Architettura del Computer: l'hardware

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1 Gaeta 23/11/2016 Mazziotti M. Vittoria Architettura del Computer: l'hardware Un computer è un dispositivo elettronico che comunica attraverso dispositivi di input/output (I/O). Come tutte le macchine, non ha nessuna capacità decisionale o discrezionale, ma si limita a compiere determinate azioni secondo procedure prestabilite (programmi o software) immagazzinate in un'apposita memoria. Ogni computer è costituito da due parti: l'hardware e il software. Con il termine hardware (dall'inglese hard, "duro, pesante" e ware "manufatto, oggetto") si indica la parte fisica di un computer, ovvero tutte quelle parti elettriche, meccaniche, magnetiche, ottiche che ne consentono il funzionamento; mentre con il termine software (dall'inglese da soft, "morbido, leggero" e ware "manufatto, oggetto") si intende ogni programma che permette di svolgere operazioni anche molto complesse. Il software, come vedremo, si distingue principalmente in software di base e software applicativo. La struttura schematica di un PC è, quindi, la seguente: Nel seguito analizzeremo dettagliatamente tali componenti. Hardware L'hardware, come detto in precedenza, rappresenta la parte fisica del PC, esso comprende, sia componenti esterne come monitor, tastiere, mouse, che componenti interne come processori, schede, cavi, alimentatori, contenute all'interno di un involucro detto case. Case Interno del Case Come si può vedere dalla figura sulla destra, l architettura interna dell'hardware di un calcolatore reale è molto complessa, ma, come sottolineato nella prima dispensa, le diverse tipologie di 1

2 calcolatori sono accomunate dalla medesima struttura logica, schematizzata dal modello di Von Neumann. La macchina di von Neumann, progettata verso il 1945, rappresenta il primo calcolatore con programmi memorizzabili anziché codificati mediante cavi e interruttori ed è composta da 4 tipi di componenti funzionali: 1) unità centrale di elaborazione (CPU) esegue istruzioni per l elaborazione dei dati 2) memoria centrale memorizza e fornisce l accesso a dati e programmi in esecuzione 3) interfacce di ingresso e uscita componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore 4) bus svolge funzioni di trasferimento di dati e di informazioni tra le varie componenti funzionali Tutte queste componenti sono normalmente installate su una scheda detta scheda di sistema o scheda madre Posizione della scheda madre nel case Ingrandimento: scheda madre Vediamo adesso quali sono le funzioni delle componenti principali di una scheda madre. Il processore o unità centrale, CPU (Central Process Unit) Ingrandimento: CPU Posizione della CPU sulla scheda madre 2

3 La CPU è un circuito elettronico detto chip delle dimensioni di pochi centimetri. Essa rappresenta il cervello del computer, il motore che esegue le istruzioni, i programmi ed è la componente in grado di effettuare addizioni e sottrazioni e semplici operazioni logiche, in particolare, si occupa di svolgere tutte le istruzioni richieste dal sistema operativo e dal software applicativo. Le prestazioni di un computer dipendono in gran parte da questo componente, perché tanto più un processore è potente tanto più sarà veloce l'elaborazione delle operazioni che svolge. La velocità della CPU veniva misurata in MHZ (Megahertz) oggi in GHZ (Gigahertz). Per poter svolgere le operazioni richieste, il processore deve disporre di determinate capacità: 1) in primo luogo, deve essere in grado di leggere e scrivere i dati nella memoria del computer. Questo è il punto critico, dato che sia le istruzioni del programma eseguite dal processore che i dati su cui si vuole lavorare si trovano temporaneamente in questa memoria; 2) in secondo luogo, deve saper riconoscere ed eseguire una serie di comandi o istruzioni forniti dal programma; 3) infine deve saper indicare alle altre componenti del computer che cosa fare, in modo da poter organizzare e sincronizzare le varie operazioni da svolgere. Dal punto di vista del processore, la distinzione tra programmi e dati è fondamentale: il programma indica al processore quale operazione svolgere, mentre i dati sono le informazioni su cui il programma deve agire. Nessun'altra componente del computer effettua questa distinzione. La memoria La memoria è costituita da componenti elettroniche che memorizzano le istruzioni e i dati necessari per tali istruzioni. La memoria può essere permanente, o volatile; una memoria volatile perde le informazioni in essa contenute quando il computer è spento, una memoria permanente, invece, non può essere modificata dall'utilizzatore, i livelli 1 e 0 che costituiscono i dati binari sono "incisi" durante il processo di produzione del componente e non possono essere cambiati. La memoria presente sulla scheda madre è anche detta memoria principale (o centrale) per distinguerla dalla memoria secondaria (o di massa). La memoria principale è il deposito primario dei dati e delle istruzioni dei programmi in esecuzione ed è di due tipi diversi: la RAM (Random Access Memory) e la ROM (Read e Only Memory). La memoria secondaria, comprende invece diversi dispositivi, quali le unità disco, i dispositivi USB e simili, è può contenere grandi quantità di dati. Vediamo adesso, più nel dettaglio, la differenza tra RAM e ROM. La memoria RAM Ingrandimento: memoria RAM Alloggi per la RAM sulla scheda madre 3

