Architettura del Calcolatore - Hardware
Cos’è un computer?
A prescindere dalle dimensioni e dal luogo in cui si trova,
può essere definito come un elaboratore elettronico digitale
• elaboratore
in grado di immagazzinare ed elaborare dati in
base ad una serie di istruzioni (il programma)
• elettronico
evidentemente utilizza componenti elettronici.. :-)
• digitale
elabora informazioni convertendole in segnali
digitali basati sul sistema binario
La domanda “cos’è un personal computer”, però,
richiede una risposta più precisa.
Hardware
Desktop computer
Mainframe
Lavatrice Wr@p
Computer: tipologie
• supercomputer
• mainframe
• minicomputer
• personal computer
• network computer
• terminali
Maggiore potenza di calcolo
Calcolo parallelo
Computer: tipologie
• supercomputer
• mainframe
funzioni centralizzate di
elaborazione dati
• minicomputer
dimensioni notevoli
• personal computer
• network computer
• terminali
Computer: tipologie
• supercomputer
• mainframe
• minicomputer
• personal computer
• network computer
• terminali
meno potenti dei mainframe
dimensioni variabili
Computer: tipologie
• supercomputer
Utilizzo individuale:
• mainframe
• desktop
• minicomputer
(da scrivania)
• workstation (professionale)
• notebook
(portatile)
• personal computer
• tascabili, palmari
• network computer
(dimensioni ridotte,
funzioni ridotte)
• terminali
Computer: tipologie
• supercomputer
• mainframe
• minicomputer
• personal computer
• network computer
• terminali
Terminali con capacità di
calcolo e spesso anche di
immagazzinamento dati
Computer: tipologie
• supercomputer
• mainframe
• minicomputer
• personal computer
• network computer
• terminali
Terminali “stupidi”, nessuna
potenza di calcolo, sfruttano
quella di un server cui si
collegano
Computer Portatili
Un laptop (spesso chiamato anche notebook) è un computer
portatile progettato per poter essere trasportato in una valigia
– la più parte dei laptop presentano dimensioni di
30x23x5 cm.
Un palmtop è un computer ancora più maneggevole, capace
di essere sostenuto con una sola mano, delle dimensioni
medie di 15x8x2cm.
Personal computer
Ibm Pc - 1981
Apple ][- 1977
Altair 8800 - 1975
PC Acer Veritron - 2004
Xerox Alto - 1973
La Apple
Apple Macintosh - 1984
Apple Cube – 2000
Apple iMac G5 - 2004
Hardware: esempi di case
Il case (o cabinet) è il contenitore, l’involucro in cui
vengono montati la scheda madre, i dischi e le varie
schede di cui è composto un personal computer
Silicon Graphics Tezro
PowerMac G4
La forma del case può
essere dettata, oltre che
da motivi pratici, anche da
considerazioni estetiche. Il
parallelepipedo grigio non
è d’obbligo!
La facilità di accesso
alla parte interna
può variare molto.
Nei PowerMac è
sufficiente
manovrare una leva
Case generico per Pc
Hardware: un case smontato
Parte anteriore
Alloggiamenti dischi
Vista laterale
Scheda madre
Parte posteriore
Alimentazione
Tipi di case
Hardware
“L’hardware è la parte che si può prendere a calci; il software
quella contro cui si può solo imprecare”.
HARDWARE
Il termine “hardware” è riferito a tutte le parti del computer che si
possono toccare. Le componenti esterne al computer (in
generale, anch'esse definite hardware) sono dette periferiche.
Componenti esterni
Porte
Tastiera
Mouse
Porte Audio In/Out/Mic
Porte PS2 Tast./Mouse
Porte USB
Connettore Ethernet per la rete
Uscita Monitor DVI
Porta parallela
Uscita Monitor VGA
Porta seriale
Monitor
Componenti opzionali
Modem
Stampante
Scanner
Scheda di rete
Componenti Interni
CPU
Scheda
madre
(motherboard)
Disco fisso
Interno di un unità centrale
Un po’ di storia
L’architettura di Von Neumann
Prima proposta di architettura di
unelaboratore
Risale al 1946
Schema
generale
di
tipo
funzionale delcalcolatore
Macchina di Von Neumann
Unità
di
elaborazione
(CentralProcessing Unit)
Acquisisce, interpreta ed esegue istruzioni
Contiene istruzioni e dati
Periferiche: memoria di massa, input, output
CPU
Memoria centrale
o
Permettono scambio di informazioni con l’esterno
Bus di sistema
Collega i vari elementi del calcolatore
Architettura a BUS
L’architettura più consolidata per il calcolatore prevede unità funzionali fra loro collegate
attraverso un unico canale di comunicazione, il bus
Il bus è fisicamente realizzato mediante un insieme di conduttori elettrici
Dispositivi di Input/Output
CPU
Memoria
principale
I/O
I/O
I/O
BUS
Indirizzi
Dati
Controllo
Il BUS
Il bus è utilizzato per trasferire dati fra le unità funzionali
L’unità che inizia il trasferimento (in genere la CPU) fornisce l’indirizzo, che individua univocamente il dato,
sulle linee del bus indirizzi,
indirizzi e configura le linee del bus controllo,
controllo inviando un comando al dispositivo che
contiene il dato (es. READ)
Il dato da trasferire è reso disponibile sul bus dati e viene ricopiato nel dispositivo destinatario
Indirizzo a
32 bit (32 fili)
CPU
0008AB38
Memoria
principale
0008AB38
CPU
5F66B102
Memoria
principale
5F66B102
0008AB38
0008AB38
5F66B102
READ=1 MEM=1
READ=1 MEM=1
5F66B102
Dato a 32 bit (32 fili)
trasferito dalla memoria principale alla CPU
La scheda madre
La scheda madre
La
motherboard
è
probabilmente
il
componente più importante di un computer;
svolge funzioni di integrazione e comunicazione
tra tutti gli altri.
organizzazione (forma e design)
supporto per il processore
supporto per le periferiche (numero e
tipo di alloggiamenti)
prestazioni
(indirettamente e
direttamente,
attraverso il chipset)
possibilità di aggiornamenti/espansioni
Il chipset
Il chipset è l’insieme dei processori
collocati sulla scheda madre che si
incaricano di gestire e coordinare il
funzionamento di tutti i componenti
presenti su di essa.
