M1-U1-Hardware - Antonio Scanu

Modulo 1 – Hardware
Unità 1 – Elementi interni
Prof. Antonio Scanu
1 Elementi di Base
Il termine “informatica” deriva dall'unione dei termini INFORMazione e automATICA. Si
tratta della materia che studia le informazioni e come trattarle in modo automatico.
Il calcolatore (o computer) è una macchina che opera la trasformazione di dati, cioè è una
apparecchiatura che accetta dati in ingresso, li elabora secondo una sequenza predefinita
di operazioni (calcoli o scelte) e fornisce risultati sotto forma di dati o di azioni. L’ elabora tore è:
automatico in quanto, dopo essere stato opportunamente predisposto e avviato,
funziona da solo, senza interventi esterni;
elettronico perché sfrutta largamente la tecnologia elettronica, pur avendo parti
meccaniche ed elettromeccaniche;
digitale perché opera su numeri (dal termine inglese digit che significa "cifra'') opportunamente codificati, e non su segnali analogici (il termine "analogico" indica il
fatto che le informazioni sono rappresentate da segnali continui in analogia al fenomeno fisico che rappresentano).
Il computer "comprende" solo impulsi elettrici, per cui tutti i dati che inserisci (numeri, lettere, segni di interpunzione e così via) devono essere convertiti in impulsi elettrici affinché
possano essere memorizzati. Ogni impulso elettrico si definisce bit (binary digit = cifra binaria) e può essere immaginato come una lampadina che, come ben sai, ha solo due stati: accesa e spenta. Nel primo caso, il bit si trova nello stato 1 (che significa passaggio di
corrente), nel secondo caso si trova nello stato O (che significa non passaggio di corrente).
Pertanto, gli unici simboli che il computer riconosce sono le cifre O e l. Potrà sembrarti
strano, ma tutte le meravigliose cose che un computer sa fare sono solo frutto di combinazioni di 0 e di 1.
Il bit è definito, anche, come l'unità elementare di informazione che può assumere solo
due stati, corrispondenti appunto a “0” e “1”.
Per comodità i bit vengono raggruppati in gruppi di 8 e questo insieme prende il nome di
byte. Nei moderni calcolatori la quantità di informazioni gestite è notevole, dell'ordine di
milioni di byte, per cui risulta inadeguato esprimere tale capacità in semplici byte. Si usano per questo i multipli del byte. Per semplicità si utilizzano gli stessi prefissi utilizzati per
altre grandezze fisiche quali la distanza o il peso, facendo però una piccola semplificazione. Poiché i multipli dei byte sono potenze di 2, non arriveremo mai ad avere delle cifre
uguali a quelle del sistema decimale. Queste vengono quindi approssimate. Per indicare
1024 byte (cioè 210) si utilizza il Kilo poiché si tratta di circa un migliaio di byte.
2
Unità di misura per la memorizzazione delle informazioni
Simbolo
in Bit
in Byte
in potenze di 2
1 b (bit)
1
1/8
21= 2 stati
1 B (byte)
8
1
28= 256 caratteri
1 KB ( kilobyte)
8.192
1.024
210byte
1 MB (megabyte)
8.388.608
1.048.576
220byte
1 GB (gigabyte)
8.589.934.592
1.073.741.824
230byte
1 TB (terabyte)
8.796.093.302.40
0
1.099.511.628.0
00
240byte
In ingegneria elettronica e informatica con il termine hardware si indica la parte fisica di
un computer, ovvero tutte quelle parti elettroniche, meccaniche, magnetiche, ottiche che
ne consentono il funzionamento.
Più in generale il termine si riferisce a qualsiasi componente fisico di una periferica o di
una apparecchiatura elettronica.
L'etimologia del vocabolo nasce dalla fusione di due termini della lingua inglese, hard
(duro, pesante) e ware (manufatto, oggetto), in contrapposizione con il software, la parte
logica (e perciò soft, "morbida, leggera") che compone il personal computer costituendone
insieme all'hardware le cosiddette applicazioni.
Il software è l'informazione o le informazioni utilizzate da uno o più sistemi informatici e
memorizzate su uno o più supporti informatici. Tali informazioni possono essere quindi
rappresentate da uno o più programmi, oppure da uno o più dati, oppure da una combinazione delle due.
Il firmware è un programma, inteso come sequenza di istruzioni, integrato direttamente in
un componente elettronico nel senso più vasto del termine (integrati, schede elettroniche,
periferiche). Lo scopo del programma è quello di avviare il componente stesso e consentirgli di interagire con altri componenti tramite l'implementazione di protocolli di comunicazione o interfacce di programmazione.
