Computer - tesina

Tesina di:

Giovanni Ballini

Classe 3F

Anno scolastico 2013/2014

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Presentazione

L'argomento che ho scelto per la mia tesina è il computer.

Fin da piccolo mi incuriosivano quelle grandi "scatole" e desideravo ardentemente aprirle per vedere cosa ci fosse all'interno (magari un paese incantato con tanto di folletti!).

Questa curiosità mi ha portato ad aprire (e rompere) il videoregistratore di mio padre.

E sfortunatamente non trovai né folletti né paesi incantati, ma bensì una grande scheda verde con un mucchio di protuberanze nere.

E da qui cominciai a pormi parecchie domande anche sulla "lavagna luminosa" del computer (desktop): mi sembrava magia.

Come poteva la "scatola" contenere file e così tante informazioni in uno spazio relativamente piccolo?

E come poteva mio padre riuscire a gestire un apparecchio così complesso?

Nel corso degli anni imparai (da autodidatta) ad usarlo anch'io (dopo aver "downloaddato" centinaia di virus sempre nel computer di mio padre) e non lo trovai difficile come pensavo.

Per approfondire la mia conoscenza sul computer, sono andato ad un corso dove dei programmatori Linux smontavano il PC per mostrare e analizzare i vari componenti.

Tutto il mondo dell'elettronica mi appassiona: dai PC ai tablet, agli smartphone e ai semplici telecomandi!

In questa tesina vi spiegherò cos'è il computer, le sue parti principali, dove viene assemblato, i materiali utilizzati e le varie applicazioni che trova nel mondo della musica e dell'arte.

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Il computer

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Un computer è un apparecchio elettronico che, strutturalmente, non ha niente di diverso da un televisore, uno stereo, un telefono cellulare o una calcolatrice, semplicemente è progettato per svolgere altre funzioni.

Come tutte le macchine, non ha nessuna capacità decisionale o discrezionale, ma si limita a compiere determinate azioni secondo procedure prestabilite (programmi).

Si può anzi affermare, paradossalmente, che il computer è in grado di compiere un'unica azione: eseguire istruzioni; dal momento in cui viene avviato al momento in cui viene spento, il computer esegue un'istruzione dietro l'altra senza mai nessuna interruzione (molti milioni di volte per secondo).

Anche quando sembra che non stia facendo niente, sta in realtà eseguendo ciclicamente un'istruzione di "attesa".

Parlando di computer si deve distinguere fra Hardware e Software:

• Per Hardware si intendono tutti i componenti fisici del computer (circuiti elettrici ed elettronici, cavi, supporti, e in generale tutto ciò che si può toccare materialmente);
• Per Software si intendono tutti i programmi, i dati e i documenti che stabiliscono le procedure di funzionamento della macchina e che si trovano registrati sui dischi o nella memoria.

All'interno del computer si possono individuare quattro componenti principali:

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RAM

Memoria RAM (Random Access Memory): è la memoria dove vengono conservati i dati in corso di elaborazione (i documenti aperti); si tratta di una memoria temporanea che si cancella completamente quando si spegne il computer.

I documenti che si creano lavorando al computer (per esempio scrivendo un testo) vengono posti all'interno della RAM e sono trasferiti sul disco (che, contrariamente alla RAM, costituisce una memoria permanente) solo quando l'utente ne richiede espressamente il salvataggio.

Per questo motivo, se salta la corrente mentre si sta ancora lavorando, tutto il lavoro fatto dopo l'ultimo salvataggio viene irrimediabilmente perduto con lo svuotamento della RAM.

Ma allora perché non lavorare direttamente sul disco facendo a meno della RAM?

Dopotutto il disco è pur sempre una memoria.

Il fatto è che la lettura/scrittura da disco è enormemente più lenta rispetto alla lettura/scrittura su RAM (sull'ordine delle centinaia di migliaia di volte), perciò se si usasse solo l'hard disk non sarebbe possibile eseguire nessuna operazione in tempi ragionevoli.

