CHE COS'È UN COMPUTER?

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1 CHE COS'È UN COMPUTER? Un computer è una macchina elettronica capace di ricevere, trasmettere, immagazzinare ed elaborare informazioni, risolvendo i più svariati problemi con straordinaria velocità ed affidabilità. Tutte quelle parti meccaniche ed elettroniche che compongono fisicamente il computer s'indicano genericamente con il termine inglese HARDWARE. Definizione: Il computer, in generale, riceve le informazioni, cioè i dati, al suo ingresso (INPUT) e, dopo averli elaborati in base ad un prestabilito PROGRAMMA, li restituisce in uscita (OUTPUT) trasformati in risultati. Computer Desktop come lo conosciamo oggi CHE COS'E' UN PROGRAMMA? Un programma è un insieme finito e ordinato d'opportune ISTRUZIONI. Un computer, per svolgere una qualsiasi attività deve aver memorizzato nella sua memoria un programma. I programmi vengono preparati da tecnici specifici detti PROGRAMMATORI. L'attività che consiste nella preparazione dei programmi si chiama PROGRAMMAZIONE. L'insieme di tutti i programmi che consentono un efficiente utilizzazione delle risorse del calcolatore elettronico s'indica genericamente con il termine inglese SOFTWARE. Definizione: Un programma è un insieme di istruzioni la cui esecuzione in sequenza produce la risoluzione di un determinato problema. CLASSIFICAZIONE DEI COMPUTERS Il termine computer, nel senso moderno-elettronico, ha ormai assunto un significato sempre più vasto comprendendo la semplice calcolatrice fino ai grandi sistemi di calcolo e venendo dunque ad assumere il significato più generale di sistemi di elaborazione dati. Tuttavia i computer possono essere idealmente divisi in alcune categorie molto generali, a seconda delle loro caratteristiche salienti, dell'uso che in generale se ne fa, del software e dei sistemi operativi che fanno girare e dell'epoca in cui sono comparsi. Le definizioni nel tempo sono molto cambiate e i confini non sono mai così netti. 1

2 Una prima classificazione in base all'uso distingue tra computer general purpose ovvero riprogrammabili per svariate applicazioni dall'utente e computer special purpose ovvero sistemi embedded dedicati ad una sola applicazione specifica come ad esempio i microcontrollori. Ci limitiamo ad osservare che i computer presenti sui diversi dispositivi (ad esempio un telefonino, un videogioco o un personal computer) sono molto simili tra loro e si differenziano essenzialmente per dimensioni, velocità, potenza di elaborazione, e prezzo ma sono molto simili per quanto riguarda le tecnologie e i criteri di progettazione e i linguaggi di programmazione utilizzabili. 1) Computer dedicati: Sono realizzati per specifiche applicazioni, quali possono essere le console per i videogiochi o i dispositivi utilizzati nell automazione industriale. Console WII della Nintendo 2) Personal Computer: (espressione inglese che significa letteralmente calcolatore personale), solitamente abbreviato in PC, è un qualsiasi computer di uso generico le cui dimensioni, prestazioni e prezzo di acquisto lo rendono adatto alle esigenze del singolo individuo nell'uso quotidiano. PC Desktop Notebook Netbook 3) Personal Digital Assistant e smartphone: il PDA è un computer nato dall evoluzione delle agende elettroniche, dispositivi che integrano una rubrica, un calendario, un orologio e un agenda che dà la possibilità di memorizzare note e appuntamenti. La caratteristica principale è la sua dimensione contenuta, tanto da poter essere racchiusa nel palmo di una mano, da cui palmare. Lo smartphone è il telefono intelligente sul quale si possono installare applicazioni, navigare in internet riprodurre audio e video. 2

3 4) Mainframe: realizzano lo schema di elaborazione centralizzato, secondo il quale a un elaboratore centralizzato, secondo il quale a un elaboratore centrale sono collegati un grande numero di terminali (postazioni che hanno solamente monitor e tastiera e mouse), 500 e oltre, non dotati di capacità di calcolo autonoma, che devono interagire con la macchina centrale per l esecuzione dei programmi e la fruizione delle risorse. 5) Supercomputer: Il supercomputer è un tipo di sistema di elaborazione progettato per ottenere potenze di calcolo estremamente elevate, dedicato ad eseguire calcoli ad elevate prestazioni. Usualmente si ritiene che i supercomputer siano i più potenti computer del pianeta, questa classificazione comprende tutti i primi computer a partire dalla macchina analitica di Babbage passando per i vari modelli di Zuse (i primi computer funzionanti) fino ad arrivare ai supercomputer dei giorni nostri. La velocità dei supercomputer viene generalmente misurato in "FLOPS" (FLoating Point Operations Per Second) o in suoi multipli come il TeraFLOPS (10 ) FLOPS. Il più potente SuperComputer di oggi Tianhe-2 in Cina SuperComputer Cray-2 degli anni 80 Tianhe-2 è formato da nodi, ognuno dei quali con due processori Intel Xeon basati su architettura Ivy Bridge e tre coprocessori Xeon Phi per un totale di coprocessori matematici Xeon Phi e processori Intel Xeon E v2 a 12 core. Complessivamente abbiamo 3.12 milioni di core, collegati tra loro da un'interconnessione TH Express-2 realizzata dai tecnici cinesi. A bordo anche 1 petabyte di memoria e il sistema operativo Kylin Linux. Potenza di calcolo 33 petaflops (cioè 33 mila miliardi di operazioni al secondo). 3

