Evoluzione della tecnologia informatica: dal bit ad internet, Marengo, Scalera - Definizioni

Informatica e sistemi informativi

Struttura dell'elaboratore elettronico

Macchina virtuale: programma che crea un ambiente virtuale in grado di emulare il comportamento di una macchina fisica; essa è costituita dal linguaggio in essa adottato e dalle risorse che quest’ultimo può gestire.

Livelli di macchina virtuale

• MV1 livello hardware: Risorse: dispositivi fisici (elettronici e magnetici) in grado di effettuare calcoli e/o memorizzare dati; Linguaggio: linguaggio macchina (linguaggio binario).
• MV2 livello firmware: Risorse: interfaccia tra hardware e software del computer; Linguaggio: linguaggio di microprogrammazione, firmware.
• MV3 livello assembler: Risorse: locazioni di memoria, registri di memorizzazioni dei vettori di informazioni; Linguaggio: linguaggio ASSEMBLER.
• MV4 livello di sistema operativo: Risorse: gestore delle risorse di cui è costituito un elaboratore elettronico (memoria, processore, dispositivi di Input e di Output, archivi di dati); Linguaggio: linguaggio sequenziale con chiamate a Sistema.
• MV5 livello applicativo: Risorse: qualunque entità memorizzabile definita dall’utente (basi di dati, archivi, programmi); Linguaggio: linguaggi ad alto livello.

Hardware

Insieme di risorse fisiche, elettroniche e magnetiche (CPU, RAM, dispositivi di I/O, memorie di massa), che cooperano per far sì che l’elaboratore possa interfacciarsi con il mondo esterno, memorizzare informazioni ed effettuare elaborazioni sui dati memorizzati.

Software

Insieme di programmi che permettono alle risorse hardware di funzionare correttamente.

Tipologia degli elaboratori elettronici

• Personal computer (PC): tipologia di elaboratore elettronico più conosciuta, in quanto è caratterizzato da un costo relativamente basso e soddisfa le esigenze sia dell’utente professionale che dell’hobbista.
• Computer portatili (o laptop o notebook): sono piccoli elaboratori elettronici del formato di una valigia ventiquattrore e hanno il vantaggio, rispetto ai PC, di essere facilmente trasportabili a fronte però di un costo maggiore.
• Computer palmari (o Personal Data Assistant): computer grandi come un pacchetto di sigarette, dotati di un apposito sistema operativo in grado di connettersi con altri computer.
• Minicalcolatori: computer con tecnologia e costi superiori ai normali PC, molto utilizzati in ambito aziendale per mettere a disposizione di questi ultimi archivi aziendali e applicazioni software.
• Mainframe: sistemi utilizzati dalle grandi aziende, come le banche, per conservare grosse mole di dati in un’unica sede, consentendo nel contempo a tutte le proprie filiali di accedere agli archivi centrali.

Memorie dell’elaboratore elettronico

• Memoria centrale: memoria interna dove risiedono i dati e i programmi del calcolatore. Sebbene l’unità minima costituente tale memoria è il bit (Binary digit), la sua capacità si misura in byte (8 bit) e suoi multipli: Kilobyte (circa mille bit), Megabyte (circa un milione di bit), Gigabyte (circa un miliardo di bit) e Terabyte (circa mille miliardi di bit). Dal punto di vista logico la memoria centrale può essere vista come una matrice monodimensionale in cui ogni elemento (byte) è individuato dal suo indirizzo e dal suo contenuto. Ogni memoria ha una dimensione che dipende dallo spazio di indirizzamento, ossia dall’insieme di tutti i possibili indirizzi di memoria in cui è possibile contenere un valore. Infine, altra caratteristica essenziale della memoria centrale è la velocità d’accesso, ossia il tempo che trascorre tra l’istante in cui il contenuto di un byte è richiesto e l’istante in cui esso è disponibile; attualmente i tempi di accesso alla memoria centrale sono dell’ordine delle decine di nanosecondi (1 miliardesimo di secondo). La memoria centrale è costituita, a sua volta, da:
  • Memoria di tipo RAM (Random Access Memory): memoria ad accesso casuale (in quanto il processore impiega lo stesso tempo per accedere a qualunque dato in essa contenuto, indipendentemente dalla posizione fisica occupata) e volatile (dal momento che è incapace di conservare le informazioni memorizzate a computer spento).
  • Memoria di tipo ROM (Read Only Memory): memoria a sola lettura non volatile che contiene una serie di programmi che eseguono operazioni di base, di basso livello e di supervisione; come ad es., il BIOS (Basic Input Output System) che rappresenta l’insieme delle istruzioni necessarie per l’accensione e l’inizializzazione del calcolatore.
• Memorie di massa: memorie in grado di conservare i dati senza alimentazione elettrica. La memorizzazione su questo tipo di memorie si fonda su due aspetti: sulla tecnologia di registrazione delle informazioni, che si basa:
  • Sul magnetismo, nel caso in cui la memorizzazione avviene su supporti magnetici aventi una superficie costituita da un insieme di punti ciascuno dei quali rappresenta un bit che a seconda del tipo di magnetizzazione positiva o negativa assume il valore corrispondente 1 o 0.
  • Sull’ottica, nel caso in cui i dati vengono memorizzati sotto forma di microscopiche aree che, riflettendo o meno la luce di un laser, indicano i due possibili stati di un bit: 0 o 1.