Il Socket
Il Socket (zoccolo) è il connettore, presente su ogni mainboard, sul quale
alloggia il microprocessore.
Lo zoccolo ha diversi formati, determinati i vari tipi di CPU utilizzabili:
Socket 370 (Celeron)
Socket 7 ( Intel Pentium, Pentium MMX, AMD k5/K6/K6-2/K6-III, Cyrix)
Slot 1( Pentium II e III,Celeron)
Slot A (Amd Athlon)
Socket A (462) - AMD Duron, AMD Athlon
Socket 754/939/940 - AMD Athlon 64 /FX 64
Socket 478 – Celeron, Pentium IV 478 fino all’anno 2004
Socket 775 – Pentium IV LGA775 a partire dal 2004
Socket 603/604 – Intel XEON
Il clock
Componenti diversi del computer sono sincronizzati in
base a clock diversi.
diversi
Sulla scheda madre esiste un circuito che genera il
clock principale;
principale un “tick” di questo clock rappresenta
la più piccola unità di tempo durante la quale può
essere eseguita un’elaborazione di qualche tipo.
Il “clock” principale è usato come base da altri circuiti
che ne generano multipli o sottomultipli,
sottomultipli per regolare
le operazioni di dispositivi più veloci o più lenti.
Il processore
Il processore è il chip singolo più importante. La
velocità a cui opera è, di solito, diverse volte il clock
di base generato dalla motherboard. Tale velocità si
misura in Megahertz (milioni di cicli) per secondo.
AMD Athlon XP
Intel Pentium 4
CPU – Central Processing Unit
Il Processore (CPU) è la componente più complessa, svolge
tutte le operazioni di manipolazione dei dati.
Ha il compito di elaborare i dati presenti in memoria secondo le
indicazioni ricevute da programma tramite appositi comandi.
Si può definire la CPU come il “cervello” del computer.
La CPU è composta da un’unità di controllo (CU), e da un’unità
aritmetico logica (ALU).
La potenza della CPU si valuta in:
velocità, che si misura in MHz (Milioni di cicli per secondo)
-insieme di operazioni che è in grado di svolgere
-milioni di operazioni che svolge in un secondo (MIPS)
-
CPU
È costituita da tre elementi fondamentali:
Unità Aritmetico−Logica (ALU)
Registri
Unità di Controllo (CU)
BIU
registri
Bus Interface
Unit
}
EU
Execution Unit
PC Contatore di programma
(Program
Program Counter)
Counter
ALU
BUS
CU
IR
Registro Istruzione
(Instruction
Instruction Register)
Register
CPU – Central Processing Unit
A livello “macroscopico”, ad ogni impulso di clock la CPU:
“legge” il suo stato interno (determinato dal contenuto dei registri di stato) e la
sequenza di ingresso (determinata dal contenuto dei registri istruzioni e registri
dati)
produce un nuovo stato “dipendente” dallo stato in cui si trovava originariamente
In pratica, la CPU realizza una complessa funzione logica, con decine di ingressi e di
uscite
la corrispondente tabella della verità avrebbe un numero enorme di righe (miliardi
di miliardi)
ALU – Arithmetic Logical Unit
E’ il componente più importante dell’intero processore in quanto
elabora,
elabora nel vero senso della parola, i dati provenienti dalla
memoria.
memoria
Il compito di questa unità è unicamente quello di eseguire i
calcoli, le operazioni logiche e di confronto richieste dall’unità di
controllo.
+
-
*
/
AND
OR
NOT
<
>
=
<>
ALU – Arithmetic Logical Unit
L’ALU (Arithmetic−Logic Unit)
Unit è un circuito
in grado di eseguire operazioni aritmetiche
e logiche su 2 operandi, rappresentati su n
bit (es. 32/64 bit); oltre al risultato
dell’operazione può produrre informazioni
ulteriori su linee specifiche (il risultato è
zero, si è verificato un overflow, il risultato
è negativo)
ALU op eration
a
AL U
Z ero
R e sult
O verflo w
b
C arryO ut
Il tipo di operazione selezionata, in un dato istante, dipende dallo stato di alcune linee di
controllo provenienti dalla CU
Le operazioni logiche (es. AND) vengono eseguite bit a bit fra i due operandi
Esiste una unità specializzata per le operazioni in virgola mobile (FPU
FPU)
ALU
Set di istruzioni di base:
somma (da cui sottrazione)
scorrimento (shift)
(da cui moltiplicazione e divisione)
operazioni di accesso alla memoria
trasferimento di un dato da una locazione di memoria ad un’altra
trasferimento da memoria a un registro della CPU
trasferimento da un registro della CPU a memoria
operazioni di confronto (sufficiente confronto con zero)
Le operazioni sono eseguite all’interno della ALU e “coordinate” dall’unità di
controllo
}
OPERAZIONI LOGICHE
Oltre alle classiche operazioni aritmetiche, la CPU è in grado di eseguire
operazioni tra valori booleani (vero, falso) che restituiscono un valore
booleano come risultato.
Le operazioni logiche di base sono:
AND: restituisce vero solo quando entrambi gli operandi sono veri
OR: restituisce falso solo quando entrambi gli operandi sono falsi
NOT: opera su un solo operando, restituendone l’opposto
Tramite la combinazione di questi operatori è possibile rappresentare
condizioni logiche anche molto complesse.
Per rappresentare lo stato, il computer usa un bit: 1=Vero, 0=Falso.
