L'architettura hardware di un computer

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1 L'architettura hardware di un computer -Struttura di un elaboratore Un elaboratore può essere definito, in modo semplice, come un sistema capace di elaborare i dati immessi seguendo opportunamente una serie di istruzioni, e dare in uscita i risultati dell'elaborazione. L'insieme delle istruzioni, atte ad elaborare convenientemente i dati ed organizzare in modo organico, viene normalmente definito programma. La struttura interna di un elaboratore è composta da questi elementi: la CPU o microprocessore, è un dispositivo elettronico che coordina tutte le funzioni che si svolgono all interno del computer. la memoria centrale in cui risiedono programmi e dati le memorie di massa costituite da supporti magnetici, ottici o magneto-ottici, di forma diversa come i dischi magnetici (hard disk o floppy disk), nastri magnetici, dischi ottici (CD-ROM o DVD), dischi magneto-ottici. le unità di ingresso, ovvero quei dispositivi attraverso i quali l operatore può immetteredati e programmi nella memoria; le unità di uscita, cioè dispositivi atti a presentare all operatore i risultati delle elaborazioni svolte. La memoria centrale presente all interno del sistema è di tipo elettronico, questa memoria è generalmente di due tipi base: 1. RAM, su cui è possibile sia scrivere che leggere i dati; questa memoria è di tipo volatile, ovvero perde i dati con lo spegnimento del sistema;

2 2. ROM, da cui è possibile solamente leggere i dati; è di tipo non volatile in quanto conserva le informazioni anche con il sistema nn alimentato. Si possono schematicamente raggruppare i sistemi di elaborazione nelle seguenti categorie in base alle possibilità di utilizzazione: - i mainframe sono grossi sistemi di elaborazionementre i minicomputer sistemi di capacità ridotta rispetto al mainframe; - le workstation possono essere considerate sistemi specializzati per svolgere particolari funzioni; - i server sono sistemi che operano nell ambito di un collegamento in rete tra computer e che forniscono ad altri sistemi ad essi collegati, client, servizi specifici. -Il Personal Computer I Personal Computer, sono dei sistemi che pur essendo di minimo ingombro offrono al singolo utente notevoli possibilità di elaborazione, sicuramente uguali se non addirittura maggiori a quelle dei grossi elaboratori delle epoche precedenti. In un PC si distinguono le seguenti parti: - CPU: denominata anche processore o microprocessore; presiede al controllo e allo svolgimento di tutte le operazioni che avvengono all interno del computer sotto la supervisione di programmi.

3 - Circuiti d interfaccia: collegano le unità di ingresso ed uscita con il BUS della CPU. - Dispositivi d ingresso e uscita: nei casi più semplici sono costituiti dalla tastiera e dal video. Essi trasferiscono i dati dal mondo esterno alla CPU e dalla CPU al mondo esterno. - Memoria centrale: in essa sono memorizzati i programmi, i dati intermedi delle elaborazioni e i dati finali. In generale la memoria di un calcolatore è costituita da memorie RAM e da memorie ROM, in queste ultime memorie di solito è memorizzato il BIOS, cioè una serie di programmi, scritti nel linguaggio base del processore, che interagiscono direttamente con l hardware del sistema e che permettono l avvio del computer i nfase di accensione. - Memorie di massa: costituite da unità con dischi magnetici detti hard disk, drive per dischi flessibili e ottici di diverso formato e con diversa capacità di memorizzazione. - Alimentatore: fornisce le tensioni necessarie per alimentare le parti presenti all interno del PC. Attualmente nei PC è presente una scheda madre, che contiene i principali circuiti per il funzionamento del PC; su quelle moderne sono situati i seguenti dispositivi: - la CPU, in cui è integrato sia il coprocessore matematico che la memoria cache di 1 livello e nei nuovi processori anche quella di 2 livello; - un certo quantitativo di memoria veloce di tipo SRAM detta cache di 2 livello;