Il termine deriva dall'unione di "firm" (azienda) e "ware" (componente), indica che il programma non è immediatamente modificabile dall'utente finale, ovvero risiede stabilmente
nell'hardware integrato in esso, e che si tratta del punto di incontro fra componenti logiche e fisiche, ossia fra hardware e software.
2 I tipi di computer
Finora abbiamo parlato di computer. Occorre adesso definire anche le diverse tipologie di
computer presenti in commercio. Oggi si sente parlare quasi esclusivamente di personal
computer. In realtà, questa non è che una delle differenti categorie alle quali questa macchina può appartenere, ma ne esistono molte altre, diffuse soprattutto nelle aziende.
3
I computer si differenziano per due qualità specifiche: la prima è la potenza, data da un
insieme di caratteristiche che riguardano la dimensione della memoria e la velocità di elaborazione; la seconda è la capacità di gestire più utenti collegati e viene chiamata multielaborazione. La seguente tabella illustra le principali tipologie di computer e di dispositivi
mobili, dai meno potenti fino a quelli più potenti e poco diffusi.
PDA
(Personal
Digital
Assistant)
Sono dispositivi mobili dalle ridotte dimensioni e
capacità di memoria, spesso tascabili ma con le
stesse caratteristiche dei computer più grandi
ARTPHONE
Si tratta di un dispositivo mobile rappresentato
da un telefono cellulare con abbinate le funzioni
di un PDA. La caratteristica più interessante degli
smartphone è la possibilità di installarvi ulteriori
applicazioni, chiamate App che aggiungono nuove funzionalità.
TABLET PC
Si tratta di un computer portatile formato dal solo
schermo, che consente di interagire con esso grazie allo schermo touch screen.
LAPTOP
Si dividono in NetBook, UltraBook e NoteBook, a
seconda delle dimensioni e della potenza. I primi
hanno una ·dimensione assai limitata e non sono
dotati in genere il lettore CD; i secondi sono i più
costosi in quanto possiedono le stesse caratteristiche di potenza dei notebook, seppure con dimensioni più limitate di questi ultimi. Si tratta di
computer le cui caratteristiche principali sono il
peso e le dimensioni ridotte per facilitarne il trasporto. Solitamente i laptop sono alimentati da
una batteria ricaricabile. li prezzo elevato è determinato dai componenti elettronici miniaturizzati
che lo compongono. La maggior parte dei notebook utilizza uno Schermo a cristalli liquidi (LCD)
e come periferica di puntamento un touch pad.
PERSONAL
COMPUTER
(PC)
È il
computer più diffuso al mondo, con la caratteristica principale di avere un prezzo non eccessivo in rapporto alla capacità di elaborazione. Si
compone di diversi elementi, tra i quali spiccano
le periferiche viste nel paragrafo precedente.
4
MAINFRAME
Possiede una notevole potenza di calcolo. Si tratta di grandi calcolatori centrali che, rispetto ai
mini computer, possono collegare centinaia di
terminali. li loro utilizzo è fondamentale in tutti
quegli ambiti che richiedono capacità di calcolo
molto superiori a quelle consentite dai mini computer o dai personal computer.
SUPER
COMPUTER
Il
supercomputer è progettato per ottenere potenze di calcolo estremamente elevate ed è dedicato
ad eseguire calcoli a elevate prestazioni. Presenti
presso centri di ricerca universitari o aziende private, vengono in genere usati per effettuare calcoli necessari alla progettazione o allo sviluppo di
nuovi prototipi oppure per svolgere analisi meteorologiche, analisi molecolari, simulazioni fisiche e
altro ancora. I militari e le agenzie governative di
tutte le nazioni ne fanno un uso molto intenso.
Anche le aziende industriali ne stanno sperimentando l'utilità per i calcoli di previsione e di gestione di grandi volumi di dati.
3 il case e la scheda madre
Osservando la figura qui sopra si nota che un computer è formato da varie parti: schermo,
tastiera,mouse ecc., tutte collegate a dispositivi presenti all'interno di un contenitore di
metallo, denominato modulo base. Paragonandolo al corpo umano, potremmo dire che il
modulo base rappresenta la "testa", cioè la parte del corpo che contiene il cervello e il
"centro della memoria". Il modulo base, infatti, contiene tutte le componenti fondamentali
necessarie per poter "manipolare" le informazioni.
