ICO 2014-15 Appunti 3

Informatica per la comunicazione"
- lezione 3 Ora entriamo dentro il computer
per studiarne i componenti
principali e le loro funzionalità."
Hardware
Componenti
di un computer"
In questo contesto non intendiamo
“computer” nell’accezione originale
di persona che calcola di cui
vogliamo astrarre le operazioni
principali…!
…ma proprio come calcolatore dei
nostri giorni.!
Il componente più importante è la CPU (Central Processing Unit), il processore
in italiano. Nella metafora della persona che fa di conto, la CPU corrisponde al
cervello, perché è la parte del computer che esegue le operazioni.!
CPU"
La CPU è un circuito elettronico costituito da un notevole numero di transistor.
Ogni transistor, per come è costruito, reagisce a stimoli elettrici in ingresso con
una specifica tensione elettrica in uscita (Vout in figura). Quando diciamo che la
CPU esegue delle operazioni, intendiamo dire che le arrivano segnali elettrici
in ingresso che rappresentano i dati e indicano l’operazione da eseguire.!
I transistor della CPU reagiscono agli stimoli e mandano in uscita altri segnali
elettrici, che rappresentano il risultato delle operazioni eseguite.!
I transistor in una CPU sono molto numerosi (oggi
arrivano ai 2 miliardi per processore), e hanno
continuato a crescere di numero da quando le prime
CPU sono state costruite. L’andamento è
curiosamente costante, e prevede un raddoppio ogni
anno e mezzo. Il primo ad accorgersi di questa
tendenza è stato Gordon Moore, co-fondatore di
Intel, una delle più grandi società prodruttrici di CPU,
che ha quindi dato il nome a questo fenomeno, noto
come “legge di Moore”.!
Gordon E. Moore"
3"
La CPU in realtà non è un blocco unitario, ma
possiamo distinguere due parti in base alla loro
funzione. La ALU (Arithmentic-Logical Unit, o unità
aritmetico-logica) esegue le operazioni aritmetiche e
logiche, appunto. !
+"
8"
5"
ALU"
stampa su
schermo"
La CU (Control Unit, o unità di controllo) è invece quella
parte che comanda il trasferimento di informazione da
una parte all’altra del computer. Di fatto, tutto ciò che
avviene nel computer avviene perché dei segnali elettrici
sono stati emessi dalla CU: anche l’ingresso di dati nella
ALU, per esempio, è comandato dalla CU che esegue le
istruzioni scritte nei programmi dati al computer.!
“ciao”"
CU"
Ma da dove provengono i dati e le istruzioni che vengono
elaborati dalla CPU?!
3"
stampa"
+"
5"
“ciao”"
?"
Riprendiamo la metafora della persona che fa di conto.
I dati di un problema sono scritti sul suo quaderno.!
Presentiamo il secondo componente del computer, che
corrisponde al quaderno da cui chi fa di conto prende i
dati, e su cui annota i passaggi intermedi e i risultati finali.
Questo componente si chiama RAM (Random Access
Memory), o memoria centrale in italiano.!
RAM"
Anche la RAM è costituita da circuiti elettronici con numerosi transistor. La
configurazione appare più complessa perché lo scopo della RAM non è di rispondere a
degli stimoli elettrici inviando segnali in uscita, ma di conservare al suo interno
l’informazione che le viene inviata. Realizzare una memoria richiede una composizione
di transistor più complessa.!
Il nome in inglese della RAM vuole sottolineare la caratteristica del dispositivo di
memoria che permette l’accesso alle informazioni in esso contenuti in qualunque
posizione. Si può scegliere un punto di accesso casuale (random access), e la RAM è in
grado di fornire il dato presente in quel punto. Il nome italiano, invece, sottolinea il ruolo
centrale svolto dalla RAM all’interno del calcolatore: la RAM lavora in strettissimo
contatto con la CPU.!
operazioni, operandi "
risultati"
Dalla RAM provengono i dati e le operazioni che la CPU deve eseguire su di loro. !
I risultati ottenuti in uscita dalla CPU vengono a loro volta memorizzati sulla RAM.!
8"
Vediamo ora le altre componenti che partecipano alle operazioni del computer:
chiaramente con solo la CPU e la RAM non arriviamo a visualizzare il risultato di
un’operazione sullo schermo.!
3"
+"
5"
Abbiamo detto che i dati e le operazioni da eseguire sono memorizzate nella
RAM.!
3"
+"
5"
Dalla RAM, vengono trasferiti alla CPU, per ordine della CPU stessa (o meglio,
della CU) che preleva istruzioni da eseguire dalla RAM in continuazione,
dall’accesione del computer al suo spegnimento.!
8"
Ottenuto il risultato in uscita dalla ALU, esso viene mandato alla RAM…!
8"
…dove viene memorizzato.!
stampa su schermo"
8"
La CPU continua a prelevare istruzioni dalla RAM e
caso vuole che la prossima comandi una stampa su
schermo del risultato dell’operazione fatta in
precedenza.!
8"
La CU nella CPU recepisce il comando, e invia appositi
segnali per far eseguire il trasferimento del risultato dalla
RAM verso lo schermo.!
Scheda grafica"
8"
I segnali della CU fanno sì che il dato venga trasferito
dalla RAM al componente che gestisce i segnali da
inviare allo schermo: la scheda grafica (o graphic card in
inglese)…!
* 8"
…e dalla scheda grafica allo schermo. Quest’ultimo
trasferimento è più complesso degli altri perché dalla
codifica digitale dell’informazione bisogna passare alla
versione analogica adatta all’essere umano di fronte allo
schermo: non più segnali elettrici, bensì onde luminose
che rappresentano un segno.!
