Informatica per l'impresa

L'utente e il sistema operativo

Un computer è fisicamente costituito da un insieme di componenti elettroniche e meccaniche le quali necessitano di essere coordinate e governate. Questo compito viene svolto dal sistema operativo (OS). Un sistema operativo è un programma molto complesso (ovvero una sequenza di comandi che indica a un computer le azioni da compiere) e si occupa di amministrare le componenti meccaniche ed elettroniche. L'interfaccia grafica che ci permette di relazionarci con il sistema operativo, e quindi di dare comandi al computer in modo semplice e intuitivo, è il desktop.

Organizzazione delle informazioni

Una delle funzionalità fondamentali del sistema operativo è quella di mettere a disposizione dell'utente un'interfaccia per organizzare dati e informazioni. Il tipico modello utilizzato dal OS viene definito schedario: presenta delle unità che contengono cartelle (directory) che, a loro volta, contengono file (documenti) o altre cartelle, rappresentate da icone le quali possono variare esteticamente a seconda del sistema operativo. L'insieme di file, cartelle e di tutte le attività che servono per gestirle costituiscono il file-system. La struttura del file-system ricorda quella degli alberi e si definisce gerarchica.

Tutte le informazioni presenti in un computer (file) sono memorizzate con codifiche binarie. I numeri binari sono costituiti da sequenze di 0 e di 1 e si basano su una rappresentazione posizionale in base 2. Il peso di ogni cifra dipende dalla sua posizione nel numero: le cifre sulla destra vengono denominate “meno significative”, mentre quelle a sinistra “più significative”. (101 = 1*2² + 0*2¹ + 1*2⁰)

Un bit rappresenta un'unica cifra binaria 0 o 1, ed è l'unità di misura utilizzata per la trasmissione di informazioni, mentre un byte è costituito da 8 bit, ed è l'unità di misura utilizzata per la memorizzazione dell'informazione.

Categorie di file

I file si possono raggruppare in due grandi categorie:

• File di caratteri, che contengono sequenze di lettere dell'alfabeto, simboli di punteggiatura e altri simboli speciali. I caratteri sono rappresentati da sequenze numeriche che rispettano un'opportuna codifica. Una delle codifiche più diffuse è nominata ASCII. In questa codifica ogni carattere è messo in corrispondenza con un numero binario di sette bit (e dunque contenuto in un byte). Un'estensione della tabella ASCII molto utilizzata è data dalla codifica UNICODE.
• File binari, nei quali non c'è una corrispondenza diretta tra le sequenze numeriche e i caratteri dell'alfabeto. Ne deriva che, tali file, non possono essere visualizzati direttamente, ma solo con appositi programmi. Essi si possono suddividere in due grandi categorie: quelli eseguibili direttamente dal computer e quelli per i quali occorre un programma particolare.

Oltre a questa classificazione è possibile che, alcuni file di testo, presentino una struttura ben definita (HTML) oppure che siano in parte binari e in parte testuali (.pdf). Il file-system è un insieme di cartelle e file che serve a raggiungere determinati file. Vi sono diverse modalità di navigazione; la più comune consiste nel cliccare due volte sulla cartella con il tasto sinistro del mouse in modo da esplorarne il contenuto. Un altro modo per raggiungere il file è quello di indicare direttamente il cammino (path) delle cartelle che bisogna attraversare. Si possono utilizzare due diversi tipi di cammini: assoluti e relativi. La differenza riguarda la cartella di partenza, nel primo si parte dalla radice, mentre nel secondo dalla cartella aperta correntemente. / My document / My videos / Film / science fiction / Star Wars / film.avi Viene da se che questo sistema pone un problema, ovvero quello di ricordarsi dove è situato il file che vogliamo aprire. Per sopperire a ciò il OS fornisce un programma che permette di cercare e individuare la presenza di file e cartelle nel file-system. L'apertura e l'attivazione dei file tramite le loro icone avviene con un doppio clic sull'icona. Usiamo il termine “attivazione” per le applicazione e il termine “apertura” per documenti, immagini, file audio, … . Va precisato che ogni qualvolta apriamo un file viene attivato anche un programma a lui associato.