4 - la memoria centrale di tipo SDRAM con tempi di accesso maggiori della SRAM ma meno costosa; - la memoria o di tipo ROM o, di tipo flash EEPROM, che permette di aggiornare il BIOS via software senza togliere il chip dalla scheda madre; - la memoria RAM C-MOS e il real time clock con una piccola batteria tampone. Nella memoria C- MOS vengono memorizzate le informazioni di base del BIOS; - gli integrati di interfaccia del microprocessore con la memoria centrale, con il bus di espansione e con aalcune delle periferiche di I/O. Nei chipset sono integrati anche le funzioni di controllo del drive e il supporto alla porta USB; - un chip che contiene integrati i circuiti d interfaccia di I/O per la porta parallella, le porte di comunicazione seriali. La CPU comunica con tutti gli altri elementi presenti sulla scheda madre, tramite una serie di linee di collegamento che nel loro insieme prendono il nome di BUS, ci sono tre tipi di BUS: Il BUS DATI, bidiezionale, permette di inviare le informazioni da elaborare dai dispositivi d ingresso e dalla memoria, alla CPU e viceversa. Il BUS INDIRIZZI, serve per indicare con quale dispositivo o con quale locazione di memoria debbano essere scambiati i dati in un determinato istante. Il BUS di CONTROLLO, dove transitano dei segnali, che la CPU utilizza per trasmettere particolari comandi ai vari dispositivi presenti nel sistema, o che le permettono di conoscere il loro stato. E denominata DMA la tecnica con cui alcune periferiche scambiano direttamente i dati con la memoria senza farli transitare attraverso la CPU. -I BUS di ESPANSIONE Ogni PC è dotato di un BUS di ESPANSIONE su cui l utente può connettere liberamente le proprie schede; questi BUS sono: il BUS XT, il BUS ISA, il BUS ISA e il BUS PCI che è quello che è attualmente presente nei moderni PC. C è anche un bus specifico per il collegamento al sistema di una scheda grafica, questo è il BUS AGP. Essendo collegato direttamente collegato con il chipset che contiene il controllore della memoria di sistema, permette un più rapido scambio di dati tra il controllore grafico, presente sulla scheda grafica, e la memoria, rendendo possibile l utilizzazione di applicazioni 3D in tempo reale. Sulla scheda madre sono presenti anche connettori per i dischi fissi, per i lettori DVD-CD-ROM o per i masterizzatori CD e per i floppy disk. Questi connettori sono denominati IDE o, con i nuovi computer, EIDE. Un elemento che sulle piastre madri riveste grande importanza è lo zoccolo su cui viene montata la CPU. E evidente che la struttura dello zoccolo e il numero di pin di cui esso è composto sono strettamente legati all configurazione del BUS della CPU. Con la parola chipset si indica l insieme dei circuiti integrati che sono di ausilio al processore per la gestione dei dispositivi presenti nella scheda madre: controllori del bus

5 di sistema e di espansione, controllori DMA e della memoria cache, gestione della porta parallela e seriale, ecc. -Le schede di espansione Le periferiche del PC Spesso è necessario collegare al PC, negli slot di espansione previsti, schede che integrano alcune funzioni specifiche. Le principali sono: - Scheda grafica: è la scheda per il controllo del video; tale scheda gestisce le modalità di scrittura e di grafica sul video. - Scheda audio: sono in grado di gestire complesse funzioni audio come la registrazione e la riproduzione di suoni e di brani musicali, la dettatura vocale e sono collegabili con casse acustiche, con microfono e con le cuffie. - Scheda SCSI per il collegamento di veloci hard disk, scanner e sistemi di scrittura su dischi ottici. - Schede di rete per il collegamento in rete locale di più computer. Le più diffuse sono le schede ETHERNET. - Schede TV: integrano un convertitore TV e permettono di ricevere i canali televisivi sul monitor del PC. - Schede con funzioni di modem: contengono tutte le funzioni di una porta seriale e in più quelle

6 proprie di un modem idoneo per il collegamento del PC con la rete telefonica. - Scheda con porta IEEE 1394 (dette fireware): è un interfaccia adatta allo scambio veloce di dati tra due sistemi ed in particolare utilizzata per scambiare informazioni di tipo audio/video. -La tasiera La tastiera costituisce il dispositivo standard per l immissione di dati in un computer. Tra i vari tipi disponibili in commercio è possibile individuare quattro zone principali di raggruppamento di tasti costituite da: - Tasti funzione: indicati con F1, F2, F3 : svolgono azioni diverse a seconda dell ambiente di applicazione attivo. Normalmente sono disposti sulla parte alta della tastiera. - Tasti numerici: posti sulla destra della tastiera, svolgono in genere la duplice funzione di tasti numerici, attivati quando viene premuto il tasto Num-Lock, o tasti per lo spostamento del cursore. - Tasti per il movimento del cursore: posti accanto al tastierino numerico, hanno la funzione di spostare il cursore sul video. Tra di essi sono posti anche i tasti Ins e canc (o Del). - Tasti alfanumerici comprensivi di tasti speciali: i tasti alfanumerici contengono tutti i caratteri alfabetici, quelli numerici e i più comuni segni di interpunzione. -Il video e le schede video Si può ritenere che il video sia una delle periferiche d uscita più importanti collegate al PC. Con i sistemi operativi di nuova generazione il video mostra in genere un ambiente grafico molto articolato e a colori con contenuti in stretta relazione con il sistema operativo che si sta utilizzando.