Un’operazione logica fra byte consiste nell’applicare l’operazione ai singoli
bit che li compongono, in base alla posizione:
10011011 AND 10100110 = 10000010
Registri
Name
EAX
31
0
Use
GPR 0
ECX
GPR 1
EDX
GPR 2
EBX
GPR 3
ESP
GPR 4
EBP
GPR 5
ESI
GPR 6
EDI
GPR 7
CS
Code segment pointer
SS
Stack segment pointer (top of stack)
DS
Data segment pointer 0
ES
Data segment pointer 1
FS
Data segment pointer 2
GS
Data segment pointer 3
EIP
EFLAGS
Registri del
Pentium
Instruction pointer (PC)
Condition codes
I registri sono dispositivi di memorizzazione che consentono un accesso molto veloce ai dati che
contengono; hanno dimensioni prefissate (es. 32/64 bit)
Alcuni registri hanno funzioni specifiche (es. contatore di programma)
Nella maggior parte delle architetture le operazioni della ALU si possono effettuare solo fra dati
presenti in due registri
Il risultato di un’operazione effettuata dalla ALU viene normalmente memorizzato in un registro
Registri
Lo stato della CPU è costituito da informazioni (memorizzate negli opportuni
registri) su:
dati da elaborare (contenuti nei Registri dati - Ri)
dati provenienti dalla memoria a seguito di lettura o da ricopiare in
memoria in caso di scrittura (contenuti nel Registro dati di Memoria MDR)
indirizzo della locazione di memoria nella quale si trova il dato in R/W
nel MDR (Registro indirizzi di memoria - MAR)
indirizzo in memoria della prossima istruzione da eseguire (PC Program Counter)
istruzione da eseguire (nel registro istruzioni - RI)
eventuali anomalie/eventi verificatisi durante l’elaborazione (nei registri
flag o Registro di Stato)
CU- Control Unit
L’unità di controllo coordina e controlla l’esecuzione dei
comandi impartiti alla CPU. Gestisce il reperimento di dati e
istruzioni dalla memoria interna ed il loro collocamento in
apposite locazioni, dette registri, per poter essere elaborati
dall’ALU.
I comandi vengono interpretati secondo regole ben precise e
differenti per ogni tipo di microprocessore.
Dopo che l’ALU ha elaborato i dati, è di nuovo la CU che si
occupa di copiare i risultati nella memoria RAM.
Struttura della CPU
Ciclo fetch-decode-execute (1)
L’unità di controllo (CU) del processore esegue una
istruzione svolgendo le seguenti tre operazioni di base
Fetch (lettura)
Decode (decodifica)
Execute (esecuzione)
Un programma è eseguito reiterando il ciclo fetch-decodeexecute (ciclo macchina) per eseguire ordinatamente le sue
istruzioni
La frequenza con cui si eseguono i cicli di esecuzione è
scandita dal clock (orologio interno)
Ciclo fetch-decode-execute (2)
1) FETCH:
si accede alla prossima istruzione, riferita dal registro contatore
dell’istruzione (PC)
si porta tale istruzione dalla memoria centrale al Registro Istruzioni
(IR)
Ciclo fetch-decode-execute (3)
2) DECODE: decodifica dell’istruzione
si individua il tipo dell’operazione e gli operandi (dati) usati
si trasferiscono i dati nei registri opportuni
3) EXECUTE: esecuzione dell’istruzione
si incrementa il registro contatore dell’istruzione (PC)
ciascuna azione viene richiesta al componente opportuno
Il processore:prestazioni
Esistono diversi criteri per valutare la performance di
un processore.
Sono tutti più o meno discussi o discutibili.
• Velocità di clock (MHz)
• Mips (millions instructions per second)
• Flops (floating-point operations per second)
•
iCOMP, iCOMP 2.0 (Intel COmparative Microprocessor
Performance)
• P-rating, SPECint, SPECfp (real-world benchmarks)
COPROCESSORI E PROCESSORI PARALLELI
In realtà all’interno dei moderni computer non c’è un solo processore che
svolge tutti i tipi di elaborazione.
Il processore principale è affiancato da un insieme di microchips accessori
(coprocessori) adibiti a specifiche funzioni, quali la gestione delle operazioni
di input-output, della tastiera, dell’USB (Universal Serial Bus), dei Floppy
disk, dei dischi fissi, della memoria, del PCI (Peripherical Component
Interconnect), dell’audio, del video, ecc…
L’insieme dei processori accessori su mainboard è detto CHIPSET.
Un particolare processore accessorio è il coprocessore matematico, il cui
compito è esclusivamente quello di svolgere in maniera ottimizzata le
operazioni matematiche in virgola mobile. Nelle moderne CPU il
coprocessore matematico è integrato all’interno della CPU stessa.
Oltre ai processori secondari, un computer può presentare più processori
principali che lavorano in contemporanea, suddividendosi equamente il
carico di lavoro, ciò al fine di incrementare le prestazioni complessive della
macchina; si parla allora di processori paralleli.
CU
Unità di controllo
RAM
DISCHI
ALU
Unità aritmetico
logica
ROM
UNITA’
REMOVIBILI
MEMORIE
Nella memoria vengono archiviati tutti i dati che sono poi elaborati dalla
CPU. Si distingue in:
MEMORIA INTERNA o CENTRALE (O PRIMARIA)
Formata da microcircuiti elettronici chiamati microchip.
Si divide in:
RAM: Random Access Memory
ROM: Read Only Memory
MEMORIA DI MASSA (O SECONDARIA)
E’ composta da unità di memorizzazione periferiche capaci di
mantenere i dati nel tempo, quali:
DISCHI FISSI
DISCHI REMOVIBILI
UNITA’ DI BACKUP
MEMORIA PRIMARIA (INTERNA)
I dati e le istruzioni che devono essere elaborati dalla CPU sono
contenuti in diversi tipi di memoria primaria.
Caratteristiche della memoria primaria:
•
•
•
veloce
volatile
implementata con circuiti elettronici
MEMORIA RAM
Random Access Memory (memoria ad accesso casuale)
E’ il principale tipo di memoria interna.
Accesso casuale non significa che i dati sono sparpagliati a caso
all’interno della memoria senza alcun criterio; bensì che al
processore occorre sempre lo stesso tempo per accedere a una
qualsiasi (casuale) parte della memoria.
La memoria RAM è una memoria volatile, ciò significa che
quando si spegne il computer tutti i dati contenuti nella
memoria RAM vengono persi.