Interfaccia testuale

Prima della nascita dei sistemi operativi con interfaccia grafica vi erano le interfacce testuali che davano comandi al OS, usando parole come list, del o copy, e, quest'ultimo, rispondeva con testi. Microsoft e IBM avevano sviluppato, nel 1981, un sistema operativo conosciuto come DOS, e da esso derivano i primi OS con interfaccia grafica della Microsoft. L'utente aveva a disposizione la tastiera e un interprete di comandi per interagire con il OS, denominato “prompt di comandi”, e pochi programmi prevedevano l'uso di accessori (mouse). Le cartelle venivano chiamate “directory” e veniva mantenuto la metafora dell'albero per il file-system anche se cambiava il modo di navigarlo.

La struttura del computer e il sistema operativo

L'avvio

All'avvio del computer avviene la così detta fase di boot, ovvero la sequenza di attività iniziali eseguite dal computer. Al momento dell'accensione viene letto ed eseguito un programma chiamato BIOS. Questo programma risiede in una memoria chiamata EPROM che permette di mantenere informami in maniera permanente anche quando il computer è spento. Inizialmente il BIOS effettua verifiche sullo stato di “salute” delle componenti fisiche (dischi e memoria), tra cui anche quella che controlla la presenza di un disco con un sistema operativo installato, poiché se esso fosse mancante il BIOS visualizza un messaggio d'errore, “Operating System not found”, e si blocca. Se, invece, il BIOS trova un disco con il sistema operativo installato inizia a leggere una determinata area di tale disco, detta MBR, contenente la descrizione dell'organizzazione del disco e le istruzioni per avviare un altro programma, boot loader, con il compito di dare l'avvio al sistema operativo vero e proprio. Tale programma controlla, innanzitutto, la modalità di avvio del sistema a seconda di come è avvenuto l'ultimo arresto. Se l'arresto precedente non è avvenuto regolarmente, viene avviato un programma di ripristino del OS per la correzione di eventuali danni al software. Se, invece, è avvenuto a causa di una richiesta di sospensione viene avviato un particolare programma di loader che consente il caricamento della situazione in cui si era interrotta la sessione di lavoro. Infine, se l'arresto è avvenuto normalmente, viene avviato il normale programma di loader. Una volta avviate tutte queste attività il sistema visualizza una schermata iniziale per l'identificazione dell'utente, stando a significare che il boot è terminato con successo e il computer è pronto all'uso.

I processi

Il sistema operativo è, dunque, un programma molto complesso costituito da più parti, organizzate a livelli, che risolvono diversi problemi. In linea generale possiamo individuarne almeno quattro: l'interfaccia grafica e testuale, al fine di facilitare l'utilizzo del computer all'utente, il file system e l'interfaccia con l'hardware, denominata nucleo del sistema operativo, “kernel”, che consente al OS di controllare l'hardware. Ad ogni livello sono associate diverse attività che, tecnicamente, vengono portate avanti da programmi chiamati processi. Abbiamo definito un programma come una sequenza di istruzioni volte a raggiungere un determinato risultato, tuttavia, un programma diventa attivo solo quando viene caricato ed eseguito su un computer. Quando il computer inizia a leggere un programma e svolge le istruzioni in esso contenute, esso diventa un processo, ovvero un “programma in esecuzione”.

L'architettura del computer

Tecnicamente un programma, per essere eseguito su un calcolatore, deve essere caricato in memoria principale, RAM (Random Access Memory), la quale consente un accesso alle informazioni molto veloce, è volatile (se si spegne il computer si perdono i dati) ed è una componente elettronica. La parte del calcolatore che esegue il programma, una volta caricato, è denominata processore o CPU, un oggetto fisico di piccole dimensioni in grado di eseguire tutte le istruzioni presenti in un programma. Per poter comprendere il ruolo del processore e della memoria principale è necessario analizzare le componenti hardware collocate sulla superficie della “scheda madre”, la cui funzione è quella di connettere fra loro tali componenti. Il OS fornisce alcuni strumenti che permettono di visualizzare lo stato e le proprietà di alcune di queste componenti. Per quanto riguarda i sistemi operativi MS-Windows, uno degli strumenti utili a questo scopo è denominato Task Manager, attivabile attraverso due combinazioni di tasti: CTRL-SHIFT-ESC o CTRL-ALT-CANC. Nel sistema operativo Linux esiste, utilizzando l'interfaccia grafica di tipo KDE, uno strumento analogo denominato “Monitor di Sistema” attivabile dalla sezione “system” del menu principale. Sia il Task Manager che il Monitor di sistema permettono di visualizzare lo stato della RAM, al fine di monitorare quanta memoria viene utilizzata dal OS e dai processi, e le informazioni e le statistiche sull'attività della CPU. Fisicamente il processore è composto da diverse componenti, tra cui: i registri, l'ALU e l'unità di controllo. I registri sono celle di memoria ad accesso veloce che vengono utilizzate dalla CPU per attività molteplici, l'ALU è un circuito che svolge operazioni aritmetiche o logiche e, infine, l'unità di controllo esegue singole istruzioni coordinando l'attività dell'ALU e le attività delle di tutte le componenti del processore. Sia il processore che la RAM sono collegate alla scheda madre.