7 Il video CRT è costituito da un tubo a raggi catodici (CRT), simile a quello usato nei televisori. La visualizzazione è ottenuta mediante la scansione di un fascio di elettroni che, opportunamente accellerati e concentrati in un minuscolo punto, colpiscono il rivestimento di materiale a base di fosfori, depositato sulla parte interna dello schermo. Il fosforo si illumina quando viene colpito dal fascio di elettroni e la luminosità persiste per un tempo molto breve. Il punto luminoso viene detto pixel. I monitor di tipo LCD (Liquid Crystal Display) di ultima generazione presentano caratteristiche paragonabili con quelli CRT e, a volte, anche superiori. Sono sicuramente più leggeri e meno ed hanno una emessione elettromagnetica trascurabile. Anche il contrasto e la luminosità sono superiori rispetto a un monitor tradizionale. Gli angoli di visualizzazione, verticale e orizzontale, in genere sono inferiori e si aggirano intorno ai 160. Il video è sempre collegato con apposito cavo ad una scheda inserita nello slot AGP presente sulla scheda madre. Se il video utilizza segnali analogici, il connettore che fa capo alla scheda è del tipo D-sub femmina con 15 pin disposti su tre file. -Il mouse Il mouse è un dispositivo di puntamento, che permette di spostare rapidamente il cursore in ogni zona del video o di selezionare testo o immagini grafiche. Esso si rende indinspensabile in quelle applicazioni in cui è utlizzato un software che tende ad associare a particolari immagini, dette icone, programmi che svolgono le funzioni richiamate dalle immagini stesse. -La stampante

8 La stampante è una periferica di uscita che permette di riportare su carta i risultati delle elaborazioni come dati, grafici, testi, ecc. I tipi più comuni di stampanti sono: - la stampante a getto inchiostro spruzza sulla carta gocce di inchiostro attraverso minuscoli ugelli. - la stampante laser riproduce le immagini e i caratteri attraverso un sottile raggio laser. -Le memorie di massa Come è facile intuire, la sola memoria centrale (RAM e ROM) interna al PC non è sufficiente né adatta a memorizzare i numerosi programmi e i dati che normalmente sono utilizzati dall utente. Sono perciò necessari altri tipi di memoria che permettano all utente di conservare dati e programmi quando il computer è spento. I floppy disk, o dischi flessibili, sono dischi removibilicostituiti da un supporto in plastica ricoperto di ossidi magnetici. Accanto ai floppy disk si sono diffusi altri tipi di dischi removibili che offrono all utente una maggiore capacità di memorizzazione ed una maggiore velocità di accesso ai dati. Anche se nn si è in presenza di uno standard, alcuni dispositivi hanno raggiunto una buona diffusione. Il disco rigido, o hard disk, viene anche detto disco fisso, in quanto non è estraibile dal drive. In realtà esistono anche hard disk removibili posti all interno di un cassetto, munito sul fondo di un connettore elettrico, che può essere estratto dal computer. Per memorizzare le informazioni, l hard disk utilizza un supporto rigido, di forma circolare, realizzato con una lega di alluminio ricoperta da uno strato di materiale magnetico. la memoria centrale del pc MEMORIA CACHE:tale memoria,posta tra la memoria dram ed il processore,è quindi quella a cui esso accede direttamente. utilizza come memoria di transito,vengono memorizzati in essa dati e parti di programma,prelevati dalla memoria SDRAM.

9 MEMORIA C-MOS:è una memoria realizzata in tecnologia C-mos, a basso assorbimento di corrente, mantenuta sempre in funzione anche dopo lo spegnimento del PC. Su di essa è memorizzata la configurazione del sistema. MEMORIE NON VOLATILI: ROM:programmate al momento della fabbricazione e di sola lettura. PROM:sono programmabili dall'utente EPROM:le rom sono riscrivibili tramite raggi ultravioletti EEPROM:è riscrivibile tramite impulsi elettrici MEMORIE VOLATILI: SRAM:memorie in tecnologia mos molto veloci DRAM:sono i tecnologia mos hanno piu memoria rispetto alle memorie DRAM Le porte di comunicazione del pc LA PORTA PARALLELA:mette in comunicazioni il PC con la periferica della stampante. LA PORTA USB:è unaporta seriale con 4poli:2 per lo scambio di dati e due per lo scambio di tensione a 5volt.

