Informatica generale - appunti

Appunti di informatica generale

Introduzione

Definizione di informatica: insieme dei processi e delle tecnologie che rendono possibile:

• La creazione,
• La raccolta
• L’elaborazione
• L’immagazzinamento
• La trasmissione dell’informazione con metodi automatici

Etimologia: l’etimologia italiana della parola informatica proviene dal francese, dalla contrazione di "information electronique ou automatique" (P. Dreyfus, 1962); gestione automatica dell’informazione mediante calcolatore. (elaboratore elettronico)

Computer

Intendiamo un elaboratore di tipo elettronico e digitale.

Definizione: il sistema di elaborazione è una macchina pensata allo scopo di elaborare dati ad altissima velocità con:

• Velocità: svolge milioni di istruzioni al secondo;
• Precisione: il margine di errore deve essere pressoché nullo o all’interno di una determinata soglia prestabilita;
• Versatilità: può svolgere compiti/attività molto diversi fra loro.

Il computer è costituito da materiali solidi ed è progettato per eseguire programmi (ovvero insieme di istruzioni). Il computer è costituito da un sistema operativo ed applicazioni.

Sistema operativo

Gestisce l’hardware.

Programmi applicativi

Svolgono le operazioni.

Elaborare le informazioni: un ciclo

Input: la fase di input consiste nell'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, numeri, immagini o suoni.

Distribuzione: i dati possono essere stampati e distribuiti, oppure trasmessi direttamente da un computer all'altro; un esempio è l'invio di documenti come allegati della posta elettronica o attraverso un sito Web.

Elaborazione: una volta inseriti nel computer i dati possono essere elaborati. Ad esempio, si può paragonare, classificare o sommare numeri, formattare un testo o creare immagini e suoni.

Output: per vedere (o ascoltare) il risultato dell'elaborazione sono necessari dispositivi di output, come lo schermo, la stampante e gli altoparlanti. Le informazioni ottenute possono anche essere sottoposte a un'ulteriore elaborazione, ad esempio per integrare i suoni e le immagini in una presentazione multimediale.

I tipi di dati

(che possono essere elaborati da un computer):

• Dati numerici: sono stati i primi a essere elaborati dal computer, prima per le organizzazioni militari e poi per le grandi aziende; ancora oggi, il trattamento dei dati nella gestione degli inventari e dei libri paga e nella registrazione delle vendite avviene più o meno allo stesso modo rispetto ad anni fa (attraverso i database).
• 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 per l'università, o in operazioni più complesse, come la redazione del bilancio dello Stato.
• Grafici: servono per illustrare e rendere più comprensibile il significato di una tabella di dati numerici.
• Fotografie ed altri elementi grafici: possono essere memorizzati, elaborati e inseriti in documenti o presentazioni multimediali.
• Personaggi e oggetti animati: si muovono sullo schermo per divertire e informare l'utente.
• Suoni: come la musica, la voce e gli effetti sonori possono essere memorizzati, elaborati e riascoltati.
• Video: come interviste e film, vengono memorizzati come dati in modo da poter essere modificati o rivisti in qualsiasi momento.

Tipi di elaboratori

Multiutente:

• Supercomputer
• Mainframe/Server
• Minicomputer
• Terminali (stupidi/intelligenti)
• Network computer

Personal Computer:

• Desktop
• Workstation
• Notebook
• Tablet PC
• Computer palmari
• PDA (Personal Digital Assistant)

Il linguaggio dell'informatica è mutevole

Quindi, va aggiornato continuamente.

Multiutente

• Supercomputer: si definiscono supercomputer i calcolatori più potenti disponibili in un determinato arco di tempo (riescono a ricavare l’informazione richiesta). "Potente" si intende la velocità di esecuzione (tempo nel riuscire a raggiungere il risultato richiesto), la capacità di memoria (si può immagazzinare un’informazione abbastanza grossa, difficile da immagazzinare in altri computer) e la precisione di macchina (range posto di errore in cui viene eseguita un’operazione, deve essere molto piccolo).
• Mainframe/Server: sono utilizzati nelle grandi aziende per svolgere funzioni centralizzate come la gestione della contabilità.
• Minicomputer: spesso usati dalle grandi aziende e dai centri di calcolo.
• Terminali: sono dotati soltanto di schermo, tastiera e componenti necessari per comunicare con il computer a cui sono connessi e servono esclusivamente per inviare e ricevere informazioni (terminali stupidi) oppure possono essere dotati di limitate capacità di elaborazione (terminali intelligenti).
• Network Computer: sono progettati per essere utilizzati su reti di computer.