4 La memoria RAM di un computer non ha nulla a che vedere con la memoria umana; per questo motivo, il termine potrebbe essere male interpretato fino a quando non si capisce che cos'è e a cosa serve. La RAM è il luogo in cui vengono svolte tutte le attività del computer e può essere paragonata alla scrivania di un impiegato, al banco di lavoro di un carpentiere o al campo da gioco di una squadra sportiva. Analogamente alla dimensione di un banco di lavoro, la dimensione della memoria impone un limite oggettivo al tipo di lavoro che un computer può svolgere. Questo è il motivo per cui i computer vengono spesso valutati in base alla quantità di memoria disponibile che viene espressa in megabyte (MB, milioni di byte 1) o in kilobyte (KB, migliaia di byte). Ad esempio, i primi PC erano dotati di solo 256 KB di memoria. Oggi, invece, si parte da un minimo di 512 MB fino ad un massimo di 4 o 8 GB. La RAM è il luogo in cui sono conservate, in modo temporaneo, tutte le informazioni (programmi e dati) su cui sta lavorando il processore durante l'esecuzione di una determinata operazione. A differenza della memoria umana, quella del computer non è permanente, è più simile a una lavagna che a un pezzo di carta. Qualunque cosa può essere scritta in qualsiasi parte della memoria e qualunque dato può essere modificato con una semplice operazione di sovrascrittura. La lettura dei dati nella RAM è semplice quanto la lettura delle informazioni riportate su una lavagna. Sia il processore che i dispositivi di I/O sono in grado di leggere e scrivere dei dati contenute in essa. La memoria ROM Ingrandimento: memoria ROM Posizione della ROM sulla scheda madre È una memoria permanente di sola lettura che viene scritta una sola volta in fase di fabbricazione del computer, dopodiché non può essere più modificata. Vi vengono registrate le informazioni fisse, come ad esempio tabelle di conversione di codici o le istruzioni del programma di avviamento che si attiva all'accensione della macchina. All'accensione, infatti, il computer esegue un piccolo programma registrato nella ROM, che gli permette di: Identificare il processore installato Controllare la quantità di RAM in dotazione e verificarla Esaminare le periferiche presenti Leggere la traccia in cui sono contenute le istruzioni per l'avvio del sistema. In particolare la ROM che avvia il sistema prende il nome di BIOS (Basic Input/Output System). Esso interfaccia anche i meccanismi di Input/Output del PC e fornisce altri servizi di sistema fra cui la gestione della tastiera, del disco, della stampante e della data. 1 4 Come vedremo in seguito, in informatica, il byte è l'unità di misura della quantità di informazione in un sistema di elaborazione dati corrispondente a una successione di otto bit adiacenti.

5 Interfacce di ingresso e uscita (I/O) Posizione della ROM sulla scheda madre Ingrandimento: interfacce I/O2 L'interfaccia Input/Output (o di I/O, o di Ingresso/Uscita) sono le porte di comunicazione tra il computer e i dispositivi di I/O (o periferiche): mouse, tastiera, monitor, stampante. L'interfaccia I/O gestisce, cioè, il trasferimento dei dati tra il processore e le periferiche esterne. Ciò include i dati che vengono digitati dalla tastiera e i caratteri mostrati sullo schermo o inviati alla stampante. Ogni volta che il computer invia o riceve dei dati, vengono, quindi, utilizzate delle periferiche. In generale si può dire che il processore e la memoria formano un mondo chiuso; i dispositivi di I/O aprono questo mondo e permettono di comunicare con gli utenti. Il computer vede che cosa l'utente digita sulla tastiera, mentre l'utente vede che cosa il computer scrive sullo schermo o sulla stampante. Tuttavia esiste una categoria speciale di dispositivi di I/O progettati esclusivamente per un uso privato da parte de computer: i dischi. Come abbiamo visto la RAM non è una memoria permanente, per non essere perduti i dati ed i programmi dovranno quindi essere conservati su supporti permanenti, detti memorie di massa. Le più importanti e diffuse sono costituite dai dischi fissi (detti anche dischi rigidi o hard disk), dai floppy disk e dai CD-ROM. Le informazioni presenti sui dischi non possono essere lette o scritte dagli utenti, ma solamente dal computer. I dischi sono il supporto su cui il computer conserva i suoi manuali d istruzione (i programmi), il materiale su cui lavorare (i dati) e qualunque altra informazione che deve avere sempre a portata di mano. In particolare, il disco rigido è il componente dove vengono memorizzate in modo permanente le informazioni elaborate, su di esso si trova il Sistema Operativo, i Software Applicativi e i file dati. Ingrandimento: Hard disk Posizione dell'hard disk nel case 2 5 I bus La Porta Firewire è una porta di comunicazione molto veloce solitamente utilizzata per trasferire dati dalle fotocamere e dalle videocamere digitali, mentre la Porta Seriale serve a collegare il modem.

6 Slot di espansione sulla scheda madre (riquadro tondo) Circuiti stampati sulla scheda madre Sulla scheda madre non c è una parte precisa che individui il bus perché questo è un insieme di circuiti elettrici detti tracce, stampate sulla superficie della scheda madre (figura in alto a destra). Il bus collega i vari componenti interni del PC in modo da permettere che i dati vengano inviati da un componente all altro. Le caratteristiche dei bus influenzano le prestazioni del PC. Ci sono bus a 16, 32 e 64 bit: maggiore è il numero di bit, maggiore è il numero di dati che possono essere trasmessi contemporaneamente, quindi, la velocità. Sul bus sono previste degli slot di espansione (elementi nel tondo della figura in alto a sinistra), questi sono degli alloggi in cui possono essere inserite schede elettroniche aggiuntive come: 1) Scheda video 2) Scheda audio 3) Modem interno Ciascuna delle quali gestisce un particolare tipo di informazione: immagini, suoni, ecc. Ciò conclude la descrizione della scheda madre, strutturata secondo l'architettura di von Neumann, ma all'interno e all'esterno del case sono presenti altri componenti hardware che, per motivi di completezza, schematizziamo nella figura seguente: 6