprocessore e gli altri componenti elettronici che si trovano sulla
motherboard comunicano tra di loro mediante impulsi elettrici che viaggiano attraverso
piste di rame tracciate sulla stessa scheda madre, che si chiamano (proprio per la loro
funzione di trasporto) bus.
 Cosa fa: per fare un paragone, se la CPU è il cervello del computer, i bus rappresentano il
sistema nervoso della scheda madre. Il bus centrale, quello che mette in comunicazione la
CPU con la RAM, si chiama bus di sistema (system bus). Al bus di sistema sono connessi
tutti gli altri bus che collegano la CPU ai vari dispositivi di ingresso e uscita.
 In sostanza, dovendo scegliere tra connettere le componenti del computer -ossia i vari
dispositivi- collegando ciascuna di esse a tutti gli altri, oppure collegare tutti i dispositivi ad
un unico insieme di linee, è stata scelta quest’ultima modalità, cioè appunto la creazione di
un bus.
 Il bus di sistema è definito da un valore che ne misura l’ampiezza, ossia il numero di bit che
possono essere trasferiti contemporaneamente. Mentre sia le CPU che i bus degli anni ’70
erano ad 8 bit (ad esempio quelli del Commodore 64; ma già nell’INTEL 8086 -che
equipaggiava i primi PC dell’IBM- si aveva un bus a 16 bit, capace di trasferire due byte per
volta; bisognerà però arrivare al Motorola 68000, montato sugli APPLE Macintosh e sui
Commodore Amiga, per vedere insieme un processore ed un bus entrambi a 16 bit su
computer di tipo personal), adesso si hanno bus a 64 e a 128 bit, ossia in grado di trasferire
8 o 16 byte contemporaneamente. Attualmente i PC montano delle CPU a 32 bit, con bus a
64 bit.
Dispositivi di input/output
Le periferiche si distinguono in due tipi:
a. di ingresso (input): tutto ciò che permette di introdurre comandi o dati nel computer
 tastiera
 mouse, touchpad o trackball, penna ottica, tavoletta ottica, touch screen
 scanner
 web camera, microfono, ecc.
b. di uscita (output): tutto ciò che permette di ricevere i dati elaborati dalla macchina
 monitor
 casse acustiche
 stampante
 plotter
 videoproiettore
i
Schede relative a questo gruppo di appunti:
 scheda “Dentro il computer” [file dentro il computer.rtf]
 scheda “La motherboard (scheda madre)” [file scheda madre.rtf]
 scheda “Transistor e porte logiche” [file transistor.doc]
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