Personal Computer

• Desktop: computer fissi da tavolo.
• Workstation: PC di alto rendimento e piccole dimensioni.
• Notebook: sono computer leggeri e maneggevoli.
• Tablet PC: dispositivi portatili con schermo tattile.
• Computer palmari: dispositivi tascabili.
• PDA (Personal Digital Assistant): inizialmente creati come organizer, recentemente possono ricevere e inviare mail, navigare in internet grazie al wireless.

Hardware

Hardware

Per hardware si intendono i componenti materiali, tangibili del computer: tastiera, video, mouse, scheda madre, scheda video, stampante, ecc. (l'aggettivo inglese "hard" significa "duro, rigido" e la parola "ware" può essere tradotta con "materiale").

Il termine hardware è in uso da molti secoli ben prima che il primo computer facesse la sua comparsa. In origine la parola indicava attrezzi pesanti di metallo, elementi da costruzione come chiodi o cardini o anche articoli di ferramenta.

L’hardware fondamentale per il funzionamento dello stesso è la scheda madre: fa da supporto e connessione per tutti i componenti interni del computer e contiene una serie di circuiti adibiti al controllo delle varie parti dell’elaboratore. (È il “motore” del nostro PC)

Il nome della scheda madre 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: insieme di circuiti integrati (chip) che svolgere una certa funzione. Nei PC il termine chipset viene utilizzato per indicare l'insieme dei chip di una scheda madre che si occupano di smistare e dirigere il traffico di informazioni passate attraverso il bus di sistema, fra CPU, RAM e controller delle periferiche di input/output.
• Cache: insieme di dati che viene memorizzato in una posizione temporanea, dalla quale possa essere recuperato velocemente su richiesta (come una memoria molto veloce sul quale vengono depositati i dati che vengono utilizzati con più frequenza) (es. copia/incolla di una parola all’interno di Word).
• 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 suo caricamento

Conformazione di una scheda madre

CPU (Central Processing Unit): ovvero l’unità centrale di elaborazione. La CPU esegue le istruzioni dei vari programmi, sovrintende al funzionamento dell'intera macchina.

• Le CPU sono ricavate da lamine sottili di silicio (chip).
• Ogni chip contiene milioni di transistor (piccolissimi interruttori ON/OFF).
• I transistor sono collegati tra loro da tracce sottili di alluminio.
• I transistor e i fili di collegamento formano i circuiti che elaborano i dati.

Ogni CPU ha un set di istruzioni diverso ed incompatibile tra diversi produttori. Nel corso degli anni c’è stata una notevole evoluzione di CPU (velocità computer notevolmente aumentati) a gestire evoluzione di queste schede vi è una legge empirica (non dimostrabile, che si basa su dati effettivi): Legge di Moore: legge empirica che afferma che la complessità dei dispositivi (numero dei transistor per square inch nei processori) raddoppia ogni 18 mesi. Gordon Moore, co-founder di Intel, 1965. Con il continuo aumento del numero di transistor contenuti in un singolo chip, il costo per una potenza elaborativa si riduce sempre di più si stima che la legge di Moore barca ancora almeno questo decennio.

In molti computer, e anche all’interno delle stesse CPU particolarmente evolute, ci sono con processi e multiprocessori. (es. quad core, dual core) all’interno della CPU, concorrono per la risoluzione di un problema/operazione concorrono diversi processori:

• Coprocessori: una singola CPU con un coprocessore che collaborano tutti insieme alla risoluzione di un determinato quesito: avremo una CPU con dei coprocessori che elaborano l’informazione, la memorizzano nel sistema e danno luogo all’output.
• Multiprocessori: computer con all’interno diverse CPU (processori) con tante cache quante sono le CPU, che lavorano in maniera indipendente una dall’altra, viene memorizzata l’informazione e avremo successivamente il sistema di ingresso e uscita.

Parti della CPU

È formata al suo interno da diverse unità/sezioni.

• Unità di controllo: decifra ogni istruzione che vi viene memorizzata e poi la esegue. Governo il flusso dei segnali elettronici fra la memoria centrale e l’ALU.
• ALU (Arithmetic-Logic Unit): esegue le operazioni aritmetiche e logiche, inoltre controlla la velocità che queste operazioni. Operazioni aritmetiche: +, -, :, x. Operazioni logiche: =, <, > (operazioni di confronto derivanti dall’algebra di Boole).
• Registri: le aree di memorizzazioni ad alta velocità. Le unità di controllo e l’ALU usa nei 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 risultati di calcolo.
• Bus: le linee di collegamento sono connessioni elettriche utilizzate per trasmettere i beat all’interno della CPU e dalla CPU alla scheda madre.

