Informatica generale

Introduzione all'informatica generale

Insieme dei processi e delle tecnologie che rendono possibile la creazione, la raccolta, l'elaborazione, l'immagazzinamento e la trasmissione dell'informazione con metodi automatici. L'etimologia italiana della parola informatica proviene dal francese, dalla contrazione di informazioni electronique ou automatique, = gestione automatica dell'informazione mediante calcolatore.

Il computer e il sistema di elaborazione

Il computer è un elaboratore di tipo elettronico e digitale. Il sistema di elaborazione è una macchina pensata allo scopo di elaborare dati ad altissima velocità, con milioni di istruzioni al secondo, precisione che non prevede margine di errore e versatilità nello svolgere compiti molto diversi. Esso è costituito da parti materiali ed è progettato per eseguire programmi, insiemi di istruzioni. Esso è formato da un sistema operativo, gestisce l'hardware, e dalle applicazioni, svolgono le operazioni.

Elaborazione delle informazioni

Elaborare le informazioni è un ciclo che prevede:

• Input: fase di immissione di dati nel computer; i dispositivi di input più comuni sono la tastiera, lo scanner, il mouse, il microfono e la telecamera. I dati da inserire possono essere testi, rumori, immagini o suoni.
• Elaborazione dei dati immessi, si possono classificare, sommare, formattare un testo, creare immagini e suoni, sommare numeri e modificare.
• Output, per vedere o ascoltare il risultato dell'elaborazione sono necessari dei dispositivi di output, come schermo, stampante e altoparlanti.
• Memorizzazione dei dati permette di visionare i dati anche successivamente, salvando i dati su memorie come le comuni SSD.
• Distribuzione dell'informazione, i dati elaborati o memorizzati possono essere distribuiti e trasmessi da un computer all'altro o distribuiti in rete.

Tipi di dati

Tipo di dati che possono essere elaborati sono molteplici:

• Dati numerici: i primi ad essere elaborati dai computer, inizialmente dalle aziende militari, poi dalle grandi aziende. Il trattamento dei dati nella gestione degli inventari e dei libri paga e nella registrazione delle vendite ancora oggi avviene allo stesso modo.
• Parole: possono essere elaborate in promemoria, lettere, relazioni, articoli, libri, ecc. Inoltre, grazie a un processo noto come desktop publishing, è possibile dare al testo un formato tipografico.
• Numeri: l'elaborazione di numeri può consistere in operazioni relativamente semplici, come la stima delle spese annuali, la redazione del bilancio dello Stato, ecc.
• Dati grafici: servono per illustrare/rendere comprensibile il significato di una tabella di dati numerici.
• Elementi grafici: come fotografie, possono essere memorizzati, elaborati e inseriti in documenti o presentazioni multimediali.
• Animazioni: si personaggi e oggetti animati, si muovono sullo schermo per divertire e informare l'utente.
• Suoni: musica, voce ed effetti possono essere memorizzati, elaborati ed ascoltati.
• Video: interviste e film, vengono memorizzati come dati in modo da poter essere modificati o rivisti in qualsiasi momento.

Tipi di elaborati

I tipi di elaborati includono:

• Multiutente: supercomputer, mainframe o server, minicomputer, personal computer, terminali (stupidi o intelligenti) e network computer.
• Personal computer: desktop, workstation, notebook, tablet PC, computer palmari e PDA.

Facciamo alcune brevi delucidazioni su alcuni di questi:

Supercomputer

Si definiscono supercomputer quei calcolatori più potenti disponibili in un determinato arco di tempo, potenza che si traduce nella sua velocità di esecuzione, nella capacità di memoria e nella precisione di macchina, il rango di errore posto nel momento in cui avviene un'operazione deve essere infimo.

Mainframe server

Usati nelle grandi aziende per svolgere funzioni centralizzate come la gestione della contabilità.

Minicomputer

Spesso usati dalle grandi aziende e dai centri di calcolo.

Terminali

Dotati soltanto di schemi, tastiera e componenti necessari per comunicare con il computer a cui sono connessi e servono a inviare e ricevere informazioni (terminali stupidi) oppure possono essere dotati di limitate capacità di elaborazione (terminali intelligenti).

Desktop

Sono la forma comune e domestica dei PC che conosciamo.

Workstation

Sono PC di alto rendimento e di piccole dimensioni.

PDA (Personal Digital Assistant)

Inizialmente creati come un organizer, recentemente possono ricevere/inviare mail e navigare in internet grazie dal wireless.

