Fondamenti di informatica

Definizioni

L'informatica è la scienza che si propone di raccogliere, organizzare, conservare e distribuire le informazioni tramite sistemi automatici di elaborazione dei dati. Il termine deriva dalla fusione delle parole INFORmazione autoMATICA.

L'hardware rappresenta la parte fisica dell'elaboratore, cioè la parte meccanica, ottica, magnetica, elettronica: in pratica tutto ciò che si può toccare con mano all'interno di un computer, mentre il software è la parte logica di un elaboratore, cioè i programmi e le procedure che servono a risolvere i problemi dell'utente o a gestire e far funzionare l'hardware del computer. Alcuni esempi di hardware sono il mouse, la tastiera, il monitor, il lettore di cd, l'hard-disk e tutte le componenti presenti all'interno del case (scheda grafica, scheda audio ecc). Alcuni esempi di software sono il sistema operativo, i programmi di elaborazione testi, i giochi.

La tecnologia dell'informazione (IT, cioè Information Technology) è l'insieme di tutte le tecnologie coinvolte nell'elaborazione, la memorizzazione e l'utilizzo delle informazioni.

Classificazione dei computer

• Mainframe: sono calcolatori che hanno un'elevatissima capacità di calcolo; a tali computer sono collegati centinaia di terminali con poca o nessuna capacità di calcolo attraverso i quali gli operatori inviano al mainframe le elaborazioni da eseguire. Oggi i mainframe tendono ad essere sostituiti da una o più reti di personal computer, più efficienti e flessibili.
• Personal computer: sono computer progettati per un uso personale. Ad oggi sono il tipo di computer più diffuso. Con lo sviluppo tecnologico diventano sempre più potenti, e comparandoli con le prestazioni ed i costi dei modelli più vecchi, anche molto più economici. Sono impiegati negli uffici, nelle amministrazioni e nelle abitazioni private.
• Laptop: (o netbook o computer portatili) sono computer "compatti", in quanto molto leggeri e poco ingombranti. Attualmente hanno le stesse funzionalità (in termini di capacità di calcolo) dei personal computer, anche se a parità di prestazioni costano di più. Possono anche essere usati per qualche ora, grazie alla batteria incorporata, senza alimentazione tradizionale (corrente elettrica).

I tablet sono dei particolari laptop caratterizzati da dimensioni extra-compatte, che utilizzano come unico sistema di input uno schermo controllato da una penna o tramite dita invece che una tastiera e un mouse. Il loro nome deriva dalla forma di tali dispositivi, che assomiglia a quella di una tavoletta utilizzata per la scrittura. Non essendo dotati di tastiera fisica, utilizzano in genere una tastiera virtuale su uno schermo. Quando Apple ha presentato il primo Ipad nel 2010, sul mercato c'erano davvero pochi tablet ma in soli tre anni tale mercato si è decisamente aperto. A differenziare i tablet è soprattutto il sistema operativo: l'Ipad ha un sistema operativo prodotto da Apple stessa, IOS, noto per la sua semplicità d'uso; in competizione diretta c'è Android, che è possibile trovare su una miriade di tablet di marche e prezzi differenti. Android è il sistema operativo di Google, ma non tutti i dispositivi funzionano con le versioni più nuove: l'ultima versione stabile disponibile del sistema operativo Android si chiama Nougat. Molti produttori hanno adattato Android, per renderlo più aderente alle loro esigenze, modificandolo, quindi il sistema operativo non è sempre identico su tutti i dispositivi, specialmente dal punto di vista estetico; gli esempi più evidenti sono il Kindle Fire di Amazon e il Kobo, che hanno versioni personalizzate di Android e degli store dedicati. Il terzo competitor è Windows 10 di Microsoft, presente sia sul tablet di Microsoft stessa (il Surface) sia su tablet di terze parti, come ad esempio alcuni tablet Acer. Oltre a queste tre opzioni, ci sono anche concorrenti minoritari, come il Playbook della Blackberry: è un tablet più serioso ma perfetto per le funzioni da ufficio, perché in grado di conversare con gli smartphone della Blackberry.

Un'altra importante macrosuddivisione commerciale dei tablet riguarda la loro connettività:

• Tablet dotati di connettività mobile (quella delle reti telefoniche), che possono cioè utilizzare una SIM card di un operatore telefonico per collegarsi a Internet o anche per effettuare e ricevere telefonate.
• Tablet dotati di sola connettività WI-FI.

I dispositivi con connettività mobile nativa sono completamente indipendenti, ma una volta definito l'hardware, la connettività rimane invariata nel tempo; la rubrica, il calendario e altre funzioni devono essere sempre aggiornati manualmente nel caso di sostituzione del proprietario. I dispositivi che usano solo rete WIFI possono vedere un aggiornamento delle connettività di rete, conferendo di fatto l'aggiornabilità del dispositivo. I tablet sono anche caratterizzati da una ridotta intercompatibilità e interoperabilità con i personal computer e da una limitata memoria di massa (HD).

I PDA (Personal Digital Assistant, o palmari) sono computer di dimensioni molto ridotte. Il loro costo è molto inferiore rispetto al costo di un portatile, ma presentano ridotte capacità di calcolo e di memorizzazione rispetto ai personal computer. Sono dotati di un ampio schermo sensibile al tatto (si usa l'apposita penna).

Parti principali di un PC

Vi è una scheda elettronica, detta scheda madre, la quale ospita, mediante appositi connettori, tutti gli altri componenti elettronici del pc (HD, memorie, CPU, BIOS, scheda grafica, audio): in pratica, rappresenta il "sistema stradale" all'interno del computer.

L'unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit, o CPU o processore) è la parte del computer che esegue i calcoli, il cervello. Deve elaborare ed eseguire tutte le operazioni che vengono richieste al pc. È di dimensioni molto ridotte ed ha un dispositivo di raffreddamento che ne evita il surriscaldamento.

Il chip del BIOS (Basic Input Output System) è il componente che governa la procedura di avvio del computer. Il disco fisso (o hard-disk) è il dispositivo che serve per immagazzinare dati in modo permanente, in modo da poterli reperire anche dopo aver spento il computer. Perciò tale tipo di memoria la si definisce anche memoria di massa (o secondaria), per distinguerla da quella volatile (primaria), sulla quale invece il calcolatore carica temporaneamente i processi (programmi in esecuzione) ed i dati ad essi relativi.

All'interno del computer sono infatti presenti altri dispositivi di memorizzazione, come ad esempio la memoria RAM e la memoria ROM. La RAM (Random Access Memory) è una memoria di tipo volatile: ciò significa che i dati in essa contenuti vanno perduti non appena si spegne il computer. La ROM (Read-Only Memory, memoria di sola lettura) è un tipo di memoria non volatile sulla quale è possibile effettuare solo operazioni di lettura. Viene scritta una sola volta, dal costruttore, e contiene le informazioni necessarie all'avvio del sistema.

Osservando il pannello posteriore di un pc troviamo raggruppate le porte (USB, seriale parallela, di rete, fireware), che consentono al computer di comunicare con i dispositivi di I/O con il web. I dispositivi di input sono le periferiche che forniscono dati in ingresso al computer. Un tipico dispositivo è la tastiera; altri sono il mouse (che tramite il movimento muove il puntatore sullo schermo), lo scanner (che permette di leggere un'immagine o un documento cartaceo e di trasferirlo all'interno del computer sotto forma di immagine), il microfono ecc. I dispositivi di output sono le periferiche che permettono di mostrare il risultato di un'elaborazione. Alcuni esempi sono lo schermo e la stampante.

Principali fattori che influenzano le prestazioni di un computer

Le prestazioni di un computer, cioè la sua velocità nell'eseguire le operazioni richieste, dipendono da vari fattori tra cui:

• La frequenza della CPU: più elevata è, tanto maggiore sarà la velocità del computer;
• La dimensione della RAM: la RAM contiene tutti i dati ed i programmi che sono coinvolti nell'elaborazione corrente. Per poter essere elaborato un dato deve essere prima trasferito nella memoria RAM, lo stesso vale per un programma per poter essere eseguito. Una RAM veloce e capiente rende il computer più rapido;
• Il numero di applicazioni in esecuzione contemporanea.

Funzioni della CPU e misura delle prestazioni

L'attuale architettura di un elaboratore è organizzata secondo il modello della Macchina di Von Neumann, definita nei tardi anni 40 all'Institute for Advanced Study di Princeton, costituita da quattro elementi funzionali:

• Unità centrale di elaborazione (CPU);
• Memoria centrale;
• Bus di sistema;
• Interfacce verso le periferiche.

La CPU è costituita da tre parti: unità di controllo (Control Unit, CU), unità aritmetico-logica (Arithmetic Logic Unit) ed i registri. La CU stabilisce quali operazioni devono essere eseguite e comanda la ALU. La ALU esegue i calcoli, effettua le operazioni logiche ed i confronti richiesti dalla CU. I registri sono delle celle di memoria contenute nella CPU che permettono alla CU di memorizzare temporaneamente alcune informazioni utili all'elaborazione, come ad esempio dati e risultati oppure indirizzi di celle di memoria RAM in cui sono contenute informazioni utili all'elaborazione.

La velocità della CPU (frequenza) si misura in MHz (MegaHertz) o in GHz (GigaHertz). Un MHz corrisponde ad un milione di operazioni al secondo, un GHz ad un miliardo di operazioni al secondo. Ad oggi la velocità delle CPU si aggira intorno a 4 GHz. Solo qualche anno fa si aggirava intorno ai 700 MHz. Parallelamente alle prestazioni, però, cresce anche il consumo di tali circuiti e soprattutto, la produzione di calore che deve essere smaltita tramite alette di raffreddamento di dimensioni sempre maggiori. Ciò rappresenta un grave limite anche per i sistemi portatili. Per tale motivo i produttori da alcuni anni hanno abbandonato la continua corsa a velocità sempre superiori, orientandosi verso l'aggregazione di due o più microprocessori di media velocità in un unico involucro: in questo modo è possibile contenere i consumi, ridurre la produzione di calore e contare sulla potenza di elaborazione di più CPU. Sono così nati i microprocessori dual-core, che ospitano in un unico dispositivo due CPU di media potenza, i quad-core (4 CPU) e gli 8-core.

Misura della memoria di un computer

La memoria di un computer viene misurata con unità di misura come il bit, il byte, il KB, MG (megabyte), GB e Tb. Il bit è la più piccola unità di informazione: può avere il valore 0 oppure 1. Un byte è una sequenza di otto bit. Le altre unità di misura sono multiple del byte, in particolare: 1KB = 1024 byte; 1MB = 1024KB; 1GB = 1024MB; 1TB = 1024 GB. Generalmente un carattere occupa 1 byte; verificarlo scrivendo un carattere nell'applicazione blocco note, salvare e controllare la dimensione del file creato.

La memoria centrale

La memoria centrale è un passaggio obbligato per dati e istruzioni: la CPU può scambiare direttamente informazioni soltanto con la memoria centrale, che ha dimensioni limitate ed è volatile (informazioni memorizzate perse allo spegnimento del computer). Come struttura, la memoria centrale è una sequenza di celle di memoria, ciascuna contenente una sequenza di bit chiamata parola (word) di dimensione che cambia a seconda del tipo di calcolatore (8, 16, 32, 64 bit). La memoria centrale è anche caratterizzata da una capacità, che esprima la massima quantità di bit memorizzabili e che viene generalmente misurata in byte.

I dispositivi fisici utilizzati per la memoria centrale sono:

• La RAM (ad accesso casuale);
• La ROM, nella quale vengono contenuti i dati e i programmi per inizializzare il sistema;
• La CACHE, che è un tipo di memoria veloce ma molto costosa. Per questo motivo ha sempre dimensioni limitate, ma è molto utile per memorizzare i dati usati più frequentemente;
• La PROM che si può scrivere soltanto una volta mediante particolari apparecchi (detti programmatori di ROM);
• La Eprom che è cancellabile sottoponendola a raggi ultravioletti;
• Il Firmware che è costituito dal software memorizzato nelle ROM (codice microprogrammato).

Interfacce e bus di sistema

Le interfacce di ingresso/uscita consentono il collegamento dell'elaboratore con le varie periferiche. Il bus di sistema interconnette la CPU, la memoria centrale e le interfacce verso dispositivi periferici ed è tale da collegare due unità funzionali alla volta: una trasmette e l'altra riceve. Il trasferimento avviene sempre sotto il controllo diretto della CPU. Su questo supporto viaggiano dati, indirizzi e comandi; si distinguono perciò tali linee in:

• Bus dati (data bus): è bidirezionale e serve per trasmettere dati dalla memoria al registro dati o viceversa. Se la dimensione (numero di bit) del bus dati è uguale alla dimensione della parola, si può trasferire in parallelo un intero dato, altrimenti occorrono più trasferimenti.
• Bus indirizzi (address bus): è unidirezionale e serve per trasmettere il contenuto del registro indirizzi alla memoria. Viene selezionata una specifica cella per successive operazioni di lettura o scrittura.
• Bus comandi (command bus): è unidirezionale. Esempi: comando di lettura o scrittura verso la memoria, comando di stampa verso una periferica (interfaccia).