La scheda grafica mostra di avere una ventola. In realtà, anche la CPU è sempre
accompagnata da una ventola, che si accende non appena il lavorio dei calcoli alza la
temperatura dei circuiti facendola avvicinare a una soglia d’allerta. Senza ventilazione,
ogni processore fonderebbe a causa della sua stessa attività (spostare elettroni da una
parte all’altra produce calore). Di fatto, la scheda grafica ha un suo processore, la GPU
(Graphical Processing Unit), a cui la CPU centrale delega l’esecuzione di istruzioni
legate alla visualizzazione su schermo. Per la visualizzazione di un semplice ‘8’ la CPU
se la cava tranquillamente, ma nel caso di applicazioni grafiche più pesanti come i giochi
elettronici, la CPU si appoggia alla GPU per potersi dedicare ad altro. !
GPU"
E’ un po’ come se la mano del calcolatore umano avesse un piccolo cervello
locale che la guida nella scrittura, senza impegnare il cervello principale. !
* C’è un altro motivo per porre un asterisco sul
trasferimento di informazione dalla scheda graficha allo
schermo.!
Questo è il primo trasferimento che esce dai confini
della scatola che racchiude i componenti interni del
computer.!
Periferica"
I componenti esterni del computer si chiamano
periferiche. Lo schermo è, appunto, una periferica del
computer.!
Periferiche
di input"
Le periferiche di input sono quelle che permettono il
flusso di informazioni dall’esterno verso l’interno del
computer.!
Periferiche
di output"
Le periferiche di output, viceversa, sono quelle che
permettono il flusso di informazioni dall’interno verso
l’esterno del computer.!
Avete notato che il Wii controller era in entrambi i gruppi
di periferiche? Questo perché esistono periferiche che
permettono il flusso di informazione in entrambe le
direzioni. Nel caso del Wii controller, esso permette
all’utente di muovere il cursore nel menu della Wii
oppure di controllare il gioco (input), ma, in determinate
situazioni di gioco o quando il cursore passa sopra una
voce selezionabile del menu, esso vibra, fornendo
informazione all’utente (output).!
Nel seguente lucido il Wii controller è mostrato con altre
periferiche che sono sia di input sia di output.!
Wii controller
(Nintendo)!
PS3 Dual Shock
controller (Sony)!
Touch screen
dell’iPhone (Apple)!
Chiavetta
USB (Lacie)!
Hard Disk
esterno (WD)!
In particolare, focalizziamoci sulla chiavetta
USB e l’hard disk esterno…!
…anch’essi, come la RAM,
sono dispositivi di memoria.!
In realtà esiste un altro
dispositivo di memoria
interno al computer: l’hard
disk, o hard drive, noto
anche come disco fisso o
disco rigido, in italiano.!
HD"
Confrontiamo la RAM con l’HD. Hanno caratteristiche
complementari che fanno sì che entrambi siano
necessari per il buon funzionamento di un computer.!
E’ un dispositivo elettronico fatto di
transistor. !
E’ un dispositivo magnetico fatto da
dischi e una testina di lettura e scrittura.!
E’ volatile: mantiene il contenuto
memorizzato solo mentre è
alimentata dall’elettricità. Una volta
spento il computer, senza elettricità
perde il suo contenuto. !
Memorizza i dati sotto forma di domini
magnetici orientati nei suoi dischi. Come
le calamite, essi non si esauriscono mai,
e conservano l’informazione, anche
senza elettricità. E’ non volatile.!
E’ molto veloce e riesce quindi a
lavorare in sincronia con la CPU.!
E’ molto lento, quindi viene usato per
conservare l’informazione a computer
spento o per fare spazio nella RAM.!
SSD"
Recentemente, in alternativa al
classico HD magnetico, viene offerto
un nuovo tipo di HD, detto SSD (Solid
State Disk), che ha la stessa
caratteristica di non volatilità, ma è
basato su tecnologia elettronica,
quindi senza parti meccaniche
(dischi, testine) che possono
guastarsi, e più veloce.!
Viene da chiedersi perché l’SSD non
venga proposto come alternativa alla
RAM volatile. In realtà, l’SSD, come
le altre memorie elettroniche non
volatili (chiavette USB, schede SD
“Secure Digital” tipiche delle
macchine fotografiche digitali), pur
essendo più veloci dell’HD
magnetico, sono comunque molto più
lente della RAM, e non riuscirebbero
a lavorare in sincronia con la CPU
(che arriva a lavorare a frequenze di
3 GHz, ossia a compiere 3 miliardi di
operazioni al secondo).!
L’HD magnetico rimane ancora la
soluzione più diffusa per la
conservazione di informazione a
computer spento, perché
decisamente la più conveniente dal
punto di vista dei costi. La tecnologia
SSD è relativamente nuova, ed
ancora molto cara.!
Di fatto, l’HD è dove tutta
l’informazione deve essere
memorizzata prima dello
spegnimento del computer. Quando
“salvate” un documento, ciò che state
facendo è ordinarne la
memorizzazione nell’HD. L’HD è
l’origine dei dati e delle istruzioni che
dalla RAM vanno alla CPU. Prima di
tutto vengono trasferiti dall’HD alla
RAM. Questo è quello che succede
quando accendete un computer: per
un po’ di tempo dovete attendere
perché sta avvenendo questo
trasferimento.!
Tutti i componenti di un computer sono collegati tra di loro attraverso un canale che
trasporta segnali elettrici che rappresentano i dati, le operazioni su tali dati, e i comandi
della CPU alle varie parti del computer. Il canale prende il nome di bus. Quando
collegate una perifericha al computer (la stampante o una chiavetta USB “Universal
Serial Bus”), la state in realtà connettendo al bus per renderla parte del sistema.!
Bus"