Il contenitore di metallo, privo di tutti i dispositivi in esso presenti, prende il nome di case
e assume nomi diversi in base alla conformazione; in particolare: Desktop (da tavolo) e
Tower (verticale). Quest'ultimo, a seconda delle caratteristiche di grandezza, prende il
nome di Micro Tower, Esistono infine computer detti All-ln-One (unico blocco), con schermo e case in un unico blocco.
5
Il case di un computer è facilissimo da aprire (l'interno deve essere accessibile per aggiungere o sostituite alcune componenti): alcuni si aprono svitando poche viti, altri sfruttando
un semplice sistema a incastro.
All'interno del case, la prima componente che attrae la nostra attenzione è una grande
piastra piena di elementi elettronici di tutti i tipi: è la scheda madre (o piastra madre o
motherboard), componente fondamentale del computer. La scheda madre è la componente che funge da piattaforma di comunicazione per tutte le altre, ovvero a essa vengo no collegate tutte le parti del PC, che così possono dialogare fra loro.
Tutti i componenti per funzionare hanno bisogno di essere collegati all'alimentazione. L'alimentatore è dotato anche di ventole per disperdere il calore in modo da evitare che il
processore si danneggi.
L'alimentatore ha vari connettori di output per l'energia che si collegano a connettori sulla
scheda madre e altri che servono per alimentare le varie unità (disco, floppy, CDROM).
I computer portatili o notebook usano batterie ricaricabili; le batterie al litio hanno una
buona autonomia e sono leggere; le batterie al nichel-idrogeno sono più economiche.
4 La CPU
Una unità di elaborazione centrale ( CPU ), indicato anche come una unità centrale di ela borazione, è l'hardware all'interno di un calcolatore che esegue le istruzioni di un programma. Le componenti principali della CPU sono :
1. L'UNITÀ ARITMETICO LOGICA : Questa unità, detta ALU (Aritmetic Logic Unit), realizza le principali funzioni logiche ed è in grado di eseguire le operazioni aritmetiche
elementari e di confronto,
2. I REGISTRI: La CPU è dotata di una propria memoria locale, composta da diversi registri con funzioni ben definite. I registri sono poco capienti al massimo 64 bit ma
molto veloci però in grado di memorizzare le informazioni in modo non permanente.
3. UNITÀ DI CONTROLLO: Questo dispositivo rappresenta il cuore dell'intero sistema
di elaborazione, dato che controlla il funzionamento di tutti gli altri elementi che
6
compongono il sistema di elaborazione. In particolare, l'unità di controllo ha il
compito di decodificare e interpretare istruzioni, generando i segnali di attivazione
di tutti gli organi esecutivi contenuti nel computer, al ritmo degli impulsi forniti da
un temporizzatore (clock)
I vari tipi di CPU presenti sul mercato si differenziano in base alla classe, alla frequenza
del clock e alla dimensione dei registri. La classe è indicata da una sigla. Tra i maggiori
produttori di microprocessori troviamo lntel, AMD, Motorola, Appie.
L'lntel, per esempio, ha usato per i suoi modelli le denominazioni: 80286,
80386, 80486, Pentium, Pentium II,Pentium III, Pentium IV, Celeron, Centrino, Pentium Dual Core, Pentium Core 2 Duo, i3, i5,i7
L'AMD, invece, ha usato per i suoi modelli le denominazioni: Sempron,
Athlon, Phenom
I microprocessori delle classi più recenti sono solitamente più performanti rispetto a quelli
delle classi più vecchie. Un processore che costituisce la punta avanzata della tecnologia
informatica può diventare vecchio in meno di un anno e decisamente obsoleto in un anno
e mezzo.
La frequenza di clock misura, per così dire, i "battiti del cuore" del computer. Il clock è un
orologio molto veloce, che non può essere paragonato ai nostri orologi da polso! La sua
frequenza,infatti, è dell'ordine dei Gigahertz (GHz), ossia di miliardi di oscillazioni al secondo (1GHz = 1000 MHz); solo dieci anni fa la frequenza di clock era di 400-800 MHz. Per
esempio, un computer che lavora a 4 GHz (o 4000 MHz) esegue quattro miliardi di azioni
elementari al secondo (considera che un'istruzione è composta da molte azioni elementari).
Questa frequenza è un importantissimo indice della velocità del computer: maggiore è la
frequenza, maggiore sarà la quantità di dati elaborati nell'unità di tempo. Classe e frequenza di clock sono i principali indicatori delle prestazioni di un computer,
5 La memoria centrale
La memoria di un computer è costituita dall'insieme dei dispositivi che conservano i dati
e i programmi.