Le principali periferiche di input di un computer

Le principali periferiche di input di un computer sono il mouse, trackball, tastiera, scanner, touchpad, penne ottiche, joystick, macchina fotografica digitale e microfono. Il mouse consente facendolo strisciare su una superficie, di spostare il puntatore sullo schermo. Ce ne sono vari tipi, tra cui quelli a sfera (una pallina al loro interno ruota facendo scorrere il mouse su una superficie, attivando dei sensori che rilevano lo spostamento e lo riproducono sullo schermo) e quelli ottici molto più precisi e sensibili, basati su un dispositivo ottico. Generalmente il mouse è dotato di due pulsanti più una rotella.

La trackball è molto simile ad un mouse, solo che è costituito da un dispositivo fisso sul quale è montata una sfera mobile: l'utente, ruotando la sfera, riesce a spostare il puntatore sullo schermo. Lo scanner permette di digitalizzare immagini e documenti cartacei, consentendone la memorizzazione all'interno del computer come immagine. Il touchpad serve allo stesso scopo del mouse, ma viene montato sui computer portatili: è una specie di tappetino (che non si muove) che rileva i movimenti fatti su di esso dal dito dell'utente e li riproduce sullo schermo. Una penna ottica è una penna speciale che alla pressione sull'apposito tappetino, lascia la traccia sullo schermo del computer. Le penne ottiche sono usate molto nelle applicazioni di disegno, nelle quali l'uso del mouse può risultare molto scomodo. I joystick sono dispositivi dalla forma e dimensioni molto variabili che vengono utilizzati nei giochi nei quali l'uso del mouse o tastiera, può risultare scomodo.

Una macchina fotografica (fotocamera) è una macchina che memorizza le foto su una scheda di memoria digitale. Può essere connessa al computer tramite i cavi forniti dal produttore al fine di fare ritocchi, utilizzare le foto in altre applicazioni, creare calendari, stampare, visualizzare o stoccare le foto.

Le principali periferiche di output

Sono i monitor, le stampanti, i plotter e gli altoparlanti. Il monitor è la periferica di output per eccellenza, consentendo di interagire con le applicazioni. Il plotter è un dispositivo che permette di tracciare su un foglio di carta punti e linee di vario spessore e colore. Gli altoparlanti, o casse, permettono di ascoltare musica, suoni o di usare programmi come quelli per telefonare via internet. Alcuni dispositivi sono sia input che di output: i touchscreen, degli schermi interattivi, cioè sensibili ai tocchi delle dita (ad esempio quello installato nelle emettitrici automatiche di biglietti ferroviari).

Principali dispositivi di memoria secondaria

Le memorie secondarie o di massa sono dei dispositivi di memoria caratterizzati da una capacità di immagazzinare dati molto elevata, grazie alla quale le informazioni, i programmi e i dati presenti nella RAM possono essere conservati in maniera permanente. Troviamo:

• Il disco rigido o hard disk in cui vengono memorizzati in maniera permanente tutti i dati. Per dimensione è il più importante; la capacità di un disco rigido è molto elevata e arriva ad alcune centinaia di gigabyte. Generalmente si trova all'interno del computer, tuttavia esistono anche dei dischi rigidi esterni da collegare all'elaboratore, che possono essere rimossi e trasportati;
• I floppy disk o dischetti erano il supporto di memorizzazione più diffuso per trasferire dati da un computer all'altro. Avevano il vantaggio di essere economici e facili da trasportare ma la quantità di informazioni memorizzabile era troppo limitata (in uso dischetti da 3,5 pollici con capacità di 1,44MB). Per leggere un floppy disk occorre inserirlo nell'apposito lettore (floppy drive).
• Il CD (ovvero compact disk) è un disco a lettura ottica materialmente identico a un CD musicale, ma è in grado di memorizzare dati e programmi e può contenere una grande quantità di informazioni (circa 700 MB). Esistono 3 differenti tipi di CD: CD-ROM (compact disc r