La grandezza della RAM viene misurata in megabyte; maggiore
è la quantità di RAM, più spazio sarà disponibile per i dati sui
quali può operare la CPU per l'elaborazione.
La memoria centrale (Ram)
Esistono diversi tipi di Ram. L’utilizzo dell’uno
o dell’altro è legato al processore, o
semplicemente alle esigenze particolari del
computer su cui dovranno funzionare (per i
computer portatili hanno evidentemente
importanza le dimensioni dei chip).
INDIRIZZAMENTO DI MEMORIA
Ogni cella della memoria è identificata da un numero,
chiamato Indirizzo di Memoria.
In questo modo ogni dato all’interno della memoria
presenta una precisa collocazione, ed è pertanto
possibile recuperarlo, o decidere dove memorizzarlo,
indicandone l’indirizzo.
Lo spazio di indirizzamento indica il massimo indirizzo di
memoria rappresentabile, ed è vincolato al numero di bit
utilizzati per rappresentare gli indirizzi di memoria.
Ad esempio, prevedendo 2 bytes (16 bits), l’indirizzo
massimo rappresentabile sarà 65535, ciò spiega il limite
massimo di memoria supportata dai vecchi computer a
16 bit.
Indirizzi
Memoria
..
5
..
34
34342
234
34343
43
34344
32
34345
234
34346
112
34347
22
34348
4
34349
22
..
54
..
125
MEMORIA ROM
Read Only Memory (Memoria a sola lettura)
E’ un tipo di memoria a sola lettura contenente dati e istruzioni che non
possono essere modificati.
Il computer può soltanto leggere informazioni e istruzioni dalla ROM, ma non
può scrivervi alcunché.
All’interno di essa vengono immagazzinate e memorizzate le istruzioni di
base che coordinano il funzionamento del PC e non sono modificabili
dall’utente.
In questa memoria si trovano i programmi che servono per l’avvio della
macchina, i cosiddetti programmi di sistema e il BIOS (Basic Input Output
System) sistema di base per il controllo di entrata ed uscita. Poiché i dati e i
programmi contenuti nella ROM sono stati inseriti dalla fabbrica, in questi
casi si parla di Firmware.
Memorie non volatili: la Rom
Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi tipi di Rom:
•
Rom
Read Only Memory
• Prom
Programmable Read Only Memory
• EProm
Erasable Programmable Read Only Memory
• EEprom
Electrically Eras. Progr. Read Only Memory
L’unico tipo veramente di sola lettura è il primo,
e il più vecchio. Le flash ROM, aggiornabili via
software, sono quelle di uso corrente.
Le ROM sono utilizzate anche in dispositivi
diversi dai personal computer
(ad esempio negli arcade e cellulari)
MEMORIA CACHE
La memoria cache: è un tipo di memoria velocissimo nel
reperimento e nella memorizzazione dati, collocata a stretto
contatto con la CPU. Tale memoria è adibita
esclusivamente a contenere i dati che la CPU deve
elaborare. La memoria cache è necessaria in quanto il
processore è molto veloce e la memoria RAM non sarebbe
in grado di rispondere prontamente alle sue richieste.
Nei processori di ultima generazione la memoria cache è
stata collocata all’interno del processore stesso per
ottimizzarne le prestazioni.
BUFFER, STACK, CODE E PILE
Capita spesso di dover archiviare momentaneamente alcune
informazioni nell’attesa che possano essere elaborate e quindi
smaltite.
La logica di trattamento di tali dati temporanei può essere di
tipo:
CODA (FIFO: First In First Out)
CODA
Il primo dato entrato è il primo ad uscire;
è così che lavora il BUFFER
PILA (LIFO: Last In First Out)
Il primo dato entrato è l’ultimo ad uscire;
è così che lavora lo STACK
PILA
BUS DATI
bus indirizzi che indica la posizione in memoria
bus informazioni che trasporta i dati da elaborare
RAM
ROM
BUS
CPU
PCI
USB
FDC
IDE
BUS
Il BUS è un canale, cui sono collegati più componenti, che si
occupa di condurre le informazioni all’elemento del computer
cui sono destinate.
All’interno di un computer esistono più BUS che rendono
possibile il transito dei dati dalle periferiche alla memoria,
dalla memoria ai processori, dai processori alle periferiche,
dalla CU all'Alu.
Se non esistesse tale meccanismo di trasporto, sarebbe
necessario, per ogni componente del computer, tracciare un
collegamento fisico distinto verso ognuno degli altri dispositivi.
Ogni bus è composto da due elementi:
PCI-Express vs PCI
PCI- Express
4x,
16x,
1x,
16x
PCI
MEMORIE DI MASSA
1.
2.
3.
più lente di quella primaria
permanenti
tecnologie ottiche o magnetiche
USARE LA MEMORIA DI MASSA
Quando si scrive un documento con un computer il programma di
videoscrittura risiede in memoria RAM, così come il documento che stiamo
editando.
Poiché la RAM è volatile, se vogliamo poter recuperare il documento in un
secondo momento, è necessario memorizzarlo su Memoria di Massa sotto
forma di FILE.
Si definisce:
SALVATAGGIO di un file l’operazione di memorizzazione da RAM a
memoria di massa
APERTURA (o caricamento) di un file l’operazione opposta di
recupero da memoria di massa a memoria RAM
SALVATAGGIO
APERTURA
SUPPORTI MAGNETICI, OTTICI,
MAGNETO-OTTICI, MEMORIE FLASH
Esistono più tipi di memoria permanente:
Supporti Magnetici (dischi fissi, floppy, zip, nastri…)
Sfruttano la capacità di superfici magnetiche di trattenere lo stato
‘magnetizzato/non magnetizzato’ facile da cambiare e rileggere tramite una
testina di lettura/scrittura che li converte in segnali elettrici
Supporti Ottici (CD-ROM, DVD, Blue-ray…)
Usano la caratteristica di ‘riflessione/non riflessione’ di un raggio laser.
Supporti Magneto-Ottici
Sfruttano la superficie magnetica per memorizzare i dati e quella ottica per
allineare la testina
Memorie Flash (usate da camere digitali, agende elettroniche,...)