Parametri relativi alla CPU

• Bit: indica la lunghezza della parola o dimensione della parola ovvero il numero di bit che un computer può trattare simultaneamente (ovvero che la CPU è in grado di elaborare informazioni da 32bit, in 32bit).
• GHz (gigahertz): indica la velocità del clock (orologio dei chip): numero di cicli al secondo. Nota: non tutti i processori elaborano le istruzioni nello stesso numero di cicli.

Architetture dei processori

• CISC: microprocessori con insieme di istruzioni complesso, possono subire rallentamenti a causa della grande quantità delle operazioni da svolgere.
• RISC: microprocessori con insieme di istruzioni ridotto, che sono veloci e possiedono una speciale architettura interna che consente l’esecuzione di più istruzioni in un unico ciclo di elaborazione. Esempio: cosa vuol dire che un processore ha 32bit e 3GHz?

Miglioramenti della CPU

Esistono tre modi per migliorare le prestazioni di un sistema:

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

Memorie centrali

Le più importanti dell’elaboratore elettronico sono:

1) RAM (Random Access Memory)

È memoria volatile, in cui si memorizza il software: nel momento in cui il PC si spegne tutte le informazioni in esso contenute si perdono. È una memoria con aree di memorizzazione temporanea delle istruzioni e dei dati di un programma. Le informazioni vengono immagazzinate nel modo del tutto casuale (ad accesso casuale).

• DRAM (Dynamic RAM): deve essere costantemente aggiornata dalla CPU per evitare di perderne il contenuto.
• SDRAM (Synchronous DRAM): è sincronizzata sul clock del sistema e pertanto più veloce della precedente.
• SRAM (Static RAM): più veloce delle memorie dinamiche e conserva il proprio contenuto senza richiedere costantemente l'aggiornamento della CPU.

2) ROM (Read Only Memory)

È memoria non volatile, in cui è memorizzato il firmware. Chip per la memorizzazione delle istruzioni di avvio. La ROM può essere scritta o 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.

3) PROM (Programmable ROM)

Si tratta di una ROM che può essere caricata con programmi e dati. L'operazione di scrittura può essere eseguita una sola volta.

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 gli altri componenti tramite l'implementazione di protocolli di comunicazione o interfacce di programmazione. (Consente di far comunicare i dispositivi hardware con la memoria centrale)

4) Cache

La memoria cache conserva temporaneamente 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.

5) La memoria virtuale

La maggior parte dei sistemi operativi consente di utilizzare un'area di memoria virtuale. È uno spazio libero su disco che viene utilizzato per estendere la capacità della RAM.

Funzionamento della memoria virtuale:

La memoria virtuale rallenta l'esecuzione dei programmi, ma permette di far funzionare applicazioni più grandi della RAM stessa.

6) Hard Disk

Luogo dove vengono memorizzati in maniera permanente tutti i documenti, i dati ed i programmi.

Funzionamento del buffer o clipboard: la clipboard (o buffer, o appunti) serve a trasferire informazioni tra applicazioni contemporaneamente aperte, oppure in punti diversi della stessa applicazione (es. Copia e Incolla).

Bus: connessioni e porte per i dispositivi di I/O

• Bus di sistema o locale: connessione fisica tra CPU e le altre componenti del computer; trasporta i dati da un dispositivo all'altro.
• Porta: connettore esterno che consente di collegare al sistema vari tipi di cavi e dispositivi; porta seriale o parallela: connessioni “storiche” dei vecchi computer, usate: la prima per il modem e la seconda per le stampanti. (Ormai sostituite con metodi di trasmissione più moderni – es. USB)
• Porta seriale: trasmissione lenta dei dati a lunga distanza. Invia i bit uno di seguito all'altro. È utilizzata per connettere i dispositivi che non richiedono una trasmissione veloce (tastiera, mouse, monitor, modem). Sono utili per inviare dati a lunga distanza.
• Porta parallela: 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.
• Porta 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 i dischi fissi, dischi CD-ROM, scanner e altre unità di backup a nastro magnetico. Sono più recenti ed hanno molti vantaggi rispetto alle precedenti connessioni:
  • Velocità;
  • Si possono connettere in serie, un dispositivo dopo l'altro;
  • Consentono la connessione di dispositivi periferici e schede di espansione che vengono configurati automaticamente (Plug & Play: riconoscimento del dispositivo connesso e installazione).
• Porte firewall: viene comunemente usata per collegare i dispositivi di archiviazione o dispositivi di acquisizione video. L'interfaccia firewall è tecnicamente superiore all’interfaccia USB, ma questa è molto più diffusa per via dei brevetti.
• Porte dedicate: per la tastiera, mouse, linea telefonica…