  Sul metodo di rapido accesso alla risorsa, che può essere:

  • Sequenziale, se l’accesso al contenuto di una certa locazione di memoria avviene obbligatoriamente previo passaggio su tutte quelle precedenti.
  • Casuale, se l’accesso avviene in modo diretto per merito del doppio movimento della testina dell’unità di lettura e del supporto di memoria.

  Sono memorie di massa:

  • Il floppy-disk (o dischetto): unità magnetica trasportabile ma con una bassa capacità di memorizzazione.
  • L’hard-disk (o disco fisso): memoria di massa veloce e capiente e in genere non trasportabile. È formato da una serie di dischi magnetici che ruotano attorno a un perno centrale e la cui superficie è dotata di una propria testina per leggere e scrivere le informazioni su determinate locazioni in traiettorie circolari, dette tracce.
  • I sistemi di archiviazione rimovibili (IoMegaZip e IoMegaJaz).
  • Il nastro magnetico (o tape): supporto di memorizzazione sequenziale, costituito da una striscia di materiale plastico ricoperta da materiale magnetizzabile; la superficie del nastro è suddivisa in piste, su ognuna delle quali viene memorizzata una sequenza di Bit. Esso viene di solito utilizzato come memoria di backup per creare periodicamente copie di sicurezza dei dati aziendali.
  • Il CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory): memoria di massa ad accesso diretto fondata sulla tecnologia ottica. Esso è un supporto capiente e a basso costo, formato da un primo strato di policarbonato, in cui sono incisi i PIT che rappresentano i dati digitali, da un secondo strato in alluminio che, riflettendo il raggio laser, servirà per leggere i dati memorizzati, e da un terzo strato protettivo. Oltre al CD-ROM, esiste anche il CD-RW (Compact Disk Read Write), sul quale è possibile effettuare infinite registrazioni e cancellazioni, in quanto è costituito da un ulteriore strato, detto Dye, posto tra lo strato di policarbonato e quello di alluminio, che, nel momento della scrittura del CD, viene bruciato e deformato fino a creare i PIT da un raggio laser di potenza più elevata di quello di lettura.
  • Il DVD (Digital Versatile Disc): supporto ottico di grande capacità, esternamente del tutto simile al CD, destinato essenzialmente al video digitale per la distribuzione di film in alta definizione.
• Memoria cache: memoria veloce integrata nel processore, utilizzata da quest’ultimo per memorizzarvi i dati da esso più utilizzati.
• Memoria buffer: memoria temporanea dei dati, posta tra il processore e tutti i dispositivi di I/O.

Processore (o CPU)

Componente dell’elaboratore elettronico che ha la funzione di eseguire le istruzioni costituenti un programma. A livello fisico la CPU è un circuito elettronico formato da alcuni milioni di transistor che trovano posto in un singolo chip (circuito integrato) della dimensione di pochi centimetri quadrati (microprocessore). La CPU è composta essenzialmente da tre unità:

• L’unità Aritmetico-Logica (ALU), che ha il compito di effettuare i calcoli aritmetici e i controlli logici necessari per l’elaborazione delle informazioni.
• L’unità di Governo o Controllo, che permette la sincronizzazione delle varie unità e controlla lo stato di avanzamento di esecuzione di un programma.
• L’unità di Memoria, che ha il compito di interagire con la memoria centrale per prelevare, da quest’ultima, le istruzioni e di memorizzare in piccoli circuiti (registri) i risultati delle operazioni effettuate.