La memoria di un computer si divide in due grandi categorie: memoria centrale (o primaria) e memoria di massa (o secondaria). La prima è una memoria veloce, direttamente utilizzabile dalla CPU per eseguire le operazioni richieste dal programma, mentre la seconda
è una memoria più lenta sulla quale la CPU non può lavorare direttamente, ma sulla quale
immagazzina grandi quantità di dati.
Ci soffermeremo più avanti sulla memoria secondaria, per ora concentriamoci su quella
centrale, che è formata da tre tipi di memoria: RAM, ROM e Cache.
5.1 La memoria RAM
Nello specifico la memoria RAM (Random Access Memory) è il supporto di memoria su cui
la CPU può leggere e scrivere informazioni con un accesso casuale, ovvero in cui è possibile accedere direttamente a ogni singola cella semplicemente conoscendone l'indirizzo.
Mentre usiamo il computer, sulla RAM viene conservata, momento per momento, la gran
parte dei dati sui quali stiamo lavorando e delle istruzioni relative ai programmi che stiamo usando. Rappresenta, quindi, il "banco di lavoro" del computer, nel senso che tutti i
7
programmi, per potere essere eseguiti, devono risiedere nella memoria RAM. Se un programma si trova su una memoria di massa, occorre dapprima trasferirlo in memoria RAM,
per poterlo eseguire.
Pensa a un CD contenente un videogioco: per poter giocare, non fai altro che inserire il CD
nel drive e, eventualmente, fare doppio clic sull'icona che lo rappresenta. In questo modo
il videogioco sarà prelevato dal CD e portato in memoria centrale e solo dopo questo trasferimento si potrà utilizzare.
La RAM presenta l'inconveniente di essere una memoria volatile, ossia perde il suo contenuto quando viene spento il computer. Per questo motivo, quando lavori con un'applicazione, è buona regola salvare con frequenza il lavoro fatto: in caso contrario, se venisse a
mancare l'energia elettrica perderesti tutti i tuoi dati.
La memoria RAM è contenuta in piccole schede hardware dalle varie capacità. Vi sono
vari tipi di RAM.
Nella pratica si usano sempre RAM dinamiche (DRAM, Dynamic RAM) per l'elevata capacità e per i costi più bassi rispetto a quelle statiche (SDRAM, Static RAM). Quest' ultime
sono più veloci delle prime, ma molto ma più costose. La RAM dinamica è soggetta alla
scarica, cioè tende a perdere l'informazione in essa contenuta per questo ha bisogno di
un continuo aggiornamento (refresh) della memoria.
Le memorie che si usano attualmente nei personal computer sono di tipo SDRAM (Synchronous Dynamic RAM), cioè sincronizzate con il microprocessore. In particolare attualmente si utilizzano le DDR3 SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic RAM ) memorie dinamiche sincronizzate che trasferiscono i dati a doppia velocità. Attualmente ne gli elaboratori vengono montare Ram da 4GB fino a 8GB.
5.2 La parola di memoria
La memoria è formata da un insieme di celle numerate progressivamente partendo da
zero. Il numero che le contraddistingue, espresso come sequenza di bit, è detto indirizzo
ed è molto importante, perché a un'informazione contenuta nella memoria si può fare riferimento solo tramite l'indirizzo della cella che la contiene.
Il concetto di cella è strettamente collegato con quello di parola, che è una configurazione
di uno o più byte. Pertanto, la lunghezza della parola (cioè il numero di bit di cui è compo sta) definisce la dimensione della cella e quella dei registri della CPU.
Le parole sono composte da un numero di bit multiplo di otto (32, 64 e così via) e si parla
di "sistemi a 32 bit", "sistemi a 64 bit" e così via. Più alto è il numero di bit che compongo no la parola, maggiore è, in genere, la velocità del computer.
5.3 La memoria ROM
Per svolgere il suo compito, la CPU ha bisogno anche di una parte di memoria non volatile,
contenente una serie di informazioni fondamentali per il funzionamento del computer. Per
8
esempio, le informazioni su quali siano i dispositivi presenti sulla scheda madre e su
come comunicare con essi. queste informazioni non possono essere date "dall'esterno",
perché senza di esse la stessa comunicazione con l'esterno è impossibile. Non possono
nemmeno essere volatili, perché se lo fossero scomparirebbero nel momento in cui si
spegne il computer, e alla successiva riaccensione non sapremmo come reinserirle, dato
che il computer stesso non "ricorderebbe" più come fare per comunicare con l'esterno.
