Guida completa al funzionamento dei calcolatori e delle loro componenti

Interazione tra utente e calcolatore

Il calcolatore è un esecutore di programmi. L’utente interagisce con esso attraverso una o più applicazioni; queste vengono utilizzate tramite la loro interfaccia, il mezzo di interazione tra l’utente e il calcolatore.

Hardware e software
Un calcolatore è composta da:

•Hardware: la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici;

•Software: insieme dei programmi che consentono all’hardware di svolgere i compiti utili. Esso comprende: il software di base che mostra all’utente il calcolatore come una macchina semplice da gestire; e il software applicativo che mostra all’utente il calcolatore come una macchina utilizzata per la risoluzione dei problemi.

Hardware e software sono organizzati in livelli (o strati). Nell’organizzazione a livelli, l’hardware è l’unica macchina reale, le istruzioni che esso sa eseguire sono dette linguaggio macchina del calcolatore.

I vari tipi di calcolatore sono: personal computer (PC), notebook (portatile), smartphone, workstation (più potente del PC), sensori intelligenti, mainframe e minicomputer (hanno una elevata potenza di calcolo e memorizzazione), cluster (sistemi di calcolo basati sull’aggregazione di più macchine).

Modello di Von Neumann

Il modello di Von Neumann è un modello semplificato di calcolo.

Von Neumann è stato il progettista del primo calcolatore in cui i programmi potevano essere memorizzati anziché codificati. La sua macchina è costituita da:

•Unità centrale di elaborazione (CPU): esegue istruzioni per l’elaborazione dei dati, svolge funzioni di controllo e coordinamento delle altre componenti;

•Memoria centrale: memorizza e fornisce l’accesso a dati e programmi;

•Interfacce di ingresso e uscita (I/O): componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore, consentono lo scambio di dati tra calcolatore e utente;

•Bus: trasferisce dati e informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali.

Questo modello segue delle fasi, che si susseguono in modo sincrono rispetto ad un orologio di sistema detto ‘•Elaborazione: l’elaborazione dei dati è svolta dalla ALU (componente della CPU);

•Memorizzazione: una unità di memoria è organizzata in celle, a ognuna è associata un indirizzo che la identifica, ciascuna cella memorizza solo un dato. Essa fornisce due operazioni: memorizzazione di un valore in una cella (scrittura), e accesso al valore memorizzato in una cella (lettura);

•Trasferimento: un insieme di componenti possono essere collegati in due modi: collegare ciascun componente con ogni altro componente, e collegare tutti i componenti a un unico insieme di linee (il bus);

•Controllo: il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall’unità di controllo.

Funzionamento della CPU

La CPU è formata da:

•Unità di controllo (UC);

•Unità aritmetico-logica (ALU);

•Bus interno;

•Registri:

- Registro di indirizzamento memoria (MAR): contiene l’indirizzo della cella di memoria da memorizzare;

- Registro dati di memoria (MDR): contiene il dato da memorizzare;

- Registro di stato (o dei flag) (PSW): contiene informazioni sull’esito delle operazioni eseguite;

- Registri generici: per la memorizzazione degli operandi o del risultato di una operazione.

La CPU esegue un’ istruzione svolgendo tre operazioni di base:

•Lettura: legge dalla memoria la prossima istruzione da eseguire;

•Decodifica: decodifica l’istruzione da eseguire;

•Esecuzione: esegue l’istruzione. E poi si ricomincia da capo.

Le istruzioni eseguite dal processore possono essere classificate in 3 categorie principali: istruzioni aritmetiche-logiche, di salto (condizionale), di trasferimento dei dati da un registro all’altro.

Bus di sistema e memoria

Il bus di sistema collega tra loro i vari elementi del calcolatore, collega due unità: una trasmette e una riceve. Si suddivide in:

•Bus dati: utilizzato per trasferire dati;

•Bus indirizzi: identifica la posizione delle celle di memoria in cui la CPU va a scrivere o leggere;

•Bus di controllo: in cui transitano i segnali di controllo che consentono di selezionare le unità coinvolte in un trasferimento dati.

I vantaggi del bus sono: semplicità, infatti vi è una sola linea di connessione per qualunque numero di dispositivi; ed estendibilità, nuovi dispositivi possono essere aggiunti tramite un’interfaccia al bus.

Caratteristiche della memoria centrale

Gli svantaggi sono: La memoria centrale è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acceduti i dati e i programmi. È composta da una sequenze di celle, in grado di memorizzare una parola di memoria (sequenza di bit); ogni cella è caratterizzata da un indirizzo, un numero che identifica la cella e ne consente l’accesso; e da un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella. La memoria fornisce le operazioni di lettura e scrittura.

Le sue caratteristiche principali sono: capacità, ovvero il numero di bit che possono essere memorizzati; velocità di accesso; organizzazione e lunghezza parola; volatilità, capacità di mantenere le informazioni memorizzate in mancanza di alimentazione elettrica.

Le memorie si possono classificare in:

•MGL (memoria grossa e lenta): sono memorie di gran capacità, lente, economiche ed accessibili tramite il bus;

•MPV (memoria piccola e veloce): sono integrate nello stesso chip della CPU, sono costose.

La memoria centrale memorizza i programmi in esecuzione e i dati necessari per la loro esecuzione.

Memoria cache e principi di località

La memoria cache è una memoria veloce, piccola, non visibile all’hardware e gestita dal software. Velocizza gli accessi alla memoria principale aumentando le prestazioni del sistema. Memorizza dati temporanei in modo silenzioso.

Si definiscono due tipi di principi di località:

•Località spaziale: quando si accede ad un indirizzo A, è probabile che gli accessi successivi richiedano celle vicine ad A;

•Località temporale: quando si accede all’indirizzo A, è probabile che negli accessi successivi si richieda nuovamente la cella A.

Memoria di massa e hard disk

La memoria di massa è un dispositivo di memorizzazione permanente capace di contenere grosse quantità di dati. È La memoria secondaria memorizza tutti i programmi e i dati del calcolatore; i suoi dati, per essere acceduti dal processore, devono transitare nella memoria centrale. Tipi di memoria secondaria sono: dispositivi ad accesso sequenziale o casuale, dispositivi in sola lettura, dispositivi magnetici (hard disk).

L’hard disk è un disco magnetico fisso composto da piatti di alluminio rotanti, ricoperti di materiale magnetico e da un gruppo di testine; essi permettono la scrittura e la lettura di bit su un disco. È formato da: un Nell’hard disk si distinguono quattro tempi principali:

•Tempo di posizionamento: necessario a posizionare le testine sulla traccia richiesta;

•Tempo di latenza (o rotazione): affinché il settore richiesto passi sotto la testina;

•Tempo di trasferimento: per trasferire i dati dal disco alla memoria;

•Tempo di accesso: la somma dei tre tempi precedenti.

Rappresentazione dei dati nel calcolatore

I dati vengono rappresentati, nel calcolatore, attraverso codifiche binarie, sotto forma di sequenze di bit.

Il bit è la più piccola unità di informazione in un calcolatore; può essere: 0, corrente che non passa; e 1, corrente che passa.

L’unità fondamentale è il •8 bit = 1 byte;

•1024 byte = 1 Kilobyte;

•1024 Kilobyte = 1 Megabyte;

•1024 Megabyte = 1 Giga;

•1024 Giga = 1 Tera