Hardware & Software 1

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1 Concetti di base della Tecnologia dell Informazione 1. Definizioni iniziali 1.1 Information (and Communication) Technology (Tecnologia dell informazione, ICT): E un estensione della definizione classica di Informatica che, alla capacità di un computer di elaborare dati (Tecnologia del computer), aggiunge quella di condividere, scambiare e reperire informazioni (Tecnologia delle comunicazioni). L ICT include le nuove caratteristiche (multimedialità, capacità di calcolo, flessibilità di utilizzo, alta diffusione) e funzioni (strumento di comunicazione e di lavoro in ogni settore della società) della tecnologia dei moderni Computer e delle sue applicazioni (Internet). La definizione di ICT esprime il forte impatto dell avanzamento tecnologico degli ultimi 20 anni sulla nostra società (dell informazione) in termini di cambiamento (telelavoro, e-business, , e-banking, e-learning) e complessità (tutela della privacy, problemi di sicurezza delle informazioni, negli scambi economici), in ogni ambito della vita sociale. 1.2 Calcolatore (o elaboratore): è costituito da componenti meccaniche (hardware) e basa il suo funzionamento su un insieme di istruzioni codificate in forma logica (programmi). Il calcolatore è una macchina in grado di eseguire i seguenti compiti: -Ricevere in ingresso i dati di un problema e l' algoritmo, cioè la sequenza delle operazioni da eseguire per risolverlo. -Eseguire operazioni aritmetiche e logiche sui dati di ingresso -Fornire in uscita i risultati 1.3 Informatica: scienza che studia la gestione e l elaborazione delle informazioni tramite l utilizzo di calcolatori. 1.4 Hardware: insieme delle componenti fisiche del calcolatore 1.5 Software: insieme dei programmi, suddiviso in software di base (o di sistema, costituito dall insieme dei programmi di servizio che consentono l avviamento e il funzionamento del calcolatore) e in software applicativo, cioè insieme dei programmi per la gestione delle applicazioni). 1.6 Programma: codifica di un algoritmo di risoluzione di un dato problema in una sequenza di comandi scritti in un linguaggio comprensibile all'elaboratore. 1.7 Memorie: dispositivi atti a memorizzare informazioni: in particolare le memorie possono ricevere informazioni (fase di scrittura in memoria), conservarle o restituirle (fase di lettura da memoria). Esistono vari tipi di memorie: una prima distinzione logica è tra memoria centrale in cui vengono trasferiti dati e programmi durante la fase di elaborazione e le memorie periferiche o di massa (dischi, nastri, CD, DVD...) che svolgono la funzione di contenitori per la memorizzazione di dati e i programmi definiti dall'utente. 1.8 Unità periferiche: tutto ciò che è esterno al contenitore a completamento della postazione di lavoro. Ad esempio: dischi, CD, tastiera, stampanti, video, microfono, casse acustiche, telecamera etc... 1

2 2. Hardware e architettura di un PC 2.1 Schema e funzionamento di un piccolo elaboratore Nello schema disegnato da Von Neumann (1947) possiamo distinguere alcune tra le parti fondamentali che compongono un computer. Alcune di queste componenti come la CPU, la memoria centrale (RAM), la memoria di massa (il disco fisso o hard disk) sono interne al contenitore (case) e sono collegate tra loro attraverso dei canali chiamati bus, mentre altre come il monitor, la tastiera e la stampante vengono invece collegate al PC utilizzando dei cavi e apposite porte di comunicazione per lo scambio di dati. Lo schema di Von Neumann aiuta a descrivere una sessione tipica di utilizzo del PC. Un programma (ad es. Excel) viene caricato da una unità disco (floppy o fisso) all interno della memoria centrale o RAM. Vengono quindi inseriti via tastiera alcuni dati che vengono inviati alla CPU insieme alle istruzioni necessarie a svolgere una certa operazione (ad es. una funzione di somma). La CPU elabora il risultato e lo ritorna alla RAM. Dati e risultati possono essere visualizzati sul monitor o stampati, ma risiedono soltanto nella memoria di lavoro (RAM) fino a che l utente non esprima attraverso un comando del programma la volontà di salvarli su un dispositivo di memoria di massa (cioè su uno dei dischi a disposizione). 2

3 CPU Unitá di controllo ALU Unitá Aritmetico Logica memoria centrale tastiera data bus control bus Unitá a dischi video stampante Utilizzando alcune immagini, lo schema di Von Neumann può essere reso in questo modo: 2.2 Architettura di un PC Per Architettura (hardware) di un PC si intende il sistema costituito dall insieme delle componenti hardware e della loro organizzazione. I componenti hardware possono essere raggruppati in sei categorie: Porte di comunicazione di Input/Output Dispositivi (devices, periferiche) di ingresso per inserire i dati Dispositivi (devices, periferiche) di uscita per visualizzare i risultati Componenti di gestione ed elaborazione di dati e istruzioni, tra cui: Motherboard CPU (Central Processing Unit) Chipsets Memorie Memorie interne (RAM e ROM) Memorie esterne o di massa (HD, FD, CD, DVD, etc ) Insieme dei bus per veicolare le informazioni tra le diverse componenti del PC 2.3 Dispositivi (periferiche, device) di ingresso e di uscita Sono dispositivi il cui nome deriva dalla collocazione periferica nell' ambito del sistema di calcolo (al centro si trovano la CPU, la memoria centrale e le altre componenti interne al case). Prima di introdurre le principali periferiche di I/O, occorre introdurre il concetto di porta. 3