La capacità della RAM si misura in Gigabyte, ovvero 1 miliardo di byte (essendo il byte lo spazio richiesto per la memorizzazione di un carattere da tastiera).

I computer oggi in commercio partono tipicamente da 3 o 5 Giga di RAM. Se la RAM non è sufficiente per contenere tutti i dati necessari, il computer esegue un'operazione detta swap (baratto), per cui, per liberare spazio, una parte del contenuto della RAM viene temporaneamente ricopiata sul disco e recuperata successivamente in caso di necessità.

È chiaro però che questo tende a rallentare tutte le operazioni. Per limitare lo swap è sufficiente aggiungere più RAM.

La capacità della RAM e la velocità del microprocessore sono appunto i due parametri che influiscono maggiormente sulle prestazioni della macchina.

CPU

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È il nucleo del computer: si tratta del componente che esegue le istruzioni dei vari programmi e sta a capo del funzionamento dell'intera macchina.

È il microprocessore che esegue tutti i calcoli, gestisce il trasferimento di dati attraverso la memoria e i dischi e attiva/disattiva i componenti della macchina.

Il ritmo di lavoro del microprocessore (e di gran parte dei circuiti del computer) è cadenzato da un segnale elettrico (detto clock) generato internamente al computer e costituito da rapidissimi impulsi che si ripetono centinaia di milioni di volte per secondo: se il microprocessore è il cuore del computer, il clock è il suo pacemaker.

La velocità del clock (e quindi del microprocessore) si misura in MegaHertz (ovvero milioni di impulsi per secondo) o, recentemente, in GigaHertz (GHz, miliardi di impulsi per secondo).

Oggi i processori più diffusi fra i PC sono quelli della famiglia Pentium Intel.

Hard disk

Hard Disk o Disco Fisso è la memoria permanente del computer, in cui si conservano tutti i documenti, i dati e i programmi.

Viene usato dunque come memoria di immagazzinamento.

L'hard disk raramente è visibile dall'esterno (esistono però modelli di hard disk estraibili come le autoradio).

La sua capacità si misura in GigaByte, cioè miliardi di byte (alcuni raggiungono i terabyte

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ovvero 1 bilione di byte!).

Attualmente gli hard disk vengono prodotti secondo due diverse tecnologie: EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics) e SCSI (Small Computer Systems Interface); i primi sono più economici, i secondi sono più veloci.

La velocità del disco in genere non influisce molto sulle prestazioni della macchina, a meno che questa non venga impiegata per funzioni che richiedono una frequente lettura/scrittura di dati; per un normale PC va benissimo un disco EIDE.

La capacità del disco invece ha pochissima influenza sulle prestazioni, a eccetto che il disco non si riempia completamente (e a quel punto non ci si può scrivere più niente finché non si libera spazio).

Scheda madre

Motherboard

La scheda madre fa da supporto e connessione per tutti i componenti interni del computer e contiene inoltre una serie di circuiti (chipset, cache, BIOS) adibiti al controllo delle varie parti.

I modelli in commercio sono molte decine e ne escono sempre di nuovi.

Spesso nei computer di marca le schede madri svolgono anche le funzioni audio, video e rete (che nei PC assemblati si trovano invece sempre su schede separate).

Sulla scheda madre si inseriscono come componenti separati il microprocessore, la RAM e le varie schede di espansione; vi si trovano inoltre le prese per il collegamento dell'hard disk e dei drive per i dischi mobili.

BIOS

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È un componente che fa parte integrante della scheda madre. Il suo scopo è quello di gestire la fase di accensione del computer.

Il BIOS conserva in una ROM la sequenza di istruzioni di avvio che viene eseguita automaticamente ad ogni accensione del computer.

L'operazione di avvio è detta boot, cioè "allacciarsi le scarpe", ed è composta da 3 fasi:

• Test di funzionamento del sistema (verifica dell'hardware),
• Attivazione dell'hardware installato,
• Verifica della presenza del sistema operativo e suo caricamento.