Il computer e l'hardware

Per hardware si intendono le componenti materiali/tangibili del computer, come tastiera, mouse, video, scheda madre, scheda video e stampante. Il termine hardware è in uso da secoli prima che il computer facesse la sua comparsa, in origine indicava oggetti pesanti di metallo o ferramenta in generale.

Scheda madre

La componente principale e hardware fondamentale è la scheda madre, che fa da supporto e connessione per tutti i componenti del computer e contiene circuiti adibiti al controllo delle varie parti dell'elaboratore, è il motore del PC. Il nome deriva dal fatto che per aggiungere funzionalità e potenza al PC si possono inserire schede addizionali negli appositi slot. 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. Sulla scheda madre si inseriscono la CPU, la RAM e le varie schede di espansione. Vi si trovano inoltre le prese per il collegamento dell'HD e dei drive per i dischi mobili.

Chipset

Con chipset si intende una serie di circuiti integrati che svolgono una determinata funzione. Nei PC il termine chipset viene utilizzato per indicare l'insieme di chip di una scheda madre che si occupano di smistare e dirigere il traffico di informazioni passante attraverso il Bus di sistema tra CPU, RAM e controller delle periferiche di input e output.

Cache

Le cache sono insieme di dati che viene memorizzato in una posizione temporanea, dalla quale possono essere recuperati velocemente su richiesta. Una memoria veloce nella quale vanno a depositarsi i dati che vengono memorizzati con più frequenza, es. il copy and paste.

BIOS

BIOS (Basic Input/Output System): 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 (Read-Only Memory) la sequenza di istruzioni di avvio (boot) che viene eseguita automaticamente ad ogni accensione del computer:

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

CPU

La CPU (Central Processing Unit) esegue le istruzioni dei vari programmi e sovrintende al funzionamento dell'intera macchina. Le CPU sono ricavate da lamine sottili di silicio (chip), le quali contengono milioni di transistor (interruttori ON/OFF); tali transistor sono a loro volta collegati tra loro da tracce sottili di alluminio. I transistor e i fili di collegamento formano i circuiti che elaborano dati. Ogni CPU ha un set di istruzioni diverso ed è incompatibile tra diversi produttori.

Legge di Moore

Legge di Moore: legge empirica che afferma che la complessità dei dispositivi, numero di transistor per pollice quadrato nei processori, raddoppia ogni 18 mesi. Con il continuo aumento dei transistor contenuti in un singolo chip, il costo per unità di misura e potenza elaborativa si riduce sempre di più. Si stima che questa legge valga ancora per questo decennio.

In molti computer e anche in CPU evolute ci sono coprocessori e multiprocessori. All'interno della CPU concorrono per la risoluzione di operazioni e problemi diversi processori. Tali coprocessori elaborano e memorizzano l'operazione per poi dare luogo all'output. Nel caso di Multiprocessori, quindi computer con più CPU avremo all'interno di tali CPU diverse cache che lavorano indipendentemente l'uno dall'altro per elaborare, memorizzare e mettere in output la nostra operazione.

Divisione della CPU

Una CPU si divide in diverse parti:

• Unità di controllo: decifra ogni istruzione che vi viene memorizzata e poi la esegue. Governa il flusso dei segnali elettronici fra memoria Centrale e l'ALU.
• ALU (Arithmetic-Logic Unit): esegue le operazioni aritmetiche e logiche, oltre a controllarne la velocità. (Operazioni aritmetiche: +,-,:,• ; operazioni logiche: =, <, >)
• Registri: aree di memorizzazione ad alta velocità. Le Unità di Controllo e le ALU usano i registri per ottimizzare le prestazioni del computer. Possono conservare le istruzioni di un programma durante la decodifica, memorizzare i dati elaborati dalla ALU o memorizzare i risultati di calcolo.
• BUS: linee di collegamento, sono connessioni elettriche utilizzate per trasmettere i bit all'interno della CPU e dalla CPU alla scheda madre.

Caratteristiche del processore

Cosa vuol dire che un processore ha 32 bit e 3 Ghz?

32 bit indica la lunghezza o dimensione della parola, ovvero il numero di bit che un computer può trattare simultaneamente, in questo caso la CPU è in grado di elaborare informazione da 32 in 32 bit. 3 Ghz indica la velocità del clock, orologio del chip, in questo caso si parla di cicli al secondo, ma non tutti i processori elaborano le istruzioni nello stesso numero di cicli.

