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1 INSEGNAMENTO DI INFORMATICA DI BASE LEZIONE III L'HARDWARE PROF. GIOVANNI ACAMPORA

2 Indice 1 Che cos è l hardware? L unità centrale Scheda madre L unità centrale di elaborazione (CPU) Le diverse tipologie di porte di un computer Dispositivi d input e d output Dispositivi di input Dispositivi di output Bibliografia/Sitografia di 19

3 1 Che cos è l hardware? Con il termine hardware, in ingegneria elettronica e informatica, si indica la parte fisica di un computer quindi tutte quelle parti magnetiche, ottiche, meccaniche ed elettroniche che ne consentono il funzionamento. Le componenti essenziali al funzionamento del computer sono racchiuse nell unità centrale costituita dal contenitore (case o cabinet). Tra esse individuiamo: componenti elettronici di altissima qualità quali la scheda madre o motherboard, sulla quale sono montati il processore (CPU Central Processing Unit), le memorie centrali RAM ( Random Access Memory) e ROM (Read Only Memory), chip, ecc.; dischi fissi (HD Hard Disk) che rappresentano dispositivi di memoria di massa e altri componenti quali porte seriali e parallele, lettori di Cd, schede video, acceleratori grafici, ecc. Le altre componenti del computer ad esso connesse ma esterne al case sono chiamate periferiche. Figura 1: Vari tipi di case 3 di 19

4 centrale. 2 L unità centrale In questa sezione presentiamo e descriviamo le componenti principali che costituisco l unità Figura 2: Unità centrale 2.1. Scheda madre La scheda madre, anche conosciuta come motherboard o mainboard, è una delle componenti essenziali di un computer. Essa raccoglie in sé tutta la circuiteria elettronica che ha il compito di interfacciare le altre componenti principali tra loro e con i bus di espansione. La sua realizzazione in maniera ottimale è un elemento chiave per l affidabilità dell intero computer in quanto la scheda madre si occupa della trasmissione e temporizzazione corretta di molte centinaia di segnali diversi, ognuno dei quali soggetto a disturbi esterni. In dettaglio, la scheda madre è composta di un circuito stampato alquanto complesso sul quale vengono saldati una serie di circuiti integrati, di zoccoli e di connettori. La scheda madre collega tra loro la CPU, le memorie, la scheda di interfaccia grafica per il video, le porte seriali e parallele e gli slot (connettori) per schede di espansione aggiuntive. In particolare, sulla scheda madre sono collocati il BIOS e la circuiteria per il controllo delle periferiche. 4 di 19

5 Figura 3: Scheda madre 2.2. L unità centrale di elaborazione (CPU) All interno del case, un altro componente fondamentale del computer è la CPU (Central Processing Unit) o unità centrale di elaborazione o semplicemente processore. Essa rappresenta il circuito integrato che effettua l elaborazione vera e propria dei dati, delle operazioni di calcolo e di controllo. I modelli più usati sono quelli prodotti dalla Intel (8088, 8086, 80286, 80386, 80486, Pentium I, II, III, IV Celeron, Dual Core), dalla AMD (K6, k7, Athlon, Duron) e dalla Motorola (classe 68000). Una CPU è composta principalmente di due parti: l unità di controllo (CU Control Unit) che sovrintende alla corretta esecuzione dei programmi e coordina il lavoro degli altri componenti hardware del computer e l unità logico-aritmetica (ALU Arithmetic Logic Unit) che esegue le operazioni matematiche, logiche e di confronto. 5 di 19

6 Altra componente importante sono i registri: speciali locazioni di memoria interne alla CPU caratterizzate da un accesso molto veloce e pertanto accessibili molto più rapidamente rispetto alla memoria centrale (le memorie saranno descritte nella lezione successiva). L insieme dei valori assunti dai registri della CPU in un determinato istante di tempo costituisce lo stato in cui essa si trova. Figura 4: Unità centrale di elaborazione Due sono i registri sempre presenti: - il registro IP (Instruction Pