Informatica - struttura degli elaboratori - Appunti

Cosa si impara in questa lezione

Cosa studia l'informatica

Cosa è un algoritmo

Come si può rappresentare qualunque informazione

Quali sono i modi per memorizzare informazioni elementari

Quali sono i modi per memorizzare informazioni multimediali

La struttura fisica dell'elaboratore

Il termine elaboratore o calcolatore elettronico indica una vasta gamma di macchine, dai supercalcolatori per le analisi del Progetto Genoma o per le simulazioni meteorologiche, fino ai microprocessori incorporati negli apparecchi domestici (telefoni cellulari, televisori, lavatrici e frigoriferi). Ma noi ci riferiremo in particolare al calcolatore destinato all'uso generale, per applicazioni "da ufficio" o "da scrivania", il personal computer o PC.

Un elaboratore (anche il PC più economico) è un apparato complesso, quindi è costituito da più parti o componenti. Alcuni componenti formano il nucleo centrale del calcolatore (il...

"cuore"). Essi sono detti componenti centrali. Nei calcolatori moderni, essi sono tutti ospitati su un'unica scheda di circuito stampato, detta la scheda madre (motherboard). La maggior parte di essi trova addirittura spazio all'interno di un unico circuito integrato, il microprocessore. Questi componenti sono imprescindibili per il funzionamento del calcolatore.

Altri componenti sono concettualmente esterni al nucleo centrale del calcolatore, e sono pertanto detti componenti periferici o le periferiche. Ovviamente, specie nel caso dei portatili, spesso una periferica è in realtà fisicamente incorporata in un unico blocco nel calcolatore.

1.1 I componenti periferici

Non sono in linea di principio indispensabili per il funzionamento dell'apparato. In realtà, molti di essi sono necessari per poter utilizzare il calcolatore (p.es. tastiera e schermo).

COMPONENTI CENTRALI PRINCIPALI

• Unità centrale di elaborazione/Central Processing Unit/CPU: esegue i programmi.

È temporizzata da un segnale, detto clock, che imposta il ritmo di esecuzione delle operazioni ed è generato da un apposito circuito presente sulla scheda madre. (Quindi la scheda madre impone la frequenza di clock.)

La CPU è il componente principale del microprocessore, che può contenere però anche parti ausiliarie: memorie temporanee, elaboratori di istruzioni matematiche o di elaborazione segnali, circuiti di controllo e accesso alla memoria RAM, ecc.

Memoria primaria: detta RAM (random access memory, memoria ad accesso casuale) perchè ha la caratteristica che, richiedendo ad essa un dato scelto a caso, essa è in grado di fornirlo in un tempo costante. Questa proprietà non l'hanno, per esempio, i nastri magnetici, che vanno prima avvolti fino a raggiungere il punto desiderato. Quindi i nastri possono servire come memorie ad accesso sequenziale.

La memoria primaria contiene i programmi in esecuzione e anche i dati su cui i programmi

stanno lavorando.P :ERIFERICHE PRINCIPALI

• Tastiera: dispositivo di ingresso (input) di caratteri alfanumerici e simboli.
• Schermo/monitor: dispositivo di uscita (output) grafico.
• Mouse: dispositivo di ingresso, usato per il puntamento.
• Scheda video: dispositivo di conversione, codifica l'uscita grafica destinata al monitor per renderla visualizzabile.
• Disco rigido/Disco fisso/Hard disk: dispositivo di ingresso/uscita, per memorizzare le informazioni in modo stabile ma reversibile (si possono cancellare e modificare). È inamovibile (il disco è fisicamente sigillato all'interno del lettore, il drive, e nemmeno l'aria può raggiungerlo). Data la sua velocità, è usato anche come estensione della memoria di lavoro.
• Dischetto/Floppy disk: dispositivo di ingresso/uscita, per memorizzare le informazioni in modo stabile ma reversibile. È amovibile (posso sostituire un disco con un altro, semplicemente togliendolo dal drive).

È notevolmente più lento di un hard disk.

A :LTRE PERIFERICHE

• Stampante: dispositivo di uscita su carta.
• Lettore dischi ottici (CD-ROM, DVD-ROM): dispositivo di ingresso, analogo a floppy disk perché amovibile, ma più capace e non scrivibile.
• Masterizzatore dischi ottici: scrive (tipicamente in modo irreversibile) i dischi ottici. I dischi usati sono di un tipo apposito. In lettura è identico al lettore descritto sopra.
• Scheda di rete: dispositivo per trasmettere e ricevere dati su una rete locale. Normalmente accetta un cavo di collegamento, ma può essere anche wireless (senza fili, cioè radio).
• Altre connessioni wireless: per trasmettere e ricevere dati su collegamenti a breve raggio (10, max 100 metri) l’interfaccia Bluetooth (radio a bassa potenza). Per collegamenti a brevissimo raggio, a vista (max 1 metro) l’interfaccia Fast Infrared (FIR), a tecnologia a infrarossi come il telecomando della TV.
• Modem:

dispositivo per il collegamento a una linea telefonica. Inversione "analogica" (56 Kb/s), ADSL (centinaia di kbps ma prestazioni non garantite), ISDN (128 kbps con garanzie di prestazioni) Scheda audio: dispositivo per l'acquisizione, l'elaborazione e l'emissione di informazioni acustiche, memorizzate in forma digitale. Interfaccia universale USB (Universal Serial Bus): non è una periferica in sé, ma vi si possono collegare moltissimi dispositivi tradizionali come quelli elencati sopra (inclusi dischi rigidi esterni, masterizzatori CD esterni...) e anche oggetti di nuova concezione come memorie esterne di archiviazione dati. Interfaccia multimediale Firewire o IEEE 1394: non è una periferica in sé, ma è progettata per il collegamento di periferiche audio/video (dispositivi musicali digitali, videocamere digitali...). Architettura interna dell'elaboratore Architettura significa "come è costruito". personal computer è costruito secondo lo schema seguente.

