L'architettura del computer - Prof. Germinario Pantaleo
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Informatica L'architettura del computer
Il computer Il computer è una macchina costituita da dispositivi di diversa natura (meccanici, elettrici, ottici e così via) in grado di elaborare dati in modo automatico, veloce, sicuro ed efficiente. Il computer è una macchina programmabile, cioè una macchina che può essere utilizzata per problemi diversi, in grado di interpretare e di eseguire una serie di ordini impartiti dall’esterno. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Hardware e software Un computer svolge i suoi compiti utilizzando risorse che possono essere raggruppate in due grandi categorie: hardware e software. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Il case e la scheda madre Il componente che caratterizza il computer al primo colpo d’occhio è l’involucro, un contenitore di metallo, plastica o alluminio chiamato case, che può avere varie forme e dimensioni. Esistono anche computer detti all-in-one (letteralmente “blocco unico”). L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Il case e la scheda madre L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Il case e la scheda madre All’interno del case c’è una grande piastra piena di elementi elettronici: la scheda madre (o piastra madre, o motherboard), che funge da piattaforma di comunicazione per tutte le altre componenti; alla scheda madre vengono collegate tutte le parti del computer, che così possono dialogare fra loro. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Il case e la scheda madre All’interno del case c’è una grande piastra piena di elementi elettronici: la scheda madre (o piastra madre, o motherboard), che funge da piattaforma di comunicazione per tutte le altre componenti; alla scheda madre vengono collegate tutte le parti del computer, che così possono dialogare fra loro. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Il case e la scheda madre Le schede madri per Personal Computer Desktop possono avere diverse forme: L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Collegare le periferiche al computer:
le porte
I vari dispositivi che vengono collegati al computer (tastiera,
video, mouse, ecc.) vengono detti periferiche.
Per collegare le periferiche alle schede bisogna inserire i
loro cavi connettori in apposite prese, dette porte di
comunicazione. Porta DVI Porta PS2 LAN
Porta USB 3.1
Porte AUDIO
Porta USB Porta e-SATA Porta USB Porta Ottica SPDIF
Porta USB-C Porta HDMI Port3 USB 3.0
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Collegare le periferiche al computer: le porte Alcune periferiche non trovano un connettore presente sulla scheda madre. In tali casi è necessario aggiungere alla scheda madre le schede di espansione che vengono installate in appositi alloggiamenti chiamati slot. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Collegare le periferiche al computer: le porte La porta USB (Universal Serial Bus) definisce un collegamento seriale ad alta velocità. Attraverso le porte seriali i dati viaggiano, come dice la parola stessa, in serie, uno dopo l’altro, mentre nelle porte parallele i dati viaggiano raggruppati in byte. La porta PS/2 permette di collegare al computer il mouse e la tastiera (non è più utilizzata poiché sostituita dalla porta USB). L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Collegare le periferiche al computer: le porte La porta VGA (Video Graphics Array) è un collegamento di tipo analogico che consente di collegare un monitor al computer. È presente anche un’altra porta, chiamata DVI (Digital Visual Interface) che trasmette un segnale digitale a un monitor. La porta HDMI (High Definition Multimedia Interface) è un’interfaccia compatta per il trasferimento di dati audiovisivi (compressi e non) dal computer ad un monitor o altra periferica di output. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Collegare le periferiche al computer: le porte Esistono delle porte che consentono di collegare le periferiche senza l’ausilio di un cavo connettore: • la porta wireless utilizza generalmente onde radio a bassa frequenza e permette il collegamento in reti wireless, cioè senza cavi (Wireless Local Area Network). Viene anche utilizzata per collegamenti a Internet; • la porta Bluetooth consente un collegamento senza fili per lo scambio di informazioni tra dispositivi diversi attraverso una frequenza radio sicura a corto raggio. I dispositivi entro un raggio di qualche decina di metri possono essere messi in comunicazione tra di loro. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Architettura von Neumann L’architettura di von Neumann prende il nome dal suo ideatore John Von Neumann, matematico ed informatico di origine ungherese che lavorava al progetto dell’EDVAC. Von Neumann non era l’unico studioso che lavorava nel progetto dell’EDVAC ma colui che ha descritto l’architettura dell’EDVAC nella relazione First draft of a report on the EDVAC datata 30 giugno 1945. L’importanza che ha assunto questa architettura ha fatto sì che prendesse il nome del suo ideatore. Ancora oggi, tutti i computer si basano sull’architettura di von Neumann. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Architettura von Neumann
L’architettura si basa su cinque componenti:
o Unità centrale di elaborazione (CPU), che si divide a sua volta in
unità aritmetica e logica (ALU o unità di calcolo) e unità di controllo;
o Unità di memoria, intesa come memoria di lavoro o memoria
principale (RAM, Random Access Memory);
o Unità di input, tramite la quale i
dati vengono inseriti nel calcolatore
per essere elaborati;
o Unità di output, necessaria
affinché i dati elaborati possano
essere restituiti all'operatore;
o Bus, un canale che collega tutti i
componenti fra loro.
L'architettura del computer Prof. Pantaleo GerminarioArchitettura von Neumann Le unità fondamentali vengono raggruppate a in quattro categorie: • Sottosistema di elaborazione, che esegue le istruzioni per l'elaborazione dei dati e svolge anche funzione di controllo; • Sottosistema di memorizzazione, che memorizza e fornisce l'accesso ai dati e programmi da eseguire; • Sottosistema di interfaccia, che fornisce il collegamento verso le periferiche del calcolatore permettendo lo scambio di informazioni tra pc e mondo esterno; • Bus che svolgono funzioni di trasferimento dati e informazioni tra le varie componenti del computer. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
L’unità centrale di elaborazione (CPU) L’unità centrale di elaborazione (CPU, Central Processing Unit) rappresenta il “cervello” del computer: è responsabile dell’esecuzione dei programmi e del controllo di tutto ciò che avviene all’interno del computer stesso. La CPU è un’unità funzionale composta da: L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
La memoria 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, mentre la seconda è più lenta ma può immagazzinare grandi quantità di dati. La memoria centrale è formata da tre tipi di memoria: RAM, ROM e cache. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
La memoria La RAM (Random Access Memory) è il supporto di memoria su cui la CPU può leggere e scrivere informazioni con un accesso casuale, in cui è possibile accedere direttamente a ogni singola cella semplicemente conoscendone l’indirizzo. La memoria RAM rappresenta, quindi, il “banco di lavoro” del computer, nel senso che tutti i programmi, per poter essere eseguiti, devono risiedere in essa. La RAM è una memoria volatile, ossia perde il suo contenuto quando viene spento il computer. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
La memoria Tutti i dati per poter essere memorizzati, devono essere convertiti in impulsi elettrici, definiti bit (binary digit = cifra binaria) e può essere immaginato come una lampadina accesa o spenta, oppure 0 (che significa non passaggio di corrente) e 1 (che significa passaggio di corrente). Per avere una “conversazione” con il computer è necessario che vi sia una corrispondenza biunivoca tra ogni simbolo dell’alfabeto esterno e uno e un solo simbolo di quello interno; ovvero un codice. Per rappresentare un qualsiasi simbolo, però, si usa un raggruppamento di otto bit: il byte, che corrisponde a una “parola” composta da otto bit. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
La memoria L’unità di misura della capacità (o “dimensione”) della memoria è il byte, di cui si utilizzano i multipli. Per la costruzione delle unità di misura di livello superiore non si usa il sistema decimale ma quello binario. Ecco allora che il kilobyte non corrisponde a 1000 byte, ma a 210 = 1024 byte. La memoria è formata da un insieme di celle numerate progressivamente partendo da zero. Il numero che le contraddistingue (una sequenza di bit), è detto indirizzo. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
La memoria La memoria ROM (Read Only Memory) è una memoria da cui si possono leggere informazioni registrate dal costruttore, ma nella quale non è possibile scrivere nulla. Nella ROM sono residenti quei tipi di software che non devono mai essere cambiati, come il BIOS (Basic Input-Output System) del computer. La ROM rappresenta anche il deposito dei programmi applicativi che sono forniti a corredo di tablet e smartphone. La cache è una particolare memoria caratterizzata da un’elevatissima velocità. Ne abbiamo di diversi tipi e collocate in posti diversi: nella memoria centrale e nella memoria di massa. Il suo utilizzo consente di velocizzare le operazioni di accesso ai dati. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
I bus Il bus è costituito da una serie di collegamenti hardware (come se fossero gruppi di fili elettrici), uno per bit, su cui viaggiano tutte le informazioni scambiate tra l’unità centrale, la memoria e le unità di input/output. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