10 Architettura software di un PC SOFTWARE DI SISTEMA, ha il compito di effettuare il collegamento tra i programmi applicativi e l hardware del computer, può essere suddiviso in: - ROM BIOS memorizzato su una memoria non volatile (EEPROM) inserita sulla scheda madre; - sistema operativo vero e propriopresente invece su un disco. SOFTWARE APPLICATIVO è costituito invece dai linguaggi di programmazione e da particolari programmi applicativi come per esempio gli editori di testo o i fogli elettronici o i data base o altri tipi di programmi necessari per svolgere particolari elaborazioni. -Le partizioni del disco rigido I moderni dischi rigidi, in cui sono memorizzati sia il sistema operativo che i vari tipi di programmi e i dati, hanno ormai raggiunto capacità di memorizzazione molto elevate e pertanto spesso è necessario procedere alla loro suddivisione in unità con capacità di memorizzazione più piccole, dette partizioni. I tipi di partizioni disponibili sono: - Partizione primaria. Su un disco non possono essere create più di quattro partizioni primarie. Ogni partizione primaria può eventualmente essere formattata in modo diverso dalle altre per contenere un determinato sistema operativo. - Partizione estesa. Una delle quattro partizioni primarie può divenire partizione estesa suddividendola in partizioni logiche. - Partizione logica. Le partizioni logiche sono le suddivisioni di una partizione estesa. Le partizioni logiche sono visibili tutte contemporaneamente. -ll ROM BIOS Il BIOS è un programma memorizzato in una ROM. Serve per la gestione a più basso livello dei dispositivi di ingresso e d uscita del sistema. Le funzioni fondamentali del ROM BIOS che sono eseguite nella prima fase di avvio di un computer sono le seguenti: - test dei componenti hardware fondamentali del sistema; - caricamento in memoria RAM del sistema operativo prelevato dal disco Il BIOS aquisisce le informazioni di base relative alla configurazione hardware del sistema da una piccola memoria RAM di tipo CMOS che mantiene le infoormazioni rimanendo sempre alimentata, anche a computer spento, per mezzo di una batteria a tampone. -Il BIOS SETUP

11 In genere prima di ativare per la prima volta un computer è fondamentale eseguire il programma di setup del BIOS in modo da fissare i parametri fondamentali che regolano il funzionamento della macchina memorizzandoli nella memoria CMOS. Normalmente si identificano nel programma di setup le seguenti parti: - Setup di tipo standard: serve per selezionare i parametri relativi alle unità del disco, quali sono le unità a disco attive, il tipo di disco rigido presente ed impostare la data e l orario corrente. - Setup delle caratteristiche del BIOS: serve per abilitare o meno la cache di primo livello e quella di secondo livello; per l impostazione della sequenza con cui avviene effettuato l avvio del sistema. - Setup delle caratteristiche del chipset: permette di impostare diversi parametri relativi alle temporizzazioni delle DRAM. - Setup per le periferiche integrate: permette di selezionare alcune delle caratteristiche e alcuni indirizzi delle periferiche integrate sulla piastra madre come la porta parallela della stampante, le porte seriali, il controllore dei dischi, la USB. -ll Bootstrap da disco rigido (C:) Eseguito il POST, il BIOS si predispone al caricamento del sistema operativo. Il disco da cui deve avvenire il caricamento è indicato nella CMOS con la Boot Sequence. Nella fase di Bootstrap la CPU, seguendo il programma del BIOS, legge un particolare settore denominato Master Boot Record che contiene informazioni sulle partizioni del disco ed un piccolo programma Master Boot Program. Il BIOS cede quindi il controllo al Master Boot Program che controlla se sul disco sono presenti partizioni primarie avviabili e nel caso ce ne sia più di una quale di esse sia attiva. Ogni partizione primaria avviabile ha un proprio settore di avviamento che contiene un piccolo programma, specifico per il sistema operativo contenuto nella partizione. Quindi il controllo viene ceduto al programma di caricamento (loader) della partizione avviabile attiva che procede al caricamento del sistema operativo in memoria. Dopo di che il controllo viene ceduto al sistema operativo stesso..