4 2.4 Porta di comunicazione di Input/Output: canale attraverso il quale i dati vengono trasferiti tra un dispositivo di Input ed il processore o tra il processore e un dispositivo di Output; la porta appare alla CPU come un insieme di indirizzi di memoria da utilizzare per inviare (o ricevere) dati. Porta Caratteristiche Utilizzo Velocità Seriale RS 232 Parallela Ps/2 Interfaccia tra la CPU ed una linea di comunicazione dati che trasmette un singolo bit per volta su un unico filo di trasmissione Modem, mouse 115 Kbits/sec a 9 o 25 pin. Viene utilizzato anche ad alte distanze. In Windows le porte seriali hanno i nomi COM1, COM2, COM3, COM4. Interfaccia tra la CPU ed una linea di comunicazione dati che trasmette più bit per volta su tanti fili di trasmissione quanti sono i bit trasmessi contemporaneamente. In Windows le porte parallele hanno i nomi: LPT1, LPT2, LPT3. Viene utilizzato solo per basse distanze Stampante 800 Kbits/sec Porta seriale rotonda introdotta con il PC Tastiera, mouse 256 Kbits/sec IBM PS/2 USB IEEE 1394 (Firewire) Tutte le Alta velocità e riconoscimento plug & periferiche di play nuova generazione Standard utilizzato per le trasmissione Ampia larghezza di banda dati con telecamere digitali 12 Mbits/s 800 Mbits/s 2.5 Periferiche di Input Sono dispositivi che servono per introdurre dati o programmi nell' unità centrale. Le più importanti sono: tastiera, tavoletta grafica, penna ottica, joystick, mouse, trackball, touchpad, scanner, webcam, macchina fotografica digitale, microfono. Tastiera: dispositivo simile alla tastiera della macchina da scrivere che consente di interagire con l'elaboratore. Esistono tastiere italiane, inglesi, americane,...; differiscono per la posizione dei tasti ed il set di caratteri riportato (lettere accentate, caratteri speciali nelle varie lingue, simboli particolari). Mouse: dispositivo che permette di muovere il cursore sullo schermo per puntare e selezionare le opzioni eventualmente presenti sullo schermo. Il meccanismo di controllo del movimento, posto nella parte inferiore del mouse, è in genere costituito da una sfera che, ruotando sul piano di lavoro del mouse, consente il movimento del cursore sul video. Di più recente introduzione sono i mouse 4

5 ottici. Per interagire con gli oggetti posti sullo schermo si utilizzando i pulsanti posti sul dorso (tasto sinistro singolo o doppio click -, tasto destro) Scanner: dispositivo hardware che importa nel sistema immagini da formato cartaceo (fotografie, testo,..). Gli scanner attuali sono a piano fisso come le fotocopiatrici. L'immagine da importare viene appoggiata sul piano dello scanner e quindi si impartisce un comando software per iniziare la scansione. Gestiscono anche 40 bit di colore (svariati miliardi di colori puri) a risoluzioni che possono superare i Dot per Inch (punti per pollice) ottici. Una volta acquisite, le immagini possono essere modificate con adeguati programmi di fotoritocco oppure si può eseguire il riconoscimento automatico del testo (OCR). Joystick: dispositivo utilizzati non solo nei giochi ma anche per il CAD che consente di muovere una figura sullo schermo. Penna Ottica: si tratta di una penna simile ad una comune penna, all' estremità del quale è montato un sensore ottico. Il corrispondente piano di lavoro è costituito dal video stesso. La penna ottica può essere utilizzata non solo per disegnare o per scrivere, ma anche per acquisire dati direttamente dallo schermo; infatti, appoggiando la penna in qualunque punto del video, il computer riceve le coordinate del punto selezionato. La penna ottica serve anche per leggere i codici a barre. Tavoletta Grafica: è un dispositivo di facile uso che consente di realizzare grafici di buon livello; sono utilizzate spesso come supporto al software CAD (Computer Aided Design). E' costituita da una piccola superficie sensibile al tatto e da una penna (detta STILO) realizzata con materiale adatto a scorrere sulla superficie della tavoletta senza danneggiarla. La penna consente di tracciare agevolmente linee (continue o tratteggiate), curve, ecc Periferiche di output Sono dispositivi che forniscono all' utente i risultati dell' elaborazione; le più importanti sono il monitor, le stampanti, i plotter e i diffusori audio (altoparlanti). Monitor (o video): E quella periferica di output che consente la più semplice interazione con l utente. Le immagini sono pilotate da un processore dedicato alla grafica (scheda grafica). Lo standard attuale per le schede grafiche consente di ottenere risoluzioni (numero di pixel per pollice) massime di 2048 X Esistono due tipi di monitor: a tubo catodico (CRT) e a cristalli liquidi (LCD). Questi ultimi sono da tempo utilizzati sui computer portatili perché più sottili, ma negli ultimi anni hanno trovato largo impiego anche in postazioni desktop. Plotter Dispositivo hardware che traccia grafici, diagrammi ed altre immagini basate su linee. I plotter impiegano penne o un getto di inchiostro. I plotter a penna disegnano su carta o materiali plastici trasparenti con una o più penne colorate; impiegano due tipi fondamentali di gestione della carta: su piano e su tamburo. I plotter piani mantengono ferma la carta e spostano la penna tanto lungo l'asse x quanto lungo l'asse y mentre quelli a tamburo avvolgono la carta su un cilindro e la penna si muove lungo un asse, mentre il tamburo (unitamente alla carta) ruota. Stampanti (a contatto o senza contatto) Dispositivi che permettono di ottenere un output cartaceo. Generalmente sono connesse alla porta parallela o USB del PC, ma possono essere integrate in rete per meglio gestire grandi code di stampa. Per valutare e confrontare due o più stampanti è importante conoscere la risoluzione di stampa: si misura in DPI (Dot Per Inch). 5