Miglioramento delle prestazioni

Esistono 3 modi per migliorare le prestazioni di un sistema:

• Migliorare le capacità dei dati: maggiore capacità dei dati che un computer può trasmettere ed elaborare, maggiori sono la sua velocità e potenza (dipende dalla lunghezza della parola);
• Migliorare la velocità di elaborazione: incrementare la velocità del clock;
• Migliorare l'efficienza: gli elaboratori sono programmati per svolgere compiti mediante una serie di istruzioni, vocabolario. Più grande è il vocabolario maggiore è il numero di frasi generate.

CISC e RISC

CISC: microprocessori con insieme di istruzioni complesso. Possono subire rallentamenti a causa della grande quantità di operazioni da svolgere.

RISC: microprocessori con insieme di istruzioni ridotto. Sono veloci e possiedono una speciale architettura interna che consente l'esecuzione di più istruzioni in un unico ciclo di elaborazioni.

Tipi di memorie centrali dell'elaboratore elettronico

RAM

La RAM (Random Access Memory): è una memoria con delle aree di memorizzazione temporanea, delle istruzioni e dei dati di un programma. RAM significa che le informazioni memorizzate all'interno di esse vengono memorizzate in maniera del tutto casuale. I chip della RAM memorizzano temporaneamente le istruzioni e i dati prima e dopo l'elaborazione da parte della CPU. La RAM è una memoria volatile.

Nei PC si distinguono tre diversi tipi di RAM:

• La DRAM (Dynamic RAM) che deve essere costantemente aggiornata dalla CPU per evitare di perderne il contenuto;
• La SDRAM (Synchronous DRAM) che essendo sincronizzata sul clock di sistema è più veloce;
• La SRAM (Static RAM), più veloce delle memorie dinamiche e conserva il proprio contenuto senza richiedere costantemente l'aggiornamento alla CPU.

ROM

ROM (Read-Only Memory): chip per la memorizzazione di istruzioni di avvio. La ROM può essere scritta cancellata solo impiegando speciali istruzioni. I chip contengono istruzioni fisse, non modificabili. In gergo, con "read" si intende il trasferimento dei dati da una fonte di input alla memoria del PC o alla CPU. Pertanto nel caso della ROM, Read Only indica il fatto che la CPU può prelevare informazioni ma non può apportarvi modifiche.

PROM

PROM (Programmable ROM): si tratta di una ROM che può essere caricata attraverso programmi e dati, programmabile, preinstallata. L'operazione può essere eseguita una sola volta.

ROM = memoria non volatile, in cui è memorizzato il firmware, quando il PC si spegne le informazioni vengono perse.

RAM = memoria volatile casuale, in cui si memorizza il software.

Firmware

Il firmware è un programma, inteso come sequenza di istruzioni, integrato direttamente in un componente elettronico nel senso più vasto del termine. Lo scopo è quello di avviare il componente stesso e consentirgli di interagire con altri componenti tramite l'implementazione di protocolli di comunicazione o interfacce di programmazione.

Cache

Cache: memoria che conserva contemporaneamente in una memoria veloce le istruzioni e i dati che la CPU utilizza con maggiore frequenza.

Esistono due tipi di cache:

• Interna: fa parte del microprocessore. La sua capacità è inferiore a quella di secondo livello, ma la sua velocità è superiore.
• Esterna: è costituita da chip di memoria SRAM.

La memoria virtuale

La maggior parte dei sistemi operativi consente di utilizzare un'area di memoria virtuale, è lo spazio libero su disco che viene utilizzato per estendere la capacità di RAM. I dati in eccesso vengono immagazzinati su un hard disk fino al momento dell'utilizzo, all'occorrenza la RAM va in lettura sull'hard disk e quindi i dati vengono trasferiti sulla RAM dove sono presenti altri dati che vengono sostituiti. La RAM invia elementi non utilizzati sull'hard disk, ma quando servono li va a recuperare facendo spazio. La memoria virtuale rallenta le esecuzioni dei programmi ma permette di far funzionare applicazioni più grandi della RAM stessa.

Hard disk

L'hard disk: luoghi in cui vengono memorizzati permanentemente tutti i documenti, dati e programmi.

I bus - connessioni e porte

Tutti questi dispositivi sono collegati tra di loro attraverso dei bus, connessioni e porte per i dispositivi di input/output.

