Riassunto informatica per la comunicazione

L'HARDWARE

Il significato originario della parola computer faceva riferimento a una persona fisica

che fa di conto.

La Central Processing Unit (CPU) é la parte del computer dove sono eseguite le

operazioni, é il processore, elabora i dati. Da un punto di vista funzionale, la CPU

esegue le istruzioni che diamo al computer, da un punto di vista materiale invece é

un circuito elettronico (sistema costituito da un grande numero di transistor connessi

l'uno con l'altro). Moore, uno dei fondatori della Intel, previde un raddoppio ogni anno

del numero di transistor in un processore, grazie all'evoluzione della tecnologia che

permette a di costruirli di dimensioni sempre minori. Le sue previsioni sono state

subito dopo corrette a un raddoppio ogni anno e mezzo (legge di Moore).

Il transistor é un circuito elettronico, i segmenti neri sono come cavi che vengono

attraversati da corrente elettrica, la linea a zig zag rappresenta una parte del circuito

che se attraversata dalla corrente consuma energia. Il rettangolo nero rappresenta il

corpo del transistor, i piccoli cerchi neri rappresentano le estremità del circuito e

sono tutti poste a un certo valore di tensione elettrica. La tensione elettrica é

l'energia potenziale degli elettroni che poi si libera quando questi si muovono

creando corrente, e si misura in Volt. L'estremità del circuito in basso é "messa a

terra" (a tensione nulla, da quel punto non può partite nessuna corrente ma può solo

arrivare). L'estremità in alto é posta a un valore di tensione costante. Il corpo

transistor si comporta come un cavo, ovvero fa scorrere corrente o come

un'interruzione che non la fa scorrere. Il comportamento del transistor é determinato

dalla tensione in ingresso, se essa é tale da creare corrente nel segmento

orizzontale a sinistra, allora il transistor si comporta come un cavo (la corrente fluisce

dall'alto verso il basso ed é come se l'estremità destra fosse collegata con la messa

a terra, dunque Vout=0); invece, se non Vin non é abbastanza alta da creare

corrente a sinistra, il transistor impedisce ala corrente verticale di fluire e Vout=Vc.

Un transistor é dunque un dispositivo elettronico che, a seconda del segnale elettrico

in ingresso (Vin), risponde in due modi diversi: con un segnale elettrico in uscita a

tensione alta (Vout=Vc), o bassa (Vout=0).

Quando viene detto che la CPU esegue delle operazioni, in realtà quello che

succede é che arrivano in ingresso ai suoi transistor dei segnali elettrici che indicano

i dati e l'operazione da eseguire; i transistor, per come sono costruiti, reagiscono a

tali stimoli e inviano in uscita altri segnali elettrici, che costituiscono il risultato delle

operazioni eseguite. La CPU non é un blocco unitario ma ha due componenti in base

alla funzione:

L'unità aritmetico - logica (ALU): é la parte che esegue le operazioni aritmetiche e

logiche;

L'Unità di controllo (CU): é la parte che comanda il trasferimento di informazione da

una parte all'altra del computer.

La CPU si avvale di un dispositivo di memoria, la memoria centrale (RAM). Anche la

RAM, come la CPU, é costituita da circuiti elettronici con numerosi transistor. La

configurazione dei transistor in questo dispositivo di memoria é più complessa

perché l'obiettivo é di conservare al suo interno l'informazione che le viene inviata

per un significativo lasso di tempo. Le RAM realizzate con i transistor bistabili

(ovvero che possono trovarsi in una di due possibili configurazioni stabili), chiamate

sRAM (la sosta per static) sono meno diffuse. Dennard ha proposto di conservare

l'informazione dei segnali sotto forma di carica elettronica all'interno di microscopici

pezzi di materiale dielettrico (materiale che non conduce elettricità ma che assume

una certa carica se opportunamente stimolato), RAM realizzate con questa

tecnologia si chiamano dRAM (la d sta per dynamic). Le RAM all'interno dei

computer comunemente in commercio sono tutte dRAM.

Dalla RAM provengono i dati e le operazioni che la CPU deve eseguire su di loro e in

direzione opposta, i risultati di tali operazioni, in uscita dalla CPU, vengono

memorizzati sulla RAM.

Se i risultati dei calcoli sono inviati dalla CPU verso la RAM ma devono essere

mostrati all'utente del computer, deve essere eseguita un'operazione di output, in

quanto in nessun modo un essere umano é in grado di vedere dei risultati conservati

sotto forma di segnali o cariche elettroniche. A questo scopo esistono dei dispositivi

appositi, ovvero le periferiche (che fungono da collegamenti tra l'artefatto stesso e i

suoi utenti umani). Le periferiche non sono componenti interne (come CPU e RAM)

ma artefatti esterni che si collegano al corpo centrale del computer o sono integrati

ad esso. Esempi di periferiche di output sono le stampanti, gli schermi e gli

altoparlanti. Attraverso lo schermo i risultati sono visualizzati non su carta ma su una

superficie rettangolare di puntini luminosi colorati organizzati a matrice (pixel, ovvero

pezzi di cristallo liquido). La GPU é un processore dedicato solo ai calcoli legati alla

creazione di immagini sullo schermo, allevia i compiti riguardati lo schermo del

computer alla CPU.