6 Stampante a matrice di aghi: Esiste una serie di aghi (da 9 a 24) che consente di "formare" i caratteri mediante punti ravvicinati ottenuti dalla pressione degli aghi su un nastro simile a quello della macchina da scrivere; è nota anche come stampante a matrice di punti. Stampante a getto d'inchiostro L'inchiostro, riscaldato con un procedimento elettromagnetico crea delle bolle che esplodendo scrivono sul foglio. Questo consente alta precisione e qualità fotografica. L unico inconveniente è dato dall alto consumo di inchiostro. Stampante laser Un pennello di raggi laser impressiona un tamburo fotosensibile (stessa tecnologia impiegata nelle fotocopiatrici); la parte impressionata (immagine) attrae particelle di toner (polvere secca nera). Un foglio di carta viene premuto sul tamburo, "sporcato" dal toner successivamente fuso. 2.7 Principali componenti di gestione ed elaborazione dati e istruzioni Motherboard (Scheda Madre) E il circuito principale di un computer che ospita e mette in comunicazione tra di loro le diverse componenti interne al PC e cioè CPU, memorie e Slot di espansione (slot audio e video, porte di rete e di comunicazione), recependo lo sviluppo tecnologico (e la crescente velocità) delle componenti ospitate. La Motherboard è costituita da una parte hardware formata da un insieme di chip di supporto denominato chipset e da una parte software (BIOS) contenuta in un chip di memoria di tipo (EEP)ROM. Comprende inoltre i canali di connessione alle periferiche (Bus) e le sedi (slot) di alloggiamento per le ulteriori componenti ospitate. Il circuito di una Motherboard determina le componenti che possono essere utilizzate e le caratteristiche funzionali del computer. L attuale architettura ATX è stata modificata per lasciare più spazio alla CPU e incorpora componenti aggiuntive come ad esempio alcune porte I/O e le controller di connessione ai dischi. Slot AGP per scheda video Porte seriali e USB Porta parallela Slot di espansione PCI a 32 bit per scheda audio, di rete, modem etc Chipset Batteria tampone per alimentare la ROM Socket per CPU 3 Slot per moduli RAM Clock BIOS (Flash eprom) Slot (E)IDE e ATA per la connessione di FD, HD, CD e DVD 6

7 Motherboard: hardware monitoring Il processore di sistema raggiunge, durante il funzionamento, temperature d'esercizio abbastanza elevate e per questo motivo si rende necessario l'impiego di dissipatori di calore e ventole. Numerose motherboard, soprattutto se costruite nell'ultimo anno e mezzo, integrano al proprio interno funzioni di hardware monitoring. Attraverso queste è possibile monitorare le temperature di esercizio di processore e scheda madre, verificare i voltaggi di alimentazione di Core e I/O, controllare la velocità di rotazione delle ventole tachimetriche eventualmente collegate alla scheda madre. L'hardware monitor fornisce i valori di temperatura, voltaggi e velocità di rotazione direttamente in un menu del BIOS; è però anche possibile controllare questi valori direttamente dal sistema operativo, utilizzando un software proprietario del produttore della scheda madre oppure uno dei tanti software di hardware monitoring disponibili on line. Per poter correttamente monitorare la velocità di rotazione delle ventole è necessario che queste siano del tipo tachimetrico, cioè a tre fili invece di due (il terzo filo è quello che segnala alla scheda madre la velocità di rotazione della ventola) e che vengano collegate direttamente alla scheda madre. Inoltre, la scheda madre deve integrare funzioni di hardware monitoring altrimenti il segnale della velocità di rotazione viene inviato solo alla scheda madre senza poter essere letto Chipset La CPU non dialoga direttamente con la RAM o con le schede montate sui bus di espansione. Per farlo necessita di un chip che si chiama bridge. L insieme dei chip che governano la scheda madre e consentono la comunicazione tra la CPU e le altre componenti si chiama chipset, che può essere definito come il circuito di supporto alla scheda madre (glue logic) che gestisce tutti i processi tra le componenti del PC (sottosistema video, sistemi di memorizzazione, memoria di sistema, ecc..) e la CPU. Così come la scheda madre, caratterizza il PC per limiti e possibilità (es. per utilizzare le RAM o un bus AGP più veloci, è necessaria una Motherboard che contenga connettori adeguati e un chipset in grado di gestire la maggior velocità) Svolge alcune funzioni particolari, tra cui: Timing: controlla e coordina le operazioni del PC e la loro velocità Interrupt control: governa il sistema di precedenze tra le applicazioni (o i comandi) e la CPU Direct Memory Access (DMA): sistema di precedenza tra dati e memorie Gestione dei BUS: collega e permette lo scambio di informazioni tra le componenti del PC Controllo delle memorie: gestisce il flusso da e verso le memorie interne del PC Controllo dei Dischi: assicura lo scambio da e verso le memorie esterne del PC Controllo della tastiera e delle porte di comunicazione Chipset North and South Le funzioni di un chipset sono divise in due gruppi, solitamente svolte da due diversi chips (Northbridge and Southbridge), rispettivamente adiacenti alla CPU e alle periferiche. Entrambi i chips forniscono le linee di comunicazione tra le periferiche. Nel chipset Intel 845PE Pentium 4, si può osservare come il Northbridge gestisca i flussi maggiori di dati come ad esempio quelli da e verso la RAM e il bus AGP (Advanced Graphics Port) che ospita la scheda video, mentre il Southbridge le connessioni secondarie verso i drive ATA/IDE e le periferiche USB. In alternativa, altri produttori come SiS hanno creato un singolo chip che incorpora tutte le funzioni in un unico chip. 7

8 2.7.3 CPU (Central Processing Unit) Il microprocessore o CPU gestisce le operazione richieste dal sistema operativo e dalle applicazioni, determina quale sistema operativo può essere utilizzato, quali software, quanta energia consuma e quanto è stabile l intero sistema. La CPU esegue le operazioni di calcolo attraverso la sua componente ALU (Arithmetic Logic Unit) che consente di eseguire, oltre ad operazioni aritmetiche, anche operazioni logiche di vario tipo; ad esempio, il confronto tra due valori numerici od alfabetici e le operazioni AND e OR dell'algebra di Boole. All interno della CPU risiede l Unità di controllo che controlla le operazioni di ingresso e uscita dei dati. Mentre esegue le operazioni richieste o alla richiesta di esecuzione di un programma, l unità di controllo trasferisce l istruzione dalla memoria in aree interne di memoria temporanea, denominate Registri. Le CPU moderne hanno 32 registri a 64 bit. Affinché il trasferimento delle informazioni (dati e istruzioni) tra le varie componenti del calcolatore possa avvenire correttamente, occorre che queste siano tra loro sincronizzate; ad esempio, l'unitá Centrale deve conoscere l'esatto istante in cui la memoria ha trasferito nel "data bus" il dato richiesto. A tale scopo é stato introdotto nel calcolatore un segnale di sincronizzazione generato da un dispositivo hardware, denominato Clock o Cronometro. Grazie al segnale di clock è possibile sincronizzare tutte le funzioni del processore. Il valore della frequenza delle oscillazioni del clock degli attuali microprocessori è compreso tra 2000 MHz e 3200 MHz (Milioni di Hertz), dove un hertz corrisponde ad una oscillazione al secondo. Nonostante sia esterno alla CPU, il Clock ne fa parte da un punto di vista logico e la sua funzione è appunto quella di temporizzare la frequenza delle operazioni della CPU, in milioni (miliardi) di istruzioni al secondo (MHz o GHz). Poiché le istruzioni dei linguaggi di programmazione richiedono uno o più cicli di clock per essere eseguite, in generale più piccolo è il ciclo di clock, perciò più alta è la frequenza di lavoro, più veloce é il calcolatore. In realtà la frequenza del clock non è l unico dato per valutare la velocità di un PC, che dipende da molti altri parametri, come esempio la portata dei bus, il tempo di accesso alle memorie, l'eventuale presenza di memoria cache e le caratteristiche del bus di dati. 8

9 Coprocessore (FPU) E un processore distinto dal processore principale che esegue funzioni sussidiarie; ad esempio, il coprocessore matematico consente di eseguire più rapidamente calcoli matematici con numeri in virgola mobile. I vecchi microprocessori erano in grado di effettuare solo operazioni tra numeri interi. Le operazioni tra numeri reali vengono effettuate da tali processori scomponendole in sequenze di operazioni tra numeri interi, con un conseguente aumento del tempo di calcolo necessario. Per ovviare a tale inconveniente, particolarmente sentito in applicazioni grafiche e di calcolo matematico e finanziario, alla CPU veniva spesso affiancato un coprocessore matematico, cioè un dispositivo in grado di eseguire direttamente operazioni tra numeri reali, chiamate anche operazioni in virgola mobile; tale dispositivo consente di aumentare notevolmente la velocità di calcolo nell'esecuzione di tali operazioni. Ora il coprocessore matematico (FPU floating processor unit) è sempre integrato nella CPU Nota: Per rappresentare numeri decimali, in matematica si utilizza normalmente la rappresentazione floating point (fl. p.) che consente di rappresentare agevolmente numeri molto grandi o molto piccoli: ogni numero X è individuato da una coppia di numeri Y e Z tali che, dove N è una base (normalmente N=10), Z è un intero chiamato esponente ed Y è una frazione (o numero decimale) chiamato mantissa; ad esempio, la coppia di numeri Y=0,235 e Z=2 individua in modo univoco il numero 23,5=0,235*10 2 CPU: evoluzione tecnologica Nella seguente tabella vengono messe a confronto le caratteristiche più importanti delle CPU di diverse generazioni di PC a partire dall Intel 8088, cioè dalla CPU utilizzata sul primo PC IBM fino ad arrivare al Pentium IV. L evoluzione delle CPU si può osservare attraverso l eccezionale aumento di velocità del clock, la maggior ampiezza dei bus utilizzati e la presenza di cache memory di primo livello, cioè interne al microprocessore Generation 8088/ First 8086/ First 80286/ Second 80386DX/ Third 80386SX/ Third 80486DX/ Fourth 80486DX2/ Fourth 80486DX4/ Fourth Pentium/ Fifth MMX/ Fifth Year Data/ Address bus width Level 1 Cache (KB) 9 Memory (FSB) bus speed (MHz) Internal clock speed (MHz) /20 bit None /20 bit None /24 bit None /32 bit None /32 bit /32 bit /32 bit /32 bit /32 bit /32 bit

10 Pentium Pro/ /36 bit Sixth Pentium II/ Sixth /36 bit / Pentium III/ /36 bit GHz Sixth AMD Athlon/ /36 bit GHz Seventh Pentium 4/ Seventh /36 bit /533/ GHz-3 GHz AMD-Intel / / Ghz Il grafico riportato mostra l aumento del numero dei transistor presenti all interno della CPU. La CPU riceve i dati e le istruzioni in forma di 0 o 1, li elabora e restituisce risultati nella stessa forma. Le decisioni avvengono in circuiti chiamati logic gate che richiedono la presenza di 1 transistor. Il passaggio da CPU contenenti circa transistor ai moderni microprocessori (Pentium IV) con circa 50 milioni transistor rende evidente l evoluzione e la maggior complessità delle tecnologia attuale. 10

11 Alcuni esempi di CPU (Microprocessori) I principali produttori di CPU sono la Intel e la AMD (Advanced Micro Devices). In queste immagini possiamo vedere un Pentium 3 con ventola e cavi di alimentazione e (sulla parte destra) un Pentium 4 Northwood a 3 Ghz, visto dal davanti e sul retro (in alto, si notino i piedini per l installazione sul socket). Nella tabella vengono riportate in sintesi le caratteristiche principali dei più recenti microprocessori sul mercato. Si noti come una CPU tipicamente utilizzata su postazioni server (PIII Xeon) abbia elevate dimensioni di cache memory. Microprocessore Frequenza CPU (Ghz) Clock Frequenza Front Side BUS L1 (cache primo livello) L2 (cache secondo livello AMD Athlon 1, K 256 K AMD Athlon 64(Clawhammer) Pentium III Xeon Pentium 4 (Northwood) 2, K 256 K 0, K 2 Mbyte 2, K 512 K Pentium 4 3, K 512 K Bus (canali di comunicazione dati e indirizzi): 11

12 Sono le vie di comunicazione che trasportano dati o segnali ad alta velocità condivise da unità diverse del calcolatore (unità di controllo, unità aritmetico-logica, memoria centrale, unità periferiche). Si distinguono diversi tipi di bus, a seconda della loro funzione e caratteristiche di velocità e portata: Bus interni alla CPU: trasferiscono dati all interno della CPU (unità di controllo, unità aritmeticologica, registri, cache L1) Bus di sistema (o Front Side Bus FSB): canale di comunicazione tra memoria di sistema (RAM e cache L2), chipset, scheda video e processore Bus (dati) di espansione: connette le schede di espansione interne al PC L ampiezza di un bus viene misurata in bit (dove bit = binary digit = 0-1 e dice quante cifre in formato binario vengono trasportate in un unità di tempo) e la sua velocità in Mhz. Un bus dati a n bit trasporta quindi contemporaneamente n bit; normalmente si hanno bus dati a 16 (Industry Standard Architecture ISA), 32 (Enhanced ISA, EISA) e a 32/64 bit (Peripheral Component Interconnect PCI). L efficienza di una certa architettura si esprime invece in Mbyte/sec e si ottiene aggregando le due caratteristiche di ampiezza e velocità per calcolare la portata del volume di dati trasferito per unità di tempo (transfer rate). Per calcolare il transfer rate di un bus è sufficiente dividere l ampiezza del bus (che è espresso in bit) per un byte (8 bit) e moltiplicarlo per la velocità di clock es. uno slot PCI a 32 bit e 33 Mhz di velocità ha un transfer rate di 32/8*33=132 MB/sec In questa illustrazione possiamo vedere i bus interni alla CPU e i bus di collegamento tra la CPU e gli slot di espansione della scheda. I bus interni alla CPU hanno ampiezza di 64 bit e velocità pari a quella del clock. L ampiezza dei bus di espansione è invece solitamente di 32 bit e la velocità varia tra 33 e 133 Mhz. 12

13 Un importanza particolare è data dal bus di sistema o FSB (front side bus), cioè dal bus che collega la CPU alla memoria RAM e allo slot AGP. La velocità del FSB è regolata dal chipset ed è caratteristica di quel particolare tipo di Motherboard. Nel tempo è aumentata dai 66 o 133 Mhz tipici dell architettura PIII ai Mhz ed oltre dell architettura Pentium IV. Dalla velocità del FSB è possibile risalire alla velocità del clock del processore, utilizzando un fattore moltiplicativo, visibile dalle BIOS. Calcolatore a 8, 16, 32, 64, n bit Si può pensare che la memoria centrale di un calcolatore sia suddivisa in celle, ciascuna delle quali contiene un'informazione (dato o istruzione o parte di un'istruzione). Allo scopo di identificare ogni singola informazione, ad ogni cella è associato un indirizzo che serve ad individuarla ed un contenuto della cella stessa. Prende il nome di parola (word), il numero massimo di bit della memoria cui è possibile associare un indirizzo. Le informazioni memorizzate in una parola sono sequenze di cifre binarie o bit; la parola può essere di 1 byte, 4 byte, 8 byte; si parla di calcolatore ad n bit quando sia le dimensioni della parola che il numero di bit trasferiti contemporaneamente sul bus dati è n. Valori usuali nei PC sono 8, 16 e 32 bit; i PC Pentium sono a bit. BUS di espansione: confronto tra standard La tabella mostra un confronto tra velocità, ampiezze e transfer rate di diverse architetture utilizzate. Lo standard più efficiente e utilizzato delle Motherboard di tipo ATX è l architettura PCI Data Path Width Data Bus Speed (MHz) Data Transfer Rates (MB/sec) Data Rates Implemented (MB/sec) ISA EISA VL-Bus PCI 8/ /64 32/ / /50 33/ / / / / Bus PCI Il tipo di BUS normalmente adottato nelle Motherboard di ultima generazione è di tipo PCI (Peripheral Component Interconnect). La tecnologia PCI ha trovato la sua prima implementazione nel 1993 con le prime versioni di microprocessore Intel Pentium, denominate Neptune, Saturn and Mercury. L architettura PCI è a 32 o a 64 bit, ma viene solitamente utilizzata nella versione a 32. Gli slot a 64 bit sono più lunghi e facilmente riconoscibili. Trovano applicazione solo su PC destinati ad essere utilizzati come server. 13

14 Slot PCI a 64 bit Slot PCI a 32 bit BUS di espansione: lo slot AGP L AGP (Accelerated Graphics Port ) è un tipo di bus esplicitamente introdotto per gestire le schede video. Storicamente la sua nascita è spiegata dalla necessità di avere una banda passante dei dati, specifica per la scheda video, superiore a quella del bus PCI. In realtà si tratta di un estensione dell architettura PCI. Sono disponibili 4 differenti versioni di connettore AGP, fisicamente uguali tra di loro e differenziate per la banda passante a disposizione. Lo slot AGP è 32 bits di ampiezza e ha velocità pari a 66 Mhz. Questo di traduce in un ampiezza di banda di 264 MBps, in confronto a quella standard PCI che è di 132 MBps. Il clock dello slot AGP può avere moltiplicatori che rendono questa porta ancora più veloce: AGP 1x: banda passante di 264 Mbytes al secondo AGP 2x: banda passante di 528 Mbytes al secondo AGP 4x: banda passante di 1056 Mbytes al secondo Ovviamente, è la relazione Slot AGP - scheda video AGP che determina la banda passante complessiva di tutto il sottosistema video; per questo motivo, utilizzare una scheda video AGP 1x su una scheda madre dotata di Slot AGP 4x porta ad avere una banda passante di 264 Mbytes al secondo; medesimo risultato vale, ovviamente, se la scheda video è AGP 4x e lo Slot AGP 1x. 14

15 2.7.5 Memorie Con il termine generico memorie si intendono dispositivi elettronici o elettromagnetici atti a memorizzare informazioni codificate con la numerazione binaria. Le memorie possono ricevere informazioni (fase di scrittura in memoria), conservarle o restituirle (fase di lettura da memoria). I vari tipi di memoria Una prima distinzione funzionale è tra memoria interna o centrale RAM (primaria, di lavoro, di sistema ) in cui vengono trasferiti dati e programmi durante la fase di elaborazione e le memorie esterne o di massa (secondarie, periferiche) costituiti da nastri, dischi FD e HD, CD, DVD, etc...) che svolgono la funzione di contenitori per la memorizzazione di dati e i programmi definiti dall'utente. Un secondo tipo di memoria interna, ma con funzioni completamente differenti, è data dalla memoria ROM (ed estensioni di questa). Proprietà delle Memorie Tempo di accesso: tempo necessario per trasferire informazioni dalla CPU ad un sistema di memoria o viceversa. In dettaglio occorre distinguere tra tempi di lettura e scrittura. Tempo di lettura (in memoria): tempo che intercorre tra l'istante in cui l'unità di controllo fornisce l'indirizzo I di una unità di memoria che deve essere "letta" e l'istante in cui il contenuto della memoria di indirizzo I è disponibile nella CPU. Tempo di scrittura (in memoria): tempo che intercorre tra l'istante in cui l'unità di controllo fornisce l'indirizzo I di una unità di memoria dove si vuole "scrivere" un dato e l'istante in cui il dato viene effettivamente memorizzato. I tempi di accesso si misurano in millisecondi (msec), milionesimi di secondo (microsecondi o µ sec) o miliardesimi di secondo (nanosecondi o ηsec). Capacità delle memorie: viene misurata in byte e multipli : Kilobyte (Kb)=1024 bytes, Megabyte (Mb)=1024 Kb, Gigabyte (Gb)=1024 Mb. Tempo di accesso e capacità tipiche di un normale PC: Le memorie possono essere distinte anche a seconda delle loro caratteristiche fisiche. In questo caso si hanno memorie: 15

16 A VOLATILI (o RAM) ROM SEMICONDUT TORE NON VOLATILI EPROM RMM FlashROM SEQUENZIALI (o SAM) RISCRIVIBILI MEMORIE DI MASSA OTTICHE SEMIRANDOM WRITE ONCE MAGNETICHE Memorie a semiconduttore Le memorie a semiconduttore si basano sulla caratteristica fisica di certi materiali di mantenere uno stato (aperto o chiuso) per un certo periodo di tempo (millisecondi). Il tempo di accesso è indipendente dalla posizione dove è memorizzato (o si vuole memorizzare) il dato. Memorie volatili RAM (centrale, primaria, di lavoro, di sistema ) La sigla RAM (Random Access Memory) non significa che cerca le istruzioni a caso, ma che, non essendo disposte in modo sequenziale, le informazioni localizzate in punti diversi richiedono lo stesso tempo per essere raggiunte e recuperate. Le memorie volatili possono essere sia "lette" che "scritte"; perdono l'informazione quando cade l'alimentazione; inoltre devono essere "rinfrescate" ogni pochi millisecondi. Sono normalmente transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor). La memoria centrale di un calcolatore è costituita da milioni di memorie elementari a semiconduttore di tipo DRAM (dynamic RAM), ciascuna delle quali memorizza un bit; un byte è memorizzato per mezzo di otto memorie elementari adiacenti. Poiché tale memoria ha bisogno della corrente elettrica per rappresentare le informazioni e poiché quando si spegne il calcolatore le informazioni non sono più disponibili (i circuiti si portano nello stato di riposo che corrisponde a cifre binarie tutte nulle), prima di spegnere il calcolatore l'utente deve memorizzare le informazioni che gli interessano in una memoria non volatile, cioè che mantiene permanentemente le informazioni; tale memoria prende anche il nome di memoria periferica ed è normalmente una memoria magnetica (disco o CD). Le capacità tipiche della memoria RAM di un PC vanno dai 640 Kb del primo PC ai moduli attuali da 128Mb o 256 Mb, fino ad una memoria totale di 512Mb o 1Gb. Le schede madri possono montare differenti tipi di memoria di sistema, a seconda del chipset e del processore utilizzato. Negli ultimi anni la RAM è stata oggetto di un forte sviluppo tecnologico. Si è passati da una memoria avente velocità propria (clock) di tipo SIMM a 30 pin a una di tipo DIMM a 72 pin montata sui primi processori Pentium. Successivamente è stata sviluppata una tecnologia a 168 pin, chiamata SDRAM, in grado di sincronizzare la velocità a quella del bus di sistema. Si sono avute, nell ordine, SDRAM di tipo PC 66, 100, 133, a seconda del FSB di riferimento. Dal 2000 in poi sono state introdotte due nuove tecnologie concorrenti, le DDR e DRambus che consentono velocità superiori. In particolare la RAM di tipo DDR è in grado di utilizzare il segnale di clock sia sul fronte ascendente che su quello discendente e ha quindi velocità doppia rispetto a quella sincronizzata per un bus di sistema a 133 Mhz. La RAM Rambus invece è più veloce (fino a 800 Mhz) ma usa un bus più piccolo della DDR (16 anziché 32 bit). Ecco una breve storia dell evoluzione e delle caratteristiche delle diverse tecnologie di RAM. 16