Il ritmo del lavoro del microprocessore è cadenzato da un segnale elettrico (clock) generato internamente al computer e costituito da rapidissimi impulsi che si ripetono svariate volte. Il processore è il principale componente della scheda madre di un elaboratore elettronico; realizzata in diversi strati di vetronite, la scheda madre (o motherboard) è costituita da una serie di chip (chipset), che hanno la funzione primaria di far da ponte tra i diversi bus di sistema (infatti si parla di northbridge per quei chip che si occupano dell’interazione tra memoria e processore, e di southbridge per quei chip preposti all’input/output con le periferiche esterne).

Infine, attualmente i personal computer comprendono, oltre al processore principale (CPU), anche dei circuiti integrati (coprocessori) che svolgono compiti specifici (come ad esempio, la gestione dell’audio o del video) permettendo così nel frattempo alla CPU di eseguire altre istruzioni.

Architetture multiprocessore

• SISD (Single Instruction Single Data): architettura in cui una singola unità esegue un singolo flusso di dati.
• SIMD (Single Instruction Multiple Data): architettura dotata di un’unità che preleva l’istruzione da eseguire e in seguito ordina a più unità di calcolo di eseguirla in parallelo, ciascuna sul proprio dato.
• MISD (Multiple Instruction Single Data): architettura (prevista ma mai realizzata) in cui diverse unità effettuano diverse elaborazioni sugli stessi dati.
• MIMD (Multiple Instruction Multiple Data): architettura in grado di eseguire più istruzioni contemporaneamente utilizzando più unità di calcolo. In quest’ambito è peraltro possibile distinguere due ulteriori classi di architetture:
  • Il collegamento lasco, in cui i vari processori sono situati ognuno in un computer diverso e sono collegati tra loro attraverso una linea di comunicazione.
  • Il collegamento stretto, in cui i vari processori sono situati nello stesso computer.

Porte di input/output

Serie di prese, localizzate sul lato posteriore del computer, che vengono utilizzate per collegare alla macchina tutti i dispositivi esterni.

• Porta parallela: è la più grande tra quelle posizionate sul retro del computer ed è tradizionalmente utilizzata per collegare la stampante.
• Porta seriale: solitamente utilizzata per il collegamento del modem e del mouse.
• Porta PS/2: generalmente i personal computer ne hanno due, una verde per il mouse e l’altra viola per la tastiera.
• Porta video.
• Porta USB: di recente introduzione, è adatta per connettere al computer qualsiasi dispositivo ad essa compatibile. La tecnologia USB consente inoltre di creare “catene” di dispositivi collegati su un’unica porta e permette il collegamento “a caldo” (cioè a computer acceso), a differenza di tutte le altre periferiche che devono essere connesse a computer spento.
• Porta joystick: di classica forma trapezoidale allungata, è utilizzata per il collegamento delle periferiche utili ai giochi.
• Porta audio: generalmente costituita da quattro connettori:
  • La presa “Line in”, per l’ingresso di fonti sonore esterne.
  • La presa “Mic in”, per collegare un microfono e utilizzarlo per le registrazioni vocali o per conversare on-line.
  • La presa “Front out”, per collegare la coppia di diffusori che dovranno essere posizionati di fronte all’utilizzatore del PC.
  • La presa “Rear out”, per collegare la coppia di diffusori che dovranno essere posizionati dietro all’utilizzatore del PC.

Unità di input

Strumenti che consentono di impartire comandi o inserire dati nel computer.