1. PERIFERICHE
   • Processore
   • PERIFERICHE
   • PERIFERICHE
2. ALU
3. MEMORIA
   • REGISTRI
   • PRIMARIA
4. Unità di controllo
5. BUS

Ogni "blocchetto" di questo schema rappresenta un circuito elettronico con precise funzioni. I circuiti sono tutti collegati fra loro in modo da poter interagire. In particolare, possiamo dire che esistono: - parti per l'elaborazione dei dati (processore) - parti per la memorizzazione dei dati (memoria primaria; memoria secondarie e "di massa" poste su periferiche, p.es. disco rigido) - parti per il trasferimento dei dati (all'interno: il bus; tra interno ed esterno: periferiche) Come l'elaboratore esegue un programma: L'elaboratore dispone di vari programmi, che normalmente sono archiviati su disco rigido (hard disk). Questa è la memoria secondaria. Quando occorre eseguire un programma, esso viene trasferito in memoria primaria (la RAM). Una volta in memoria primaria, il programmapuò essere eseguito istruzione per istruzione. Un programma, poi, agisce su determinati dati. Anche questi dati devono essere in memoria primaria. Andranno poi a finire su memoria secondaria (p.es. sul disco rigido; p.es. su una memoria esterna USB) una volta terminato il lavoro. Vediamo ora il funzionamento delle parti illustrate nel diagramma già visto, che replichiamo qui: bus, memoria, processore e periferiche.

IL BUS

Il bus è un circuito di collegamento, che si occupa:

1. di fare in modo che ciascun circuito possa collegarsi a tutti gli altri per trasferire dati
2. di controllare che due circuiti non cerchino di trasferire dati contemporaneamente.

Il nome deriva proprio dalla sua funzione di trasporto pubblico. Possiamo pensare il bus come se fosse diviso in "corsie": ciascuna corsia trasporta informazioni di un determinato tipo. - dati - indirizzi - linee di controllo (comandi vari)

A MEMORIA PRIMARIA

La memoria è un circuito elettrico. Dal punto di vista logico,ossia per il programma, essa è una sequenza di parole. Ogni parola ha una sua lunghezza (p.es. 32 bit = 4 byte). Ogni parola ha anche una sua posizione. C'è una parola nella posizione 0, una parola nella posizione 1, una parola nella posizione 2, una parola nella posizione 3... Il numero che indica la posizione della parola si chiama il suo indirizzo. Quando sul bus dati compare, poniamo, l'indirizzo 12, la memoria sa che deve accedere alla tredicesima parola (N.B.: SI CONTA DA ZERO). Accedere per farne che cosa? La memoria sarà in grado di ricevere un comando che dice se quella parola va letta oppure scritta. Perché dobbiamo ricordarci che stiamo parlando della memoria di lavoro, in cui occorre scrivere i programmi da eseguire e i dati, perché successivamente il processore li possa leggere ed eventualmente nuovamente scrivere una volta modificati. Scrittura della memoria: sul bus compare un dato (nella "corsia" riservata ai dati). Poi sul buscompare un indirizzo (nella "corsia" riservata agli indirizzi). Infine sul bus compare il comando di scrittura memoria (sempre in una apposita "corsia"). A questo punto, la memoria legge il dato e lo memorizza nella posizione richiesta.

1.5 Lettura della memoria:

sul bus compare un indirizzo (nella "corsia" riservata agli indirizzi). Poi sul bus compare il comando di lettura memoria (in apposita "corsia"). A questo punto, la memoria prende il dato dalla posizione richiesta e lo mette sul bus (sempre nella corsia apposita) perché chi lo ha richiesto possa leggerlo.

LE PERIFERICHE

Le periferiche sono dispositivi esterni, di cui abbiamo già visto un elenco. Si tratta degli oggetti che consentono la comunicazione con il mondo esterno (con le persone, con altre macchine, con la rete telefonica...). Possono avere funzione di ingresso (input): il mondo esterno introduce informazione nel calcolatore. Esempi: la tastiera, il mouse. Oppure possono

avere funzione di uscita (output): il calcolatore emette informazione nel mondo esterno. Esempio: la stampante, il monitor.

Oppure ancora possono avere entrambe le funzioni (input/output o I/O). Esempio: la scheda di rete, il modem.

Una periferica normalmente si collega a una porta. Una porta è (come il nome lascia intendere) un oggetto che consente l'ingresso o l'uscita di informazioni.

Esistono vari tipi di porte. In generale ogni tipo di porta può essere usato per più di un tipo di periferica. Ma qualcuna è più generale di altre. Per esempio:

Le porte USB (Universal Serial Bus) sono un tipo di porta molto comune e versatile, utilizzata per collegare una vasta gamma di periferiche come stampanti, tastiere, mouse, dispositivi di archiviazione esterna, ecc.