4 LA MACCHINA DI VON NEUMANN La macchina di Von Neumann è un modello semplificato dei calcolatori moderni. La macchina di Von Neumann è composta da 4 tipi di componenti funzionali: 1) Unità centrale di elaborazione (CPU Central Processing Unit). Esegue istruzioni per l elaborazione dei dati e svolge anche funzioni di controllo. 2) Memoria centrale. Memorizza e fornisce l accesso a dati e programmi in esecuzione. 3) Periferiche di ingresso e uscita. 4) Bus. Svolge funzioni di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali. (1) CPU 4

5 Struttura della CPU La CPU è il cervello del sistema ed in generale svolge le seguenti azioni: Esegue in sequenza le istruzioni del programma in corso di esecuzione Esegue i calcoli Coordina e sincronizza tutte le attività dei dispositivi che costituiscono il computer e che sono a essa collegati tramite BUS. È costituita dai seguenti blocchi funzionali: CU (Control Unit): svolge funzioni di controllo, decide quali istruzioni eseguire. ALU (Aritmetic Logic Unit): esegue le operazioni aritmetico-logiche (+,-,ecc., confronto). Registri: memorie ad alta velocità usate per risultati temporanei e informazioni di controllo. La CPU coincide con il dispositivo fisico (hardware) comunemente chiamato microprocessore. Il primo microprocessore è stato inventato dallo scienziato italiano Faggin con l intel 4004 (2300 transistor e frequenza di 740 khz). L esecuzione di un istruzione in linguaggio macchina avviene in una serie di passi nota come ciclo di fetch-decode-execute che si compone delle seguenti fasi: fase di fetch (prelievo dell istruzione): l istruzione in linguaggio macchina viene trasferito dalla RAM all interno della CPU fase di decode (decodifica del codice operativo): attraverso il codice operativo dell istruzione, che è una sequenza di bit che indicano un azione da seguire, la CU attiva i dispositivi coinvolti dall istruzione fase di execute (esecuzione dell istruzione): la CPU preleva gli operandi (se ci sono), la ALU esegue i calcoli e la CU memorizza l eventuale risultato, se previsto. L orologio interno (clock) del microprocessore emette un segnale di sincronizzazione per tutto il sistema e si misura in periodi al secondo (Hz). Ad esempio il ciclo di fetch dura 4 periodi di clock. Caratteristiche di ogni µprocessore: Frequenza del clock: esempio 2,3 GHz. Ampiezza del bus dati: 32 o 64 bit. Dimensione Memoria Cache. 5

6 Microprocessori AMD e Intel Intel dei primi anni 80 (2) Memoria Centrale Esistono diverse tipologie di memoria centrale che differiscono per velocità e modalità di accesso: la cache, la RAM e la ROM. - La RAM, acronimo dell'inglese Random Access Memory ovvero memoria ad accesso casuale, è un tipo di memoria informatica caratterizzata dal permettere l'accesso diretto a qualunque indirizzo di memoria con lo stesso tempo di accesso. È una componente fondamentale del sistema: la quantità e il tipo di memoria RAM che sono scelte per il sistema possono risultare determinanti per le prestazioni del PC. Quindi la RAM è la memoria all interno della quale sono contenuti il programma in esecuzione e i dati sui quali il programma opera. Caratteristiche: possono essere accedute sia in lettura che in scrittura, infatti la denominazione più corretta sarebbe RWM (Read-Write Memory) sono volatili, cioè i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore o quando la RAM non è alimentata da corrente elettrica Struttura e funzionamento di una RAM 6