Un tipo particolare di memoria elettronica che permette di mantenere lo stato
delle proprie celle anche alla disconnessione dal segnale elettrico.
DISCO FISSO
Il DISCO FISSO è la principale unità di registrazione
permanente del PC ed è in grado di conservare grandi quantità
di dati e programmi.
E’ formato da uno o più dischi magnetici rigidi che girano
continuamente ad altissima velocità e da due o più testine di
lettura che si spostano per accedere ai dati richiesti.
E’ molto veloce nell’accesso ai dati (ma molto meno della
RAM), che reperisce con accesso diretto.
A differenza dei dati caricati nella RAM, le informazioni su disco
fisso restano memorizzate quando di spenge il computer.
I dischi fissi
• Tecnologia impiegata:
magnetica
• Capacità di memorizzazione:
~120GB
• Velocità di accesso ai dati:
alta, nell’ordine
delle decine di ms
Struttura dei dischi
Settori
Tracce e
cilindri
Partizionamento
Il partizionamento divide il disco fisico in volumi
logici.
logici E’ un’operazione necessaria anche se si
intende usare un unico volume.
Nei sistemi operativi Microsoft, ciascun volume viene
identificato da una lettera dell’alfabeto (C:\, D:\,
ecc.).
FORMATTAZIONE, TRACCE E SETTORI
Prima di poter scrivere su un supporto di memorizzazione
è necessario compiere l’operazione di formattazione che
consiste nel predisporre degli spazi all’interno dei quali
troveranno posto le informazioni.
Nel caso dei dischi la suddivisione è rappresentata da
cerchi concentrici (detti tracce) a loro volta ripartiti in
segmenti (detti settori) adibiti al contenimento dei dati.
Tale suddivisione permette di identificare i punti nei quali i
file sono memorizzati.
Esiste uno spazio particolare, detto FAT (File Allocation
Table), all’interno del quale è memorizzato l’indice del
contenuto dei settori. Tale tabella permette di conoscere
la collocazione dei blocchi di informazione che
compongono i file.
traccia
settore
settore
settore
ACCESSO DIRETTO
Si ha accesso diretto (o casuale) ai dati quando,
ovunque sia l’informazione richiesta, la si può
raggiungere
immediatamente,
senza
dover
attraversare un percorso; è questo i caso della
memoria RAM e di dispositivi a disco quali Dischi Fissi,
Floppy, Zip, CD, JAZ, ecc..
Si ha accesso sequenziale ai dati quando,
per raggiungere l’informazione richiesta, è
necessario scorrere tutte le informazioni
presenti fino a posizionarsi sul punto
richiesto. E’ questo il caso dei dispositivi a
nastro
quali
DAT,
Videocassette,
Musicassette, ecc..
testina
nastro
ACCESSO SEQUENZIALE
UNITA’ REMOVIBILI
Tali unità permettono anch’esse di registrare dati in maniera
permanente, ma su supporti piccoli e facilmente trasportabili.
I supporti sono di solito meno capienti del disco fisso e prevedono
tempi di accesso più lenti.
Si distinguono dispositivi ad accesso diretto
Zip da 100-200 MB, LS 120,
Floppy da 3.5” da 1.44 MB
Unità JAZ da 1-2 GB,
Unità CDRW, DVD±R, HD DVD, Blue-ray, ecc…
Memorie Flash: Pen Drive, Memory Cards (SD, XD, RS, CF, SM)
e dispositivi ad accesso sequenziale
Nastri, unità DAT, ecc…
I dischetti (floppy disk)
•Tecnologia impiegata:
magnetica
•Capacità di memorizzazione:
1,44 MB
•Velocità di accesso ai dati:
bassa
Supporti removibili, introdotti nel 1971 nel formato a 8’’.
Utilizzati per il trasporto ed il backup dei dati, oggi sono
spesso rimpiazzati da unità più capienti e veloci.
Anche i dischetti vanno formattati. Il partizionamento non è
invece necessario.
Altri supporti removibili
•Tecnologia impiegata:
magnetica
•Capacità di memorizzazione:
variabile
•Velocità di accesso ai dati:
media
Sono state sviluppate diverse alternative ai floppy disk.
Tra queste, degne di nota sono lo Iomega Zip e l’Imation
Superdisk. Il primo ha una capacità di circa 100 MB, e il
secondo di 120.
Cd e Dvd
• Tecnologia impiegata:
ottica
• Capacità di memorizzazione:
CD, fino a 700 MB;
DVD, fino a ~16GB
• Velocità di accesso ai dati:
media, nell’ordine
delle centinaia di ms
La tecnologia alla base di Cd e Dvd venne sviluppata nel
1982. Esistono ormai diversi standard, che definiscono il
modo di scrivere informazioni sui supporti, così come il tipo
di supporti e le loro caratteristiche.
HD DVD e Blue-ray
• Tecnologia impiegata:
ottica
• Capacità di memorizzazione:
HD DVD, fino a 60 GB;
Blue-ray, fino a 50 GB
• Velocità di accesso ai dati:
media
Basati sulla stessa tecnologia di fondo di CD e Dvd, ma
utilizzano laser dalla lunghezza d’onda più piccola, quinid
sono in grado di registrare più dati.
Due standard in competizione, ma pare abbia vinto Blue-ray.
Unità di backup
Le unità a nastro vengono usate specificamente per il
backup, non per lo spostamento dati. La ragione è che
questa tecnologia consente solo un accesso sequenziale al
contenuto del nastro.
I loro punti di forza stanno nella capacità di memorizzazione
e nel basso costo dei nastri.
Unità a nastro (DAT)
Tape library
MEMORIA VIRTUALE
La memoria virtuale: è una memoria fittizia lentissima, in
quanto consiste in una ‘simulazione’ di memoria interna
ottenuta utilizzando una parte del disco fisso. Tale memoria si
rende necessaria quando la memoria RAM non è abbastanza
capiente da contenere tutte le informazioni sulle quali stiamo
lavorando: il computer ricorre allora al disco fisso per
memorizzare le informazioni eccedenti.
