Componenti hardware

Informatica introduzione

I dati sono la materia prima della ricerca scientifica, delle imprese e aziende tecnologiche.

Supercomputer

I supercomputer sono computer con performance ad alto livello, misurate generalmente in floating-point operations per second (FLOPS).

L'informatica

L'informatica è la scienza che si occupa delle tecnologie per il trattamento (creazione, raccolta, elaborazione, memorizzazione e trasferimento) delle informazioni, e della progettazione degli strumenti che permettono di eseguire tali funzioni (computer).

Il computer

Il computer è una macchina assemblata mediante dispositivi meccanici, elettrici, ottici, magnetici programmata per eseguire, in maniera ordinata e razionale, una serie di istruzioni impartite dall’esterno. Il computer è un elaboratore di dati: eseguendo una serie di istruzioni (programma), è capace di ricevere dati dall’esterno (input), immagazzinarli per un certo periodo di tempo (memoria) e fornire i risultati dell’elaborazione (output). L’elaborazione deve essere automatica, veloce, sicura ed efficiente.

Il dato e l'informazione

Il dato è una conoscenza di tipo elementare, che presa per sé non ha alcun significato. L’informazione rappresenta il dato elaborato, corredato di indicazioni aggiuntive che permettono di interpretarlo e incrementare la conoscenza.

Hardware

Le risorse hardware (hard = duro, ware = componente) rappresentano la parte fisica del computer, l’insieme delle componenti meccaniche, elettriche, elettroniche, magnetiche e ottiche. I componenti principali dell’hardware nei nostri PC sono:

• Il processore (CPU, Central Processing Unit)
• La memoria interna (RAM, Random Access Memory)
• I dispositivi di memorizzazione esterni (disco fisso, CD, DVD, penne USB, etc.)
• I dispositivi di input (in = dentro, put = mettere; tastiera, mouse, joystick, tavoletta grafica, etc.)
• I dispositivi di output (out = fuori, put = mettere: monitor, scheda video, altoparlanti, stampante, etc.)

Tutti (quasi tutti) gli hardware dei moderni computer sono assemblati sul modello di macchina automatica progettata nel 1946 da John von Neumann!

Elaborazione (macchina di von Neumann)

La cooperazione tra unità di controllo, esecuzione e memoria permette l'esecuzione di istruzioni (algoritmi) tradotti in linguaggi specifici e il loro inserimento in memoria.

Scheda madre

La scheda madre è una componente fisica fondamentale di un computer. Gestisce fisicamente la comunicazione tra tutte le parti del computer. La base in rame è arricchita da diverse componenti elettroniche debitamente collegate tra loro. Ogni scheda ha la possibilità di collegarsi con l’esterno attraverso “porte” o “interfacce di comunicazione”.

CPU

La CPU costituisce il nucleo dell’elaboratore e il luogo dove avviene l’esecuzione delle istruzioni. È una piastrina di silicio contenente circuiti stampati costituiti da miliardi di semiconduttori integrati (la tecnologia a microprocessore è quella più utilizzata per la realizzazione delle CPU).

La CPU ha il compito di:

• Registrare in memoria centrale dati e istruzioni dei programmi
• Riconoscere e interpretare le istruzioni del programma da eseguire (CU)
• Eseguire le operazioni logiche e aritmetiche (ALU)
• Controllare tutte le operazioni necessarie per eseguire il processo di elaborazione e gestire il traffico di informazioni con l’esterno (CU)

Essa è composta da:

• Unità di controllo (CU): gestisce il funzionamento di tutte le unità del computer e regola l’esecuzione di tutti i processi da compiere per eseguire i programmi residenti nella memoria centrale.
• Unità aritmetico-logica (ALU): esegue, sotto la continua supervisione della CU, le operazioni aritmetiche e logiche sui dati provenienti dalla memoria.
• Registri: celle di memoria “locale” che contengono i dati da processare.

Tutti questi elementi sono collegati tramite un bus interno (collegamenti hardware) sul quale vengono trasmesse le informazioni.

Nello specifico, la CU è una rete logica composta da:

• Registro dell’istruzione corrente (IR), con istruzioni da eseguire.
• Registro contatore di programma (PC), con indirizzo di memoria contenente l’istruzione successiva a quella che la CU sta eseguendo.
• Registro Stack Pointer (SP), salva e recupera dati.
• Temporizzatore (clock), oscillatore al quarzo che genera una serie di impulsi a frequenza regolare: serve a sincronizzare l’invio di tutti i segnali generati dalla CU.

L’ALU, invece, svolge il suo compito attraverso:

• Una rete logica di calcolo, composta da un circuito addizionatore per eseguire le operazioni aritmetiche codificate in formato binario e alcuni circuiti per eseguire le operazioni logiche elementari (AND, OR, NOT), la determinazione del segno di un numero e il confronto.
• Uno o più registri accumulatori (AC) per contenere temporaneamente i dati provenienti dalla memoria centrale; tramite essi vengono eseguiti materialmente i calcoli.
• Un registro di stato (SR) per comunicare alla CU informazioni sul tipo di risultato ottenuto dopo l’esecuzione dell’operazione. È composto da una serie di bit (binary digit) (flag), a ognuno dei quali è attribuito un significato. I più comuni sono:
• iC (bit di carry): bit di riporto, contiene il valore binario 1 se nell’operazione eseguita dall’ALU c’è stato un riporto.
• N (bit di segno): bit di negatività, contiene 1 se il risultato dell’operazione è negativo.
• Z (bit di zero): contiene 1 se il risultato è zero.
• O (bit di overflow): contiene 1 se nell’operazione conclusa c’è stato un overflow.