• Tastiera (per l’inserimento alfanumerico).
• Mouse: chiamato “topo” per la sua forma, è un dispositivo che permette di controllare il movimento di un puntatore sullo schermo, attraverso il suo spostamento, e di inviare i comandi, premendo i suoi tasti.
• Touch pad: costituito da una superficie rettangolare sensibile alla pressione, viene spesso adoperato nei computer portatili per direzionare il puntatore.
• Trackball: è un dispositivo simile al mouse in cui il movimento del cursore è legato al movimento di una piccola sfera situata però sul lato superiore.
• Scanner: dispositivo simile ad una fotocopiatrice, che permette di trasformare il contenuto di fogli o fotografie in formati digitali trattabili elettronicamente; inoltre mediante un software appropriato (Optical Character Recognition) consente il riconoscimento ottico dei caratteri tipografici e di trasformare, per esempio, una pagina di una rivista, in un documento di testo.
• Joystick: usato nei videogiochi per controllare oggetti in movimento sul video.
• Fotocamera digitale (che può essere collegata direttamente al computer per acquisire immagini o filmati).
• Videocamera (o webcam): è utilizzata per creare piccoli filmati digitali, scattare fotografie o effettuare videoconferenze.
• Scheda dotata di sintonizzatore TV: inserita in uno slot libero della scheda madre, è in grado di convertire il segnale analogico proveniente da una fonte esterna (antenna), in segnale digitale.
• Touch screen: consente di selezionare immagini grafiche, che compaiono sullo schermo, mediante una semplice pressione del dito.

Unità di output

Dispositivi che consentono di ottenere i risultati delle elaborazioni effettuate dal calcolatore.

• Schermo (o monitor): è la principale interfaccia tra l’utente e l’attività del computer. I monitor più diffusi sono quelli a tubo catodico (CRT), che funzionano sullo stesso principio dei televisori: lo schermo è composto da una fitta griglia di celle al fosforo che, colpite dal fascio di elettroni del tubo catodico, si illuminano e formano l’immagine. Esistono poi anche i monitor piatti a cristalli liquidi (LCD) (usati soprattutto nei computer portatili) che producono un’immagine molto più nitida e non emettono alcuna radiazione; il principio di funzionamento di questi monitor si basa sulla possibilità di orientare le molecole di una particolare sostanza (il cristallo liquido) mediante un campo elettrico: l’allineamento di queste molecole permette infatti di lasciar passare o meno la luce polarizzata facendo così apparire il cristallo di colore chiaro o scuro.
• Stampante: dispositivo che consente di ottenere su carta il risultato di un’elaborazione. Esistono quattro tipi di stampanti:
  • La stampante ad aghi, costituita da testine che mosse lateralmente da elettromagneti battono sulla carta attraverso una nastro inchiostrato lasciando sul foglio l’immagine desiderata.
  • La stampante a getto d’inchiostro, dotata di un carrello che sposta una testina da sinistra a destra e viceversa componendo linea per linea l’immagine sul foglio; la testina è infatti dotata di una serie di ugelli che sparano contro la carta micro-gocce d’inchiostro che, attraverso un campo elettromagnetico, vengono opportunamente direzionate.
  • La stampante laser, dotata di un raggio che viene prima modulato secondo la sequenza di pixel che deve essere impressa sul foglio, e poi viene deflesso da uno specchio rotante su un tamburo fotosensibile elettrizzato che si scarica dove colpito dalla luce. L’elettricità statica attira una fine polvere di materiali sintetici e pigmenti, il toner, che viene trasferito sulla carta; il foglio passa poi sotto un rullo fusore riscaldato ad elevata temperatura, che fonde il toner facendolo aderire al foglio.
  • Il plotter, utilizzato soprattutto in ingegneria e architettura per ottenere su carta complessi e precisi progetti.

Sistemi di numerazione

I sistemi di numerazione posizionali

Soddisfano la comune regola secondo la quale “la posizione occupata da una cifra all’interno di un numero determina il peso della stessa che concorre alla quantificazione del numero stesso”.

Il sistema di numerazione binario

Sistema di numerazione avente un alfabeto composto da 2 simboli {0,1}.

• Esempio di conversione Binario-Decimale:

  (A) = 01010011₂

  (N) = 0×2⁷ + 1×2⁶ + 0×2⁵ + 1×2⁴ + 0×2³ + 0×2² + 1×2¹ + 1×2⁰ = 64+16+2+1 = 83₁₀

• Esempio di conversione Decimale-Binario:

  Divisione	Quoziente	Resto
  83:2	41	1
  41:2	20	1
  20:2	10	0
  10:2	5	0
  5:2	2	1
  2:2	1	0
  1:2	0	1