Tale memoria è utile in quanto permette di utilizzare il
computer anche quando la memoria RAM è completamente
occupata, tuttavia è bene non farne troppo uso se non si vuol
incorrere in evidenti rallentamenti di prestazioni della propria
macchina.
GERARCHIA DELLE MEMORIE
FILE, FORMATO DI FILE
FILE
Un file (archivio) è un insieme di informazioni fra loro collegate e
memorizzate su memoria di massa.
Ogni file ha un nome che consente al sistema di memorizzarlo e recuperarlo
in qualsiasi momento, e solitamente un percorso per una più agevole
memorizzazione.
FORMATO DI FILE
In un file si possono memorizzare informazioni di diversi tipi, quali testi,
immagini, suoni, animazioni, ecc…
Il formato di un file, definisce il tipo di informazioni memorizzate al suo
interno ed il modo in cui lo sono disposte al suo interno.
TIPI DI FILE
E’ importante aprire un file con il corretto programma di elaborazione.
Ad esempio, sarebbe inutile tentare di aprire un file contenente un suono con
un programma di disegno.
Per distinguere il tipo di informazioni contenute in un file (che ricordiamo
essere semplicemente una lunga catena di 0 e 1) viene definito il Tipo di
File. Ad ogni tipo di file è associato uno o più programmi adibiti alla sua
elaborazione.
I vari sistemi operativi utilizzano differenti meccanismi per riconoscere il tipo
di un file; ad esempio i sistemi Windows identificano il tipo tramite
l’estensione del nome del file (gli ultimi caratteri dopo il punto) mentre i
sistemi Mac inseriscono all’interno ogni file la descrizione del tipo (nel
Resource Fork).
ESEMPI DI TIPI DI FILE
IMMAGINI:
gif, jpg, tif, aif, pic, pcx, iff, …
SUONI:
wav, mid, snd, mp3, …
VIDEO:
avi, mpg, mov, divx, …
TESTO:
txt, doc, asc, rtf, wpd, wri, …
ESEGUIBILI:
exe, com, …
DOCUMENTI WEB:
htm, asp, php, …
DATABASE:
mdb, dbf, db2, …
Dispositivi di I/O
Input
Microfono
Scanner
Tastiera
Mouse
Modem
Input /
Output
Drive
Processore
Scheda di
rete
Output
Casse
Monitor
Stampante
Masterizzatore
Input: tastiere
La tastiera è senza dubbio il dispositivo di input più comune
ed usato.
Il layout, ovvero la disposizione dei tasti, non è casuale:
nelle macchine da scrivere era pensato per ridurre le
possibilità che i martelletti relativi si accavallassero.
Diversi dei layout esistenti prendono
il nome dalle prime sei lettere della
prima riga (alfabetica). Il più diffuso
è il layout QWERTY (altri layout:
QZERTY, AZERTY, DVORAK)
Input: tastiere
Le tastiere si sono evolute principalmente in due settori:
l’aumento delle funzioni disponibili, in seguito all’aggiunta di tasti
(tasti funzione, tastierino numerico, funzioni multimediali, Internet)
• la modifica della forma. Oggi è abbastanza comune trovare tastiere
“ergonomiche”, che dovrebbero ridurre eventuali problemi alle
articolazioni derivanti dall’uso prolungato.
Input: tastiere
Per l’uso con dispositivi portatili, e per quello in ambienti
particolari, sono state create tastiere dalle
caratteristiche peculiari:
Tastiera virtuale
Tastiera “arrotolabile” ed impermeabile
Input: gli scanner
Lo scanner è un dispositivo che consente al computer di acquisire
immagini, fotografie e pagine di testo.
Esistono diversi tipi di scanner:
gli scanner piani sono i più diffusi, in quanto presentano il miglior
rapporto prezzo/prestazioni;
gli scanner “a tamburo” sono rivolti all’uso professionale, ed hanno
costi decisamente elevati.
La scansione permette di “leggere” una superficie come matrice di
punti, quindi come immagine.
Tuttavia esistono software in grado di effettuare il riconoscimento dei
caratteri presenti, dividendo la “pagina” digitalizzata in testo e
immagini.
Tali software sono detti OCR (Optical Character Recognition).
Il risultato dipende, ovviamente, sia dalla qualità del software che da
quella del supporto cartaceo originale.
Lettori codice a barre
Lettore di carte
magnetiche
Lettori codice a barre
Unità di lettura
codice a barre
Penna ottica
Input: dispositivi di puntamento
Con la diffusione di
interfacce utente grafiche
(MacOS, Windows, ecc.)
sono stati sviluppati
dispositivi di puntamento
sempre più evoluti.
Alcuni dei quali si adattano
particolarmente bene a
specifici contesti d’uso.
• Mouse
• Trackball
• Touchpad
• Trackpoint
• Tavoletta grafica
Il mouse
Il primo mouse venne progettato da
Douglas Engelbart nel 1968, ma perché
si diffondesse commercialmente fu
necessario attendere una decina di anni.
Oggi i mouse stanno rimpiazzando
anche le ultime parti meccaniche
con tecnologie ottiche; sono
inoltre sempre più comuni le
versioni senza fili.
Trackball e altro…
Trackman Wheel
Trackpoint. Comune nei portatili IBM
Joystick
TrackMan A onde radio
Tablet, dispositivi hands-free
Tavoletta grafica con mouse e penna ottica
Dispositivi di puntamento “hands-free”
Dispositivi di output: monitor
Le tecnologie più importanti utilizzate nella costruzione dei monitor sono il
tubo a raggi catodici e i cristalli liquidi.
LCD
CRT
•
•
(Liquid Crystal Display)
(Cathode Ray Tube)
CARATTERISTICHE
Risoluzione
Dot pitch (solo per i CRT)
Refresh
(solo per i CRT, negli LCD è fisso)
Consumo
Monitor - Risoluzione
La risoluzione è la quantità di dettaglio che un monitor è in grado di fornire.
E’ espressa in pixel.
I monitor CRT sono in grado di
supportare diverse risoluzioni,
corrispondenti a diversi standard
definiti nel corso degli anni (640x480
corrisponde allo standard VGA).