17 Moduli SIMM (single inline memory module): è il tipo di memoria di più vecchia concezione e, ovviamente, quella con le prestazioni inferiori; al momento attuale nessun sistema di recente progettazione utilizza questo genere di moduli memoria. Ne esistono due varianti: Simm a 30 pin e Simm (o Dimm, dual inline memory module) a 72 pin; la prima è stata utilizzata con le schede madri per processori 286, 386 e 486 mentre i moduli Simm a 72 pin sono stati introdotti in seguito con alcune schede madri 486 e quelle per CPU Pentium e simili. Nelle versioni EDO o Fpm le Simm (Dimm) utilizzano un proprio clock (RAM) e velocità di accesso espressa i nanosecondi. SDRAM PC66: è il primo tipo di memoria SDRAM (Synchronous dram) originariamente introdotto in commercio con le schede madri Socket 7; pensato per la frequenza di lavoro di 66 Mhz, permette prestazioni superiori rispetto ai moduli memoria SIMM da 70 pin utilizzati sempre con questo genere di schede madri. Memorizza le richieste della CPU in un proprio registro e usa linee differenti per riferimenti di riga, di colonna e di dati. Tutte le RAM di tipo sincronizzato usano l ampiezza e il segnale di clock (demoltiplicato) del Front Side Bus (Fsb) (64 bit di bus, RAM a Mhz) SDRAM PC100: è il tipo di memoria più noto e diffuso fino ai processori di tipo Pentium III ed è pensata per un impiego alla frequenza di 100 Mhz (da questo la sigla PC100), in genere vede l'impiego di moduli memoria da 10 oppure 8 ns. SDRAM PC133: evoluzione della memoria PC133, come il nome suggerisce facilmente è pensata per il supporto ufficiale alla frequenza di 133 Mhz. Questo tipo di memoria utilizza chip da 7.5 oppure 7 ns (in alcuni casi anche con tempi d'accesso inferiori) ed è supportata dai chipset Via Apollo PRO 133, Via Apollo PRO 133A e Intel i815e. DDR: le memorie SDRAM sono disponibili anche in versione DDR (Double Data Rate); questa tecnologia, introdotta per la prima volta nelle memorie delle schede video, permette di raddoppiare la bandwidth della memoria a disposizione in quanto vengono utilizzati entrambi i fronti di clock (ascendente e discendente). All'atto pratico, si può dire che la memoria DDR operante ad una certa frequenza ha bandwidth doppia rispetto a quella della memoria SDRAM operante alla stessa frequenza. DrDram (DirectRambusDram): questo nuovo standard per le memorie è stato introdotto da Intel specificamente per l'impiego con il chipset i820. Usa un solo canale per dati e riferimenti, con un protocollo simile a quello utilizzato nelle reti e velocità propria (fino a 800 Mhz). Usa un bus più piccolo della Ddr Sdram (a 16 bit) ed è il concorrente attuale della Ddr Sdram RAM: quale usare Dal 2002 in poi lo standard di RAM installato sui PC è passato dalle Sdr SDram alle Ddr Sdram. Un computer di fascia media prevede un modulo di 256 Mbyte di Ddr Sdram). La scelta in termini di tecnologia e capacità dipende comunque dall utilizzo richiesto. Swapping Se la Ram non è sufficiente a contenere tutti i dati e le applicazioni richieste in quella sessione di lavoro dall utente, si ricorre ad una tecnica detta di Swapping che utilizza una parte di disco fisso per memorizzare le istruzioni eccedenti. Questo provoca però un decadimento delle prestazioni dovuto al maggiore tempo di accesso del disco fisso rispetto alla RAM. L area di swapping viene configurata attraverso il pannello di controllo 17