Le periferiche di input forniscono agli utenti un modo di inviare dati verso il computer,

perché possano essere elaborati dalla CPU (scanner, webcam, mouse, tastiera).

Scanner e webcam condividono lo stesso principio di funzionamento delle

fotocamere digitali in quanto sono dotati di un sensore di immagine. Il mouse é stato

sviluppato dalla marina militare britannica nella seconda metà degli anni Quaranta e

dopo qualche anno anche dalla marina canadese. Il touchpad é un invenzione più

recente, risale ai primi anni Ottanta e fu costruito dall'azienda Apollo (USA). La

tastiera invece é il risultato di un'evoluzione tecnologica nata con le macchine da

scrivere. Il touchscreen (periferica sia di input che di output) unisce le funzionalità di

una tastiera a quelle di uno schermo, reso noto con il lancio del primo iPhone nel

2007. In realtà la tecnologia touchscreen risale agli anni Sessanta. Un'altro esempio

di periferiche input e output sono lo smartphone e la chiavetta USB.

La volatilità é la caratteristica di un dispositivo di memoria che, se privato di

alimentazione elettrica, perde i dati in esso conservati. Fare calcoli con un apparato

elettronico significa spostare un grande numero di segnali elettrici da una parte

all'altra del sistema, gli elettroni di muovo in maniera ordinata ma non così ordinata

da eliminare la loro agitazione termica e il conseguente attrito e riscaldamento (ecco

perché i laptop si surriscaldano). La non volatilità é la caratteristica di un dispositivo

di memoria che conserva i dati anche in assenza di alimentazione elettrica. Per

conservare a lungo i risultati di un'operazione, essi devono essere trasferiti su un

dispositivo di memoria non volatile.

Il più capiente dispositivo di memoria non volatile é l'hard disk (disco rigido), la non

volatilità dell'hard disk si ottiene grazie alla natura dei materiali ferromagnetici (che

sono suddivisi in regioni, chiamate domini, tutte orientate in una direzione casuale).

Quando tale materiale viene immerso in un campo magnetico significativo tutti i

domini si orientano secondo le linee di forza di tale campo e rimangono in tale

posizione fine alla prossima perturbazione magnetica. Il salvataggio di dati coincide

con la scrittura su uno dei dischi della pila di materiale rigido e avviene grazie a una

testina che si muove con un meccanismo simile a quello di un giradischi (allo stesso

modo avviene la lettura dei dati). Un hard disk é dotato di due motori, uno per far

ruotare i dischi e uno per spostare le testine.

Le chiavette USB, assieme alle schede SD (esistono anche gli hard disk SSD, che

costano di più ma non hanno parti meccaniche in movimento, cioè la probabilità di

un guasto é ridotta e non producono rumori) fanno parte della più recente categoria

di dispositivi di memoria, chiamata SSS, che uniscono la non volatilità dei dischi

magnetici all'assenza di parti meccaniche delle memorie elettroniche. Tutti i circuiti

realizzati tramite transistor rientrano nella categoria dei semiconduttori (l'invenzione

di questo tipo di dispositivo risale ai primi anni 80 dal giapponese Masuoka per conto

di Toshiba). Sui computer ci sono RAM volatili perché sono le più veloci e si adattano

meglio al lavoro delle CPU.

Von Neumann é stato il primo sostenitore del uso dei diagrammi di flusso nel

contesto della scrittura dei programmi. "L'architettura di von Neumann" é il modello di

organizzazione dei computer. L'idea di base é lo stored program, ovvero il

programma memorizzato, che differenzia i computer attuali da ogni artefatto per

l'automazione del calcolo costruito nel passato.

Il componente fondamentale che funge da collegamento tra tutto l'hardware é il bus.

Ogni periferica, di input o di output o entrambi, può funzionare solo se collegata al

bus. USB significa Universal Serial Bus, l'aggettivo "serial" (in serie) si riferisce alla

modalità di trasmissione in cui i dati vengono trasferiti in sequenza, uno dopo l'altro.

Un computer opera nel seguente modo: i programmi sono conservati nell'hard disk,

quando si avvia un programma la CU della CPU invia segnali e comanda il

trasferimento delle istruzioni dall'hard disk alla RAM. Dalla RAM, un'istruzione per

volta viene inviata alla CPU per essere eseguita: se si tratta di un'operazione logico -

aritmetica, verrà eseguita dalla ALU e il risultato salvato sulla RAM, se si tratta di

trasferimento di dati da una parte all'altra del computer sarà la CU ad occuparsene.

Nel caso di una visualizzazione su schermo, la CPU invierà i comandi e i dati relativi

alla GPU, a cui né delega l'esecuzione. La CPU sovraintende anche le operazioni di

input dunque i dati in arrivo da una periferica vengono memorizzati nella RAM. Se

l'utente richiede il salvataggio di un risultato che deve essere conservato

permanentemente, questo comando si traduce in un ordine da parte della CU di

trasferimento del dato della RAM all'hard disk. Quando l'utente chiude un processo,

lo spazio nella RAM occupato dalle sue istruzioni viene reso disponibile per altri

programmi che verranno avviati. Il sistema operativo é il primo programma che va in

esecuzione quando si accende il computer, quando si vede la schermata di avvio,

quello é il momento in cui le istruzioni del sistema operativo vengono copiate

dall'hard