Il kernel del sistema operativo: il time-sharing

Il primo compito del kernel è quello di rendere possibile l'esecuzione di tutti i processi, i quali, a loro volta, possono avere più sotto processi detti “thread”. Per poter eseguire tutti questi processi su un processore (o al massimo due o quattro) occorre, però, che essi si dividano il tempo del processore con delle politiche di scheduling (di turni), realizzate dal sistema operativo, passando da stati di pronto, attesa (sleeping) e stati di attività (esecuzione). Ad esempio nei diversi secondi di attesa che passano dal momento in cui un programma chiede dati all'utente e il momento in cui l'utente risponde, il processore può portare avanti diverse attività. Tale tecnica è detta multitasking. La tecnica a condivisione di tempo, denominata time-sharing, estende questa funzionalità, assegnando il processore ad ogni processo per un tempo massimo consecutivo definito quanto di tempo. La gestione della memoria principale e dei processi sono due funzioni del sistema operativo fortemente legate tra esse. Dato che la memoria RAM è unica e va distribuita tra i diversi processi il sistema operativo realizza una visione astratta della memoria, denominata memoria virtuale. In pratica ogni processo ha, a disposizione, la sua memoria privata, ovvero un insieme di parti (denominate pagine) che possono risiedere in memoria principale o nel disco fisso.

Le memorie secondarie

Le memorie secondarie (o di massa) sono i dispositivi che permettono di conservare informazioni indipendentemente dal fatto che il computer sia acceso e alimentato (memorie non volatili). Queste periferiche permettono di memorizzare grosse quantità di dati, da qui il nome memorie di massa. Il OS si interpone tra l'hardware e l'utente per rendere semplice l'utilizzo della macchina, e quindi gestisce anche le memorie di massa con opportune interfacce. Il disco rigido (o hard disk) è costituito da una pila di dischi magnetici distanziati ognuno dall'altro. Il disco è diviso da tracce ognuna delle quali è divisa in settori da dei raggi. L'informazione viene scritta sui settori permettendo di effettuare una codifica dei dati che si vogliono salvare con un sistema binario. Di solito le superfici scrivibili dei dischi sono sia quella superiore che quella inferiore. La capacità di memoria di tale dispositivo è dell'ordine dei terabyte. Il disco fisso è sicuramente il dispositivo di memoria secondaria più importante per il computer perché è l'unico che risulta fisso ed installato sul computer, inoltre in esso è contenuto il OS. È possibile monitorare alcuni aspetti del disco, come lo spazio occupato e quello libero. Inoltre c'è la possibilità di attivare applicativi per controllare errori sulla superficie del disco (ScanDisk) oppure per deframmentare i file del volume. Il floppy, denominato anche dischetto, si basa su tecnologie simili a quella dei dischi fissi. Questi dischi, come i CD, necessitano di un dispositivo di lettura/scrittura collegato al computer per poter essere adoperati. La rapida evoluzione della tecnologia delle memorie flash ha permesso di proporre dei dispositivi denominati SSD, solid-state drive, come valido sostituto dei tradizionali dischi fissi. Questi dispositivi sono formati da una serie di blocchi di memoria flash installati su una scheda elettronica. Il vantaggio è l'assenza di rumore, i consumi ridotti, il minor tempo d'accesso ai dati, il minor peso e il minor sviluppo di calore. Tuttavia presentano anche svantaggi, come la minor durata, il maggior costo e la minor capacità massima. I CD e i DVD appartengono a quella categoria di memorie secondarie dette dischi ottici. Sono fatti di materiale plastico e la lettura/scrittura avviene utilizzando un dispositivo laser. Queste memorie organizzano l'informazione in una spirale che parte dal centro per raggiungere la circonferenza estrema. Il DVD rispetto al CD presenta fori più piccole e ha due livelli di profondità d'incisione permettendo una densità d'informazione maggiore. Esistono CD e DVD riscrivibili, ciò è possibile grazie all'induzione di una magnetizzazione ad alte temperature che cancella i dati preesistenti. I CD hanno la capacità di circa 700 MB mentre i DVD di circa 4/5 GB. La velocità di trasmissione delle porte di comunicazione USB unite alle memorie EEPROM, denominate FLASH, ha permesso di ottenere memorie definite, nel linguaggio comune, “chiavi USB”. L'uso di queste due tecnologie in un unico oggetto ha portato alla comparsa di un tipo di memoria secondaria di grande capacità, che si aggira sull'ordine dei GB, alta velocità di lettura/scrittura e alta portabilità. Il loro costo dipende dalla capacità e da eventuali caratteristiche aggiuntive.