18 Memoria Cache e RAM statica (SRAM) La memoria cache è una memoria volatile in cui vengono depositati dati in attesa di elaborazione per fornire al dispositivo che li utilizzerà un flusso di dati costante e senza interruzioni. Viene utilizzata come memoria tampone (buffer) per contenere le istruzioni e i dati che saranno elaborati dal processore eliminando tempi morti della CPU in attesa. Quando viene richiesto al processore di elaborare una particolare operazione (ad esempio, effettuare il rendering di un'immagine), quest'ultimo richiama i dati necessari e li memorizza all'interno della memoria di sistema, dalla quale li preleverà nel momento in cui dovrà rielaborarli. La velocità alla quale il processore elabora i dati è quella di clock (ad esempio, 3000 Mhz), mentre quella alla quale la memoria di sistema sposta i dati è quella di bus, decisamente più ridotta (es Mhz, a seconda del FsB); si deduce abbastanza chiaramente che la frequenza di lavoro della memoria di sistema rappresenta un collo di bottiglia alle prestazioni complessive, in quanto il processore è costretto ad "aspettare" che i dati vengano a lui forniti dalla più lenta memoria di sistema. Questo fenomeno viene denominato latenza. Per ovviare a questo inconveniente è stata introdotta la memoria cache (di tipo SRAM), un particolare tipo di memoria di dimensioni molto ridotte che lavora non alla frequenza di bus ma ad una frequenza più elevata e che serve per velocizzare le transazioni dei dati tra memoria di sistema e processore. In dettaglio, esistono due tipi di memorie cache: - cache L1 o di 1 livello: è in genere contenuta all'interno del Core del processore e opera alla frequenza di clock. La dimensione varia tra 8 e 256 Kbyte - cache L2 o di 2 livello: a seconda del tipo di architettura è posta o all'interno del Core del processore oppure sulla motherboard; opera a frequenze differenti, variabili tra la frequenza di bus e quella di clock. La dimensione della cache L2 varia tra 256 Kbyte e 2 Mbyte ed utilizza moduli di RAM statica. Il processore Pentium III, ad esempio, utilizza 512Kbyte di cache La RAM statica usata per le cache memory è più veloce e più costosa della Dram (fino a 4 nanosec) e non ha bisogno di refresh per conservare le informazioni registrate nelle celle di memoria (circuito a due transistor flip - flop ). 18

19 In sintesi le Memorie Cache e le memorie SRAM Consentono di sincronizzare memorie con velocità diverse, in quanto le memorie vengono interrogate dalla CPU nell ordine L1, L2, RAM, cache HD, HD Memorizzano l indirizzo delle ultime informazioni richieste al livello di memoria successivo Hanno costo proporzionate alla velocità Memorie a semiconduttore (interne) non volatili Non perdono l'informazione quando cade l'alimentazione; sono normalmente matrici di diodi. Le più importanti sono le memorie ROM ed RMM. ROM (Read Only Memory) e BIOS: LA ROM è una memoria che può solo essere letta (con un tempo di lettura molto piccolo). Contiene programmi di grande importanza già installati dal costruttore (Firmware), ad esempio l insieme dei programmi BIOS (Basic Input Output Subsystem) che controlla le funzioni di base di Input/Output del calcolatore (gestione di tastiera, schermo, stampante, disco,...), la sequenza di lettura dei dischi in avvio, permette di riconoscere l'hardware installato e contiene inoltre i programmi di accensione (BOOTSTRAP) che caricano da Floppy o da Hard Disk a memoria centrale il sistema operativo che consente l avviamento e il funzionamento del calcolatore. Per eseguire le sue funzioni, il BIOS ha bisogno di conoscere e conservare in memoria le caratteristiche dell'hardware presente nel computer. Tali parametri sono permanentemente salvati in una memoria di 64 byte chiamata CMOS RAM, grazie all'impiego di una piccola batteria che, anche a computer spento, permette di non perderne le informazioni. Per modificare o accedere ai parametri memorizzati il BIOS può essere configurato attraverso un procedura (di Setup) da eseguire durante la fase di avviamento (o POST, Power On Self Test). Il BIOS presente su un certo PC dipende dal particolare tipo di chipset utilizzato dalla Motherboard di quel PC ed è il software che permette che la scheda madre e il chipset eseguano correttamente le loro funzioni. Può essere considerato come il sistema operativo della Motherboard. L insieme dei parametri della BIOS può essere visualizzato dal programma Microsoft System Information o da programmi equivalenti. Sulla parte destra si può osservare il processo di Setup (configurazione delle BIOS) 19

20 RMM (Read Mostly Memory): memoria di prevalente lettura; tra le più importanti citiamo le: - EPROM (Eraseable PROgramming ROM): può essere cancellata e riprogrammata (però solo con un'apposita attrezzatura hardware); maggior tempo di lettura di quello della ROM. - FlashROM: può essere cancellata e riprogrammata facilmente dall'utente (senza un'apposita attrezzatura hardware). Nelle schede madri di ultima generazione il BIOS è posizionato su questo tipo di memoria consentendo un facile upgrade. Memorie di massa Memorie atte alla memorizzazione permanente di grandi quantità di dati. Non perdono le informazioni contenute quando viene interrotta l alimentazione. Sono di due tipi: sequenziali e semirandom. Memorie sequenziali (in disuso) Così dette poiché i dati vengono scritti uno dopo l altro, generalmente su nastro magnetico (ad esempio cassette). Memorie semirandom Sono normalmente dischi magnetici e dischi ottici. I dati non sono scritti in maniera sequenziale e ogni punto del disco è accessibile in qualsiasi momento. Floppy disk: consente di memorizzare 1,44 milioni di byte (caratteri) su un dischetto flessibile di mylar, inserito in un supporto di plastica Dischi fissi: consente di memorizzare miliardi di caratteri (Gbyte) su un disco non rimovibile Cd Rom (compact disk): tecnologia laser per la lettura (CD-Recordable) - scrittura (CD- ReWritable) di dischi magneto-ottici. Capacità di circa Mbyte. E stato introdotto come supporto standard per i file audio (CD musicali) Dvd (digital versatile disk): il codice digitale e le tracce presenti sul disco ottico sono miniaturizzate. Consente di memorizzare da 4,7 a 17 Gbyte di dati. E stato introdotto come supporto standard per i file video Zip, Jaz: dischi fissi rimovibili con capacità da 100 Mb (Zip) a 2 Gb (Jaz) Flash (Pen) drive: dischi fissi rimovibili a basso costo, di ridotte dimensioni e con capacità fino a 1 Gb. Stanno sostituendo sia i Floppy disk che gli altri sistemi di memoria rimovibile per praticità e scarso ingombro. 20