In una piccola memoria RAM (alimentata da una batteria interna) sono conservate le informazioni relative all'hardware installato ed alcuni parametri che possono essere impostati dall'utente.

ROM

ROM (Read Only Memory): contrariamente alla RAM, la memoria ROM non esiste in forma di componente separato e individuale, esistono invece numerose piccole ROM incorporate all'interno dei vari circuiti integrati (sulla scheda madre, sulle schede d'espansione, ecc.) come nel BIOS.

I fondamentali tipi di ROM sono 5:

ROM

PROM

EPROM

EEPROM

Flash memory

Tutti e 5 i tipi di ROM hanno caratteristiche differenti, ma tutte hanno in comune due cose molto importanti:

• I dati memorizzati sono permanenti e non vengono persi anche a computer spento.
• I dati memorizzati non possono essere modificati (a differenza delle RAM).

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Il silicio

Storia e applicazioni

In questa tesi si parla di un protagonista a volte un po' dimenticato della rivoluzione digitale.

Se oggi possiamo infilarci nel taschino una calcolatrice programmabile o mettere al polso un orologio che misura anche i nostri battiti cardiaci e la temperatura dell'aria, se parliamo di reti telematiche, di computer, lo dobbiamo in gran parte alle straordinarie capacità di questo nostro protagonista: il silicio e, naturalmente, ai lunghi anni di lavoro di tutti quegli uomini, chimici, fisici, ingegneri, che hanno imparato a conoscere e sfruttare i suoi segreti.

Mentre il plutonio è un elemento talmente raro che in natura non si trova addirittura più e bisogna fabbricarlo con procedimenti molto complessi, il silicio, invece, è un elemento abbondantissimo: costituisce più di un quarto della crosta terrestre e solo l'ossigeno lo supera in quantità.

È un materiale per così dire “umile” che l'uomo conosce e sfrutta da millenni.

Per esempio il vetro è fatto soprattutto di ossido di silicio.

Insomma vi sareste aspettati che il processore ultrapotente del vostro PC è fatto di qualcosa che assomiglia molto a un coccio di bottiglia oppure alla sabbia?

La scoperta del silicio dovuta ad Antoine-Laurent Lavoisier, considerato l'iniziatore della chimica moderna per aver intuito che tutte le sostanze sono combinazioni diverse di pochi elementi. Egli suggerì nel 1789 che la sabbia era fondamentalmente un composto dell'ossigeno con un importante elemento non ancora noto. L'uccisione mediante ghigliottina da parte dei rivoluzionari giacobini non gli permise di isolarlo e toccò ai suoi discepoli ottenere per primi tale elemento nel 1811, facendo reagire il fluoruro di silicio con potassio riscaldato.

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Il silicio fu isolato per la prima volta nel 1824 dal chimico svedese Berzelius.

Ma il silicio non ha trovato alcun utilizzo fino alla fine del secolo scorso quando si è scoperto che, se unito al ferro, sviluppava proprietà magnetiche. E così è stato impiegato per gli elettromagneti e trasformatori. Da quel momento è stato prodotto chimicamente in una forma ragionevolmente pura, pari forse al 98%".

Dopo i primi impieghi nell'industria metallurgica, il silicio lasciò presto le fonderie per scopi, diciamo così, più raffinati. E fece la sua comparsa nel mondo della radiotelegrafia.

Fu con lo sviluppo del radar, negli anni della Seconda guerra mondiale, che il silicio iniziò la sua vera carriera di imperatore dell'elettronica, ma il grande impatto si deve al suo impiego nella costruzione della madre di tutte le invenzioni elettroniche: il transistor.

Caratteristiche

Elemento chimico del IV gruppo del sistema periodico, di simbolo SI, il silicio elementare si presenta sotto forma di una polvere amorfa marrone o in cristalli grigi. Si ottiene per riscaldamento del diossido di silicio con un agente riducente, come carbonio o magnesio.