7 Possiamo pensare alla RAM come ad un enorme cassettiera in cui ogni cassetto che rappresenta un bit (locazione di memoria) è numerato in modo univoco. Una locazione di memoria e il suo indirizzo sono legati da una corrispondenza biunivoca: ad una locazione di memoria corrisponde uno ed uno solo indirizzo e, viceversa, a un indirizzo corrisponde una e una sola locazione di memoria. La CPU può scegliere due azioni nei confronti della RAM: leggere o scrivere. La capacità di memoria si misura in byte o suoi multipli: kilobyte pari a 2 =1024 byte MegaByte pari a 2 = 1024 x 1024 = byte GigaByte pari a 2 = 1024 x 1024 x 1024 = byte TeraByte pari a 2 = byte Le DDR per il desktop sono a 240 pin, mentre le so-dimm per i notebook sono a 144 o 200 pin. - La ROM, acronimo dall inglese di Read Only Memory ha le seguenti caratteristiche: è persistente, cioè mantiene il contenuto anche senza alimentazione permette solo la lettura dei dati Il BIOS (Basic Input Output System) è memorizzato all interno della ROM Evoluzione delle ROM PROM (Programmable Read-Only Memory). "P" sta per programmable ed è una evoluzione della ROM a maschera atta a ridurne i costi di produzione. Può essere scritta dall'utente successivamente alla sua costruzione attraverso un'apparecchiatura speciale ma una volta scritta non può più essere riscritta. EPROM. Evoluzione della PROM ossia Erasable Programmable ROM. Può essere scritta e riscritta dall'utente successivamente alla sua costruzione. La cancellazione dei dati per l'operazione di riscrittura avviene mediante esposizione ai raggi UV. EEPROM. Evoluzione della EPROM ossia Electrically EPROM. Può essere scritta e riscritta dall'utente successivamente alla sua costruzione. La cancellazione dei dati per l'operazione 7

8 di riscrittura avviene elettricamente mediante tensioni più elevate (20-30 volt) rispetto a quelle di funzionamento normale. Flash ROM. Chiamata anche flash-memory è un tipo di eeprom che per le sue prestazioni può essere usata anche come memoria di lettura-scrittura. La memoria flash visto che è una memoria a stato solido, non presenta delle parti mobili, quindi è resistente agli urti ed è estremamente leggera e piccola. La memoria flash è indicata per la sua trasportabilità perché non richiede l'alimentazione elettrica per mantenere i dati. La memoria flash è usata nelle pendrive e nei computer portatili o desktop al posto delle memorie di massa (hard disk). - La memoria cache (memoria ripostiglio) è una memoria più veloce della RAM, ma con una capacità di memorizzazione molto più bassa. La memoria cache si trova tra la memoria centrale e il microprocessore. Nella memoria cache viene mantenuta una copia delle informazioni più richieste della memoria centrale. La gestione della memoria è trasparente all'utente, cioè l'utente opera come se la memoria cache non ci fosse. (4) BUS di sistema Il BUS interconnette la CPU, la memoria centrale e le interfacce verso dispositivi periferici (I/O, memoria di massa, etc.). Collega due unità funzionali alla volta: una trasmette e l altra riceve. Il trasferimento avviene sotto il controllo della CPU (Control Unit). E il BUS dati che mi indica il numero dei bit della CPU. Quindi se il vostro PC è a 32 bit vuol dire che il BUS dati è a 32 bit. Si distinguono in: (1) BUS Dati: È il bus sul quale transitano le informazioni. È usufruibile da tutti i componenti del sistema, sia in scrittura sia in lettura. È bidirezionale (permette il passaggio dati in più direzioni contemporaneamente). (2) BUS Indirizzi: È il bus (unidirezionale) attraverso il quale la CPU decide in quale indirizzo andare a scrivere o a leggere informazioni; sia le celle di memoria (RAM) sia le periferiche di I/O (Input/Output) sono infatti divise in zone, ognuna delle quali ha un dato indirizzo. Dopo aver comunicato l'indirizzo tramite questo bus, la scrittura o lettura avviene normalmente tramite il bus dati. Naturalmente questo bus è fruibile in scrittura solo dalla CPU ed in lettura dagli altri componenti, in quanto tramite questo bus viene dato solo l'indirizzo della cella, che è deciso dalla CPU. (3) BUS Controlli: Il bus controlli (unidirezionale) è un insieme di collegamenti il cui scopo è coordinare le attività del sistema; tramite esso, la CPU può decidere quale componente deve scrivere sul bus dati in un determinato momento, quale indirizzo leggere sul bus indirizzi, quali celle di memoria devono scrivere e quali invece leggere, etc. Infatti la memoria e tutti gli altri componenti comunicano con la CPU attraverso un unico bus condiviso; questo significa che senza un controllo da parte della CPU si verrebbero a creare dei conflitti e delle collisioni. 8

9 Tipi di bus dati più importanti PCI (Peripheral Component Interconnect Bus) - Bus di sistema PC, (ma anche Apple) USB (Universal Serial Bus) - Bus per il collegamento di periferiche (lente) PCI Express - è il successore (seriale) del bus di espansione PCI (parallelo) e ha sostituito il bus AGP precedentemente in uso per le schede grafiche. Connettore per DVD-ROM e SATA (3) Periferiche di I/O MotherBoard o Scheda Madre La scheda madre è una parte fondamentale di un moderno personal computer: sotto forma di scheda elettronica principale raccoglie in sé tutta la circuiteria elettronica e i collegamenti di interfaccia tra i vari componenti interni principali del PC comprendendo quindi anche i bus di espansione e le interfacce verso le periferiche esterne. 9

10 Le periferiche di input Tastiera Qwerty Mouse Touchpad Scanner Webcam Le periferiche di output Scheda Video Monitor Stampante Le memorie di massa Hard disk Unità a stato solido (SSD) Pen drive CD e DVD 10