Le periferiche

Oltre a gestire le componenti principali del computer e le memorie di massa, il sistema operativo si occupa anche di governare quei dispositivi, denominati periferiche, che permettono all'utente di utilizzarlo. Più precisamente per periferica, detta di input o output come mouse, tastiera, video, stampante e scanner, si intende un dispositivo hardware collegato al computer e controllato tramite un programma nel OS denominato driver. Le periferiche si possono distinguere in tre gruppi a seconda se inviano o ricevono messaggi:

• Periferiche di input: per fornire informazioni al computer (tastiera, mouse e scanner)
• Periferiche di output: permettono di inviare informazioni all'utente (video e stampante)
• Periferiche di input/output: presentano entrambe le caratteristiche (modem)

La tastiera

Storicamente si tratta della prima periferica di input per personal ed home computer. Essa permette l'immissione dei dati tramite la pressione manuale di tasti che possono presentare: simboli (caratteri alfabetici, numeri,…), tasti speciali (break, per interrompere l'esecuzione di un programma, PrintScreen, per stampare il contenuto, e help), frecce direzionali, tasti funzione (F1,F2…F12) e il tastierino numerico separato. Ogni tastiera ha una diversa disposizione dei simboli sui tasti in funzione della lingua (italiano, inglese, …). Ne deriva che il sistema operativo necessita di essere informato su come interpretare la pressione dei tasti, che può differire tra una tastiera inglese e una italiana. A tal fine è opportuno aprire l'interfaccia che ci permette di scegliere e cambiare la lingua.

Il video

Si tratta di un dispositivo di output che permette all'utente di visualizzare informazioni di diverso tipo presenti sul computer, come testi, immagini o filmati. Vi sono diversi tipi di video, dai vecchi schermi a tubo catodico, agli schermi a cristalli liquidi e ai recenti schermi al plasma o led. Lo schermo a tubo catodico proietta un raggio di elettroni su uno schermo coperto di fosforo emettendo luce. Uno schermo a cristalli liquidi è sottile e leggero ed è costituito da un insieme di celle contenute tra due schermi polarizzati che contengono del liquido. Alle celle sono applicati contatti elettrici per far interagire il liquido con un campo elettrico creando luce. Un schermo al plasma è uno schermo piatto come gli schermi a cristalli liquidi. Il principio su cui si basa è simile allo schermo a tubo catodico ma, in questo caso, non vi è un raggio di elettroni ma una scarica di plasma che genera luce. I fattori che caratterizzano un monitor sono molteplici, tra cui: la risoluzione espressa in pixel, le dimensioni espresse in pollici, ecc. Il OS mette a disposizione, per gestire lo schermo, un programma denominato (in Windows) “Proprietà - Schermo”. Da questa maschera, oltre ad impostare le caratteristiche estetiche, è possibile configurare le caratteristiche del video.

Il mouse

Il mouse è un dispositivo in...