Bus di sistema

Bus di sistema oppure locale: sono la connessione fisica tra CPU e le altre componenti del computer, riportando i dati da un dispositivo all'altro.

Porte

Con porta parliamo di connettore esterno che consente di collegare al sistema vari tipi di cavi e dispositivi; la porta può essere seriali o parallele: sono le connessioni storiche dei computer usate la prima per il modem, la seconda per le stampanti.

Porte seriali

Le porte seriali: trasmissione lenta dei dati a lunga distanza. Invia i bit uno di seguito all'altro. È utilizzata per connettere dispositivi che non richiedono una trasmissione veloce (tastiera, mouse, monitor, modem). Sono utili per inviare dati a lunga distanza.

Porte parallele

Le porte parallele: trasmissione veloce dei dati a breve distanza. Una linea connessa a una porta parallela consente la trasmissione contemporanea di 1 byte. Sono efficienti solo per distanze fino a 4/5 metri. Usate per connettere stampanti, dischi esterni o dispositivi di memorizzazione su nastro.

Porte SCSI

Le porte SCSI (Small Computer System Interface): trasmissione veloce dei dati a un massimo di 7 dispositivi a velocità di 32 bit. Fra i dispositivi connessi vi sono dischi fissi, dischi CD-ROM, scanner e altre unità di backup a nastro magnetico. Sono più recenti ed hanno molti vantaggi rispetto alle connessioni precedenti: maggiore velocità, possono connettere in serie, un dispositivo dopo l'altro, consentono la connessione di dispositivi periferici e schede di espansione che vengono configurate automaticamente (Plug & Play). Un esempio di queste sono le porte USB.

USB

USB (Universal Serial BUS): sono di tipo Plug & Play, consentono la connessione di dispositivi periferici e schede di espansione che vengono configurate automaticamente, appena connesse il sistema operativo riconosce il dispositivo attraverso il firmware e le auto installa.

Porte Firewire

Porte Firewire: viene comunemente usata per collegare dispositivi di archiviazione o dispositivi di acquisizione video. L'interfaccia Firewire è tecnicamente superiore all'interfaccia USB, ma questa è molto più diffusa per una questione di brevetti.

Porte dedicate

Porte dedicate: per la tastiera, per il mouse, la linea telefonica ecc.

Porte infrarossi e Bluetooth

Porte infrarossi e Bluetooth: per le connessioni senza filo a breve distanza. Una porta a infrarossi consente a un computer di stabilire una connessione senza filo con altri dispositivi a infrarossi. Richiede una linea di vista sgombra e senza ostacoli fra le porte e inoltre la distanza è molto limitata. Per quanto riguarda il Bluetooth, si tratta di una tecnologia molto economica che permette una connessione wireless in un raggio di circa 10 metri.

Dispositivi di input/output

I dispositivi di I/O sono innumerevoli, un computer può essere un mezzo di input per un altro, trasmettendogli informazioni; poi non vanno dimenticati i mezzi 'special purpose' usati in molti settori, come termometri, sensori, telecamere digitali ecc.

Hardware di input

L'hardware di input è costituito da dispositivi che traducono i dati in un formato che può essere elaborato dal computer.

Possono essere:

• Tastiere: l'attuale tastiera è il risultato di anni di ricerche e adattamenti, oramai divenuta standard costruttivo ma non è priva di problemi specifici per certe lingue o categorie di utenti. Esistono per tali ragioni tastiere ergonomiche che hanno una forma e una tecnologia dei tasti tale da evitare problemi di salute, e le tastiere virtuali, che rappresentando sullo schermo i tasti da premere ovviano il problema delle lingue o delle scritture ideografiche.
• Dispositivi di puntamento: utilizzano le GUI (Graphical User Interface). Il mouse è quello più utilizzato, è dotato di uno o più tasti al quale possono essere assegnate varie funzioni, il primo venne brevettato nel 1967. Il touchpad è una superficie piana sulla quale si può far scorrere un dito per posizionare il puntatore sul punto desiderato. Anche il touch-screen è un dispositivo di puntamento. Lo schermo è ricoperto da uno strato in materiale plastico sotto il quale passano dei raggi infrarossi invisibili. Input a penna può essere Computer a penna, Penna ottica oppure con Tavoletta digitalizzatrice.
• Dispositivi per l'introduzione dei dati: non richiedono l'impiego di tastiere o di dispositivi di puntamento. Possono essere introdotti alla fonte. Creano dati su dispositivi magnetici o carta oppure inviano tali dati direttamente al computer.