Alle normali temperature il silicio non si altera per esposizione all'aria; alle alte temperature invece reagisce con l'ossigeno, con l'azoto e con il cloro.

Il silicio è un elemento molto abbondante sulla crosta terrestre, (secondo solo all'ossigeno), della quale costituisce circa il 28% in peso.

Si stima che nell'universo sia il quarto elemento in ordine di abbondanza, dopo idrogeno, elio e ossigeno. Nella crosta terrestre il silicio si rinviene sotto forma di silice e di silicati come ad esempio il quarzo e il calcedonio.

Entra nella composizione di un enorme numero di rocce eruttive, metamorfiche e sedimentarie. Nelle acque superficiali, in piccole quantità (1-10 ppm), è contenuto silicio (come silice o silicati disciolti o in sospensione colloidale), e quantità analoghe sono contenute negli organismi degli animali superiori.

Infatti il silicio (quello organico) è anche un costituente dei tessuti animali, inclusi quelli umani.

È stato riscontrato in concentrazioni maggiori nei tessuti connettivi, e di sostegno (ossa, cartilagini) e nella regione extracellulare delle cellule cerebrali.

È stato riconosciuto come un fattore di sviluppo negli animali giovani e nei bambini.

L'organismo umano ne contiene in totale una quantità stimata sui 250 milligrammi.

A livello cutaneo è maggiormente presente negli strati connettivi profondi ed è dotato di proprietà idratanti ed acceleranti della cicatrizzazione delle ferite.

A livello osseo, è provato che alimentarsi con silicio organico può accelerare la saldatura

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delle fratture e studi preliminari indicherebbero come i silicati abbiano una certa influenza sul nostro sistema endocrino generale.

I meccanismi di come ciò possa verificarsi sono però sconosciuti.

Per quanto riguarda l'elettronica, la caratteristica principale del silicio è di essere un materiale semiconduttore.

In natura vi sono due grandi categorie di elementi: quelli che conducono la corrente elettrica, i conduttori appunto, e quelli invece che non la conducono, cioè gli isolanti. Il silicio, come anche il germanio, sono invece semiconduttori. Significa che in certe circostanze essi permettono il passaggio della corrente elettrica, mentre in altre si comportano come isolanti.

Le proprietà del silicio hanno determinato il suo impiego nella realizzazione dei chip. Tale lavorazione si ottiene aggiungendo al silicio puro piccolissime quantità di altre sostanze, che modificano così ulteriormente le proprietà del materiale. In questo caso si dice che il silicio viene "drogato". I circuiti integrati moderni sono costruiti sovrapponendo, come in un wafer, vari strati di silicio drogati in modo diverso.

È un procedimento molto complesso e delicato. Innanzi tutto bisogna partire da un cristallo purissimo: ogni 10 milioni di atomi di silicio, al massimo uno solo può essere di un'altra sostanza. Vi sono poi varie tecniche per drogare, come si dice in gergo, il silicio puro e in seguito costruire i wafer.

Per ottenere questi risultati bisogna lavorare in ambienti completamente sterili e del tutto privi di ogni disturbo. Anche solo toccare con le mani nude un cristallo di silicio potrebbe rovinarlo del tutto.

Per questo gli uomini devono indossare tute che assomigliano a quelle degli astronauti e comunque la maggior parte delle operazioni viene svolta automaticamente dai robot.

Come abbiamo visto, se è vero che il silicio è di per sé un materiale umile, riuscire a costruirci dei microchip è invece una faccenda complessa e costosa.

Anzi, è un vero e proprio business.

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La International Business Machine, cioè la IBM, uno dei colossi di questo settore, che fino a quel momento fabbricava soprattutto macchinari per ufficio, decise di saltare, diciamo così, sul carro del silicio.

L'introduzione dei transistor al silicio permise di sostituire le vecchie valvole che erano molto più grandi e consumavano molta più energia.