I bus Esistono tre bus principali: • Il bus degli indirizzi (address bus) trasporta l’indirizzo necessario per reperire una cella di memoria o una unità di I/O. L’unico dispositivo abilitato a inviare informazioni su questo bus è la CPU, quindi questo bus è unidirezionale. • Il bus dei dati (data bus) viene utilizzato per lo scambio di informazioni tra i vari dispositivi. È bidirezionale, in quanto l’invio di dati non è di sola pertinenza della CPU. • Il bus di controllo (control bus), anch’esso bidirezionale, è utilizzato per sincronizzare la trasmissione e per permettere lo scambio di particolari segnali di controllo tra le varie unità. Il suo scopo principale è quello di coordinare e controllare il traffico di tutte le informazioni che viaggiano sugli altri due bus. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le memorie di massa Le memorie di massa, o memorie ausiliarie, hanno lo scopo di conservare dati e programmi in maniera permanente. Su di esse, però, non può avvenire alcun tipo di elaborazione. I dispositivi di memoria di massa più comunemente utilizzati sono le memorie magnetiche, le memorie ottiche e le memorie flash. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le memorie di massa
Nei dischi magnetici la registrazione e la lettura dei dati
avvengono grazie a una testina di lettura/scrittura.
Il disco è un supporto di memorizzazione di massa ad
accesso diretto fisicamente costituito da un piatto le cui
facce sono ricoperte di materiale magnetico.
Disco
Testina
L'architettura del computer Prof. Pantaleo GerminarioLe memorie di massa La superficie del disco è composta da tantissime areole magnetizzabili. Le areole si trovano su piste circolari concentriche denominate tracce, su cui i dati vengono memorizzati sequenzialmente, cioè uno di seguito all’altro. Ogni traccia è suddivisa in un numero fisso di settori, separati da zone neutre dette gap. Un insieme di settori contigui è detto cluster. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le memorie di massa Il disco magnetico più comune, l’hard disk (disco fisso). Si definisce capacità di un supporto di memorizzazione di massa la quantità di dati che esso può contenere. Si misura in byte. La velocità di trasferimento è la quantità di byte trasferiti da o per la memoria di massa e si misura in MB/sec. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le memorie di massa Tra le memorie di massa oggi troviamo spesso una nuova tipologia: Solid-State Drive (SSD) Questo tipo di memorie non utilizzano dischi ma memorie flash. A differenza degli Hard Disk, non hanno parti meccaniche in movimento garantendo un tempo di accesso ai dati molto rapido. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le memorie di massa Tra i dispositivi di memoria rimovibili: L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Strutture di Dischi Gli Hard Disk possono essere utilizzati anche in strutture più complesse che prendono il nome di RAID che corrisponde a: Redundant Array of Independent Disks (insieme ridondante di dischi indipendenti). I sistemi RAID sfruttano un sistema di gestione di più Hard Disk tale da far risultare gli stessi come fossero un unico volume di memorizzazione. Scopi del RAID sono: aumentare le performance, evitare la perdita di informazioni causata dal mancato funzionamento di un disco. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Strutture di Dischi Esistono diverse strutture di dischi, le più comuni sono: RAID0: Sistema performante con maggiore capacità ma con meno protezione dei dati. RAID1: Sistema molto affidabile ma con maggior dispendio. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le memorie di massa I dischi ottici sono costituiti da un cilindro di plastica policarbonata su cui è incisa una lunga traccia a spirale che parte dal centro e arriva all’esterno del disco ed è Formata da una sequenza di aree piane (land). Durante la creazione di un CD, la traccia viene deformata con piccolissimi buchi (pit) creati sulle aree piane. Creando i pit sulla spirale non si fa altro che scrivere i singoli bit di ogni byte, 0 (land) e 1 (pit). Tra i supporti ottici ci sono i CD-ROM, i DVD-ROM e i Blu- ray Disc. La sigla ROM (Read Only Memory) segnala che i dati, una volta memorizzati su CD, divengono indelebili. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le periferiche di input La tastiera (keyboard) è il più tradizionale e diffuso dispositivo per l’immissione dei dati. La tastiera standard è composta da 105 tasti: i tasti standard, i tasti numerici, i tasti di controllo e i tasti funzione. Il mouse è composto da una “scatoletta” su cui sono presenti, di solito, due pulsanti e una rotellina (lo scroll). Il suo movimento su un piano permette di muovere un puntatore sullo schermo. Esistono altri dispositivi point-and-clic, tra i quali il Touchpad, la Trackball, il Trackpoint e il Touchscreen. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le periferiche di input Lo scanner è un apparecchio che permette di leggere fogli che contengono testi o disegni, nonché immagini su qualsiasi tipo di supporto cartaceo, trasformandoli in formato digitale. Esistono programmi di tipo OCR (Optical Character Recognition) che possono trasformare l’immagine digitale di un testo in un vero e proprio file di testo. La webcam è una videocamera usata per trasmettere riprese video attraverso la rete Internet. Funziona come una normale telecamera di ridottissime dimensioni ma anche come macchina fotografica. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le periferiche di output Il principale dispositivo di output è il monitor (o schermo), costruito secondo la tecnologia LCD (Liquid Crystal Display, schermo a cristalli liquidi), che utilizza il fluido di cristalli liquidi racchiuso fra due lamine di vetro per produrre l’immagine sullo schermo. Lo schermo è composto da tantissimi puntini luminosi chiamati pixel (picture element) che determinano la risoluzione ossia il numero di pixel che lo schermo può visualizzare. Altre caratteristiche importanti sono: la dimensione (che misura la diagonale dello schermo e si esprime in pollici, il dot pitch (la distanza che separa due pixel dello stesso colore)e la refresh rate (frequenza di aggiornamento). L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Le periferiche di output L’altro dispositivo di output per eccellenza è la stampante, che provvede alla stampa su carta. La qualità dei documenti prodotti dipende soprattutto dalla risoluzione di stampa, misurata in DPI (Dots Per Inch, cioè punti per pollice). Le stampanti 3D sono in grado di realizzare qualsiasi modello tridimensionale mediante un processo di produzione additiva: partono da un oggetto disegnato con un software e lo riproducono nel mondo reale con l’utilizzo di appositi materiali. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Tipi di computer I computer si differenziano per due fondamentali caratteristiche: la potenza (che riguarda le caratteristiche della memoria e la velocità della CPU) e la possibilità di multielaborazione, ossia di gestire contemporaneamente più programmi. I supercomputer sono sistemi di elaborazione con potenze di calcolo estremamente elevate, dedicati a eseguire calcoli particolarmente onerosi. Sono strumenti costosi e, normalmente, sono di proprietà di società o enti di ricerca che condividono il loro utilizzo tra molti dipendenti/ricercatori. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Tipi di computer
Il Personal Computer identifica una sistema composto da
più componenti, in particolare: un case e molteplici
periferiche di input e output (monitor, tastiera, mouse,
stampante,…).
La potenza di elaborazione del PC
non si basa sulle sue dimensioni
ma dalle componenti fondamentali
come CPU e RAM. È possibile
avere, quindi, case con dimensioni
ridotte, o assenti come per i
cosiddetti All-In-One, ma una
capacità di calcolo molto elevata.
L'architettura del computer Prof. Pantaleo GerminarioTipi di computer I computer portatili (laptop o notebook) sono dotati di una batteria ricaricabile che offre un certo numero di ore di autonomia e sono provvisti di monitor e di tastiera integrati in un unico blocco. Gli ultrabook sono piccoli notebook caratterizzati da tre elementi: potenza, leggerezza e portabilità. Sono molto sottili e hanno una grande autonomia. L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
Tipi di computer Il Tablet PC (letteralmente PC tavoletta) è un computer portatile che permette all’utente di scrivere sullo schermo a mano. I tablet ibridi (o convertibili) hanno una tastiera agganciabile e staccabile a seconda delle esigenze. I netbook sono una “versione in miniatura” di un normale computer portatile. Uno smartphone è un dispositivo portatile con funzionalità di gestione dei dati personali e quella del telefono. È possibile installarvi app che aggiungono nuove funzionalità. Gli eReader sono considerati i nuovi libri del futuro, e si utilizzano per leggere libri elettronici (ebook). L'architettura del computer Prof. Pantaleo Germinario
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