Nei monitor LCD, invece, la
risoluzione è fissa, perché a ciascun
pixel corrisponde un transistor. E’
possibile comunque “scalare”
l’immagine (ma si perde in qualità).
Risoluzione
Dimensioni
(consigliate)
monitor
Dot pitch
Il Dot pitch rappresenta la distanza, in millimetri, tra le triadi di
fosfori che compongono lo schermo.
Minore è la distanza, più ravvicinati
dell’immagine, che appare meglio definita.
risultano
gli
elementi
Oggi, un dot pitch accettabile dev’essere nell’ordine degli 0,26mm.
Refresh
Il refresh rate rappresenta il numero di volte che lo schermo viene
ridisegnato in un secondo.
Per i monitor a tubo catodico, un basso refresh (meno di 60 Hz) implica
uno sfarfallio fastidioso.
Nei monitor LCD, a causa della diversa tecnologia non vale l’assunto
per cui maggiore è il refresh, migliore la qualità.
Consumo
Il monitor è tra i componenti che consumano di più. Per questo motivo, sono
state elaborate diverse linee guida per ridurre il consumo (e, di
conseguenza, i costi):
DPMS
APM
ACPI
(Display Power Management Signaling)
(Advanced Power Management)
(Advanced Configuration and Power Interface)
Tali sistemi di gestione definiscono delle interfacce tra il sistema operativo e
quei componenti hardware in grado di gestire la propria alimentazione.
Risparmio energetico
Un monitor dotato di
impostazioni di risparmio
energetico si porta in uno stato di
consumi ridotti, quando il segnale
in input resta inalterato per un
certo tempo. I sistemi operativi
odierni, a partire da Windows 95,
supportano questa funzionalità. È
possibile, ad esempio, prevedere
a seguito di un periodo d’inattività,
che il computer vada in standby,
dove il monitor funziona ancora,
senza visualizzare alcuna
immagine, o si spenga.
Dispositivi di output: stampanti
Tecnologie di stampa principali
ad aghi
a trasferimento termico
a getto d’inchiostro
laser
Stampanti ad aghi
Le stampanti ad aghi sfruttano l'impatto di una griglia di aghi contro un nastro
inchiostrato, trasferendo così l'inchiostro sulla carta.
La qualità di stampa dipende
dal numero di aghi. Questo
tipo di stampante è piuttosto
rumorosa e la qualità della
stampa ottenuta risulta
abbastanza scadente.
Si tratta di una tecnologia
ormai obsoleta.
FX 880 – 9 pin
Stampanti a trasferimento termico
Le stampanti a trasferimento termico possono stampare solo su carta speciale,
ma hanno il vantaggio di non prevedere l’uso di inchiostri.
sono ora usate prevalentemente in contesti applicativi specifici
Stampanti a getto d’inchiostro
Le stampanti a getto d’inchiostro, come suggerisce il nome, sono dotate di
ugelli che spruzzano l’inchiostro sulla pagina, indirizzandolo in maniera da
formare il testo e le immagini richieste.
Sono abbastanza
silenziose, ma quanto
a velocità e qualità di
stampa sono in genere
inferiori alle
stampanti laser.
Stampanti laser
Utilizzano una tecnologia simile a quella delle fotocopiatrici:
• un laser crea un’immagine
della pagina su un tamburo
fotosensibile;
• sul tamburo viene applicata
una polvere molto fine (il toner)
che aderisce unicamente alle
aree sensibilizzate;
• il tamburo viene applicato alla
pagina, trasferendo il toner su
carta.
HP LaserJet 4550
Stampanti multifunzione
Esistono poi dispositivi che concentrano le funzionalità di più periferiche in una
sola, tipicamente per venire incontro alle esigenze di piccole aziende
intenzionate a risparmiare spazio e denaro o ad utenti domestici evoluti.
Di solito le funzionalità
integrate sono quelle di una
stampante laser, di uno
scanner, di una fotocopiatrice
e di un fax
HP OfficeJet g95
Plotter
Il plotter è un dispositivo di stampa di grosse dimensioni, in cui la testina di
stampa è costituita da uno o più pennini di diversi colori.
• viene utilizzato per riprodurre
grafici, schemi tecnici o altri
disegni al tratto di carattere
analogo.
• I plotter trovano largo utilizzo
nel settore CAD (Computer
Aided Design) e sono in grado di
operare su fogli di grandi
dimensioni.
Valutazione
I costi di una stampante non sono, chiaramente, riducibili a quelli dell’acquisto.
I costi di mantenimento dipendono dalla tecnologia scelta: nastri per le
stampanti ad aghi, cartucce per quelle a getto d’inchiostro, toner per le
stampanti laser.
Il tipo di stampe condiziona inoltre il tipo di carta, e dunque il suo costo.
Da una media di questi fattori, si può tentare di ottenere, caso per caso, il costo
per singola copia.
Schede audio
Storicamente, la diffusione delle schede audio è legata al
supporto che fornivano ai giochi per computer. Ancor oggi
tali schede presentano, nella parte posteriore, un
connettore per un joystick.
Il supporto ai giochi (e non solo) è oggi ampliato grazie a
sonorità tridimensionali, che per essere apprezzate rendono
però necessario un sistema di altoparlanti adeguato.
Oltre all’aspetto ludico, oggi è possibile sfruttare le
potenzialità di una scheda audio per “fare musica”, con
l’ausilio di software adeguati, o per utilizzare applicazioni
multimediali o, infine, per usufruire della qualità audio dei
film su DVD-Rom.
Schede video
La funzione delle schede video è quella di consentire il
collegamento ad un monitor e, a volte, anche ad altri
dispositivi, come televisori e videoregistratori.
I componenti di base di una scheda video sono i seguenti:
• Bios video
• Processore video
• Memoria video
• Digital-to-Analog converter (DAC)
• Connettore per il bus (AGP, PCI o PCI-Express)
Interfacce di I/O
In generale, si tratta dei collegamenti con le periferiche
interne o esterne.
•
Ide, Eide (Integrated Drive Electronics), (Enhanced Ide)
•
S-ATA
Serial Ata (Serial AT Attachment)
•
SCSI
Small Computer System Interface
•
porte seriali
COM
•
porte parallele
LPT
•
USB
Universal Serial Bus
•
Firewire
i.Link, IEEE 1394
•
IrDA
InfraRed Data Association
•
Wi-Fi, Bluetooth
Wireless Fidelity
Ide/Eide – Serial ATA
Con la sigla IDE si fa riferimento ad unità disco con un controller integrato.
Sui PC sono di solito presenti due connettori IDE, ciascuno dei quali in grado
di collegare due periferiche.
Lo standard utilizzato dai dischi IDE per trasferire dati è l’ATA (AT
Attachment), la cui ultima incarnazione, l’Ultra Ata-130, supporta un
transfer rate di 130 MB/s.
SATA
Il Serial Ata rappresenta l’ultima versione di dispositivi ad interfaccia ATA.
Il trasferimento di dati è di tipo Seriale (come per l’USB e il FireWire) e
raggiunge performance più elevate degli standard precedenti: 150 MB/s
In più offre la caratteristica Hot-Plug, cioè la possibilità di connettere o
disconnettere un dispositivo a computer acceso.
SCSI
L’interfaccia SCSI può essere utilizzata per collegare
dispositivi anche diversi dalle unità disco (scanner, ad
esempio).
I dispositivi SCSI sono di solito più costosi degli equivalenti
Eide e SATA perché, si dice, offrono prestazioni migliori...
Il vantaggio sta nella possibilità di collegare più periferiche (fino a 15, a
seconda di quale standard Scsi si consideri) in grado di eseguire determinate
operazioni contemporaneamente.
Il vantaggio cresce all’aumentare del numero di periferiche connesse.
La maggiore “stabilità” è data dal fatto che il trasferimento dati è gestito da un
controller indipendente.
Tuttavia, nei PC il controller Scsi non è presente “di serie”, per così dire, e
questo rende necessario l’acquisto di una scheda aggiuntiva.
SCSI
Le porte
Sul retro di un elaboratore vi sono dei connettori che collegano
l’unità centrale con le periferiche, tramite cavi.
Tali connettori prendono il nome di porte.
porte
Quasi tutte le periferiche vanno connesse alle rispettive porte a
macchina spenta, altrimenti il sistema non è in grado di rilevarle.
Fanno eccezione le porte Firewire e USB che permettono il
collegamento ‘a caldo’, cioè a computer acceso
Porte Audio In/Out/Mic
Porte PS2 Tast./Mouse
Porte USB
Connettore Ethernet per la rete
Uscita Monitor DVI
Porta parallela
Uscita Monitor VGA
Porta seriale
Porte seriali
Sono dette seriali perché trasmettono i dati un bit alla
volta.
A tali porte ci si riferisce spesso come COM1, COM2 ecc.,
dove COM è l’abbreviazione di COMmunication ed il
numero indica la porta installata.
In generale, è possibile utilizzare la porta seriale (detta
anche RS-232) per ogni dispositivo che necessiti di un
collegamento bidirezionale.
Le porte seriali consentono di collegare una varietà di
dispositivi (modem, mouse, lettori di codici a barre...)
Nei sistemi Macintosh è disponibile un’interfaccia seriale
simile, nota come RS-422.
Ancor oggi alcuni computer hanno 2 porte seriali, ma tenderanno ad essere
sostituite da porte seriali più versatili ed a maggiore velocità di trasmissione
(USB, FireWire, ecc.).
Porte parallele
Le
interfacce
di
tipo
parallelo
trasmettono
più
bit
contemporaneamente.
Sui Pc di solito è presente una sola porta parallela, indicata come LPT1
(Line PrinTer): in origine veniva utilizzata solo per inviare dati ad una
stampante (era infatti unidirezionale). In seguito è stata introdotta la
versione bi-direzionale per permettere anche di ricevere dati da
dispositivi di acquisizione (ad esempio da scanner).
I connettori delle porte
parallele possono essere
di tre tipi diversi.
Usb (Universal Serial Bus)
E’ una connessione di tipo seriale.
Consente di collegare più periferiche (fino a 127) “a cascata”, anche
a computer acceso (hot-swap).
Entro certi limiti di assorbimento elettrico, i dispositivi connessi
possono essere alimentati direttamente – senza bisogno di altri cavi
o trasformatori esterni.
Un altro dei vantaggi dell’interfaccia USB è la
possibilità di usarla per qualunque tipo di
periferica, dai mouse alle stampanti ai
masterizzatori.
Connettori Usb
Firewire
Anche l’interfaccia Firewire è di tipo seriale.
Uno dei vantaggi delle interfacce seriali rispetto a quelle parallele è dato
dalla possibilità di aumentarne la frequenza di trasferimento in misura
maggiore.
Trasferendo un solo bit per volta si evita, ad esempio, il problema del
signal skew (deviazione del segnale).
IEEE-1394
SI tratta del 1394esimo standard pubblicato
dall’Institute
Institute of Electrical and Electronic Engineers.
Engineers
i.Link
Nome coniato dalla Sony, nel tentativo di diffondere
una denominazione più semplice per questo standard.
Firewire
Connettore Firewire (i.Link, IEEE-1394)
Marchio registrato dalla Apple.
Usb e Firewire
Caratteristiche
FireWire
USB 2.0
400 Mbit/s
480 Mbit/s
Indipendente, gestita dalle
singole periferiche
Gestita solo dal controller
del PC
Fino a 4.5 metri
Fino a 5 metri
Numero massimo periferiche
63
127
Alimentazione elettrica fornita
1.25A / 12V
500 mA / 5V
SI
SI
Transfer rate massimo
Comunicazione
Lunghezza massima cavo
Connessione A CALDO
Esempi di periferiche
Videocamere Digitali
DV,
Driver esterni ad alta
velocità,
Scanner ad alta
risoluzione
Tastiere, Mouse, Joystick,
Webcam, Scanner,
Modem, Stampanti,
PenDrive, Drives esterni