Devono, pertanto, essere a portata di mano, sulla scheda madre, e conservate da una
memoria non volatile. Si tratta del cosiddetto BIOS (Basic Input-Output System). La memoria non volatile che conserva questi dati è in genere considerata memoria a sola lettura, o
memoria ROM (Read Only Memory), anche se ormai questa denominazione è inesatta: si
usano infatti sempre più spesso a questo scopo moduli di memoria non volatile "aggiornabili" in caso di necessità (Flash memory). Attualmente le Rom sono capienti 4KB.
PROM
Nelle ROM la programmazione avviene durante il loro processo di costruzione attraverso
procedure particolari e costose. Una versione più flessibile, che consente all'utente di pro grammare autonomamente i contenuti binari, è rappresentato dalle PROM (Programmable ROM). Le PROM sono quindi memorie ROM programmabili una sola volta.
EPROM
Le EPROM (Erasable PROM) rappresentano una prima soluzione al problema della riprogrammabilità che limita l'uso delle ROM e delle PROM. In questi dispositivi è prevista la
possibilità di rimuovere la programmazione mediante l'esposizione del chip alla radiazione
ultravioletta: a tale cancellazione scopo il chip presenta una piccola finestra di quarzo tra sparente alle radiazioni ultraviolette. Il processo di cancellazione prevede l'esposizione del
chip alle radiazioni per un periodo di 15-20 minuti. Gli inconvenienti connessi alla modali tà di cancellazione per queste memorie sono:
Non consente una cancellazione selettiva, tutta la memoria deve essere cancellata.
Il procedimento di riprogrammazione può essere ripetuto un numero limitato di volte
(alcune decine di volte).
La riprogrammazione avviene off-line, cioè occorre togliere il chip dalla scheda madre
e inserirlo nel sistema programmatore di EPROM, a radiazione ultravioletta.
La necessità di proteggere la finestrella da un'esposizione prolungata alla luce solare,
il cui contenuto di radiazione ultravioletta potrebbe alterare il contenuto delle celle di
memoria. Il chip di memoria viene protetto con una striscia di carta sopra la finestrella.
EEROM
Le memorie EEROM o E2ROM (Electronically Erasable ROM) sono memorie di tipo programmabile e cancellabile come le EPROM, ma offrono alcuni vantaggi rispetto ad esse:
9
tempi di cancellazione sono nell'ordine delle decine di millisecondi contro i 20-30 minuti richiesti dalle EPROM.
la cancellazione richiede tensioni molto più basse, rispetto a quelle necessarie per le
EPROM, e possono essere fornite dallo stesso alimentatore della scheda madre: quindi il processo di cancellazione può essere realizzato online, cioè senza togliere la memoria dalla scheda madre. Per questo motivo queste memorie sono spesso chiamate
anche RAM non volatili.
Flash-EPROM
Flash-EPROM sono simili alle EEPROM,e si programmano elettricamente direttamente sulla piastra, sono più veloci e sono programmabili per settori. Per le loro prestazioni posso no anche essere usate come memorie a lettura-scrittura. Quando vengono usate come
ROM sono anche definite Flash-ROM. La memoria flash è particolarmente indicata per la
trasportabilità, proprio perché non richiede alimentazione elettrica per mantenere i dati e
occupa poco spazio. E comune nelle fotocamere digitali, nei lettori di musica portatili, nei
cellulari, nelle pendrive (chiavette), nei palmari, nei moderni computer portatili e in molti
altri dispositivi che chiedono un'elevata portabilità e una buona capacità di memoria per il
salvataggio dei dati. Memorie flash dalle dimensioni ridotte utilizzate in tali dispositivi
sono le micro flash.
5.4 Memoria cache
La memoria cache (letteralmente memoria ripostiglio) è una memoria più veloce della
RAM, ma con una capacità di memorizzazione molto più bassa. La cache memory si trova
logicamente situata tra la memoria centrale e il microprocessore. Nella cache memory viene mantenuta una copia di una parte della memoria centrale, cercando di conservare le
informazioni statisticamente più richieste, in modo da sostituire parte degli accessi in memoria centrale con accessi alla cache memory che è più veloce. La gestione della memoria è trasparente all'utente, cioè l'utente opera con i suoi programmi come se la memoria
cache non ci fosse: può solo osservare un aumento di velocità nella memoria centrale.
Esistono tre livelli di cache. Le memorie cache di terzo livello sono attualmente di dimen sioni paria a 3 o 4 MB nei portatili e fino a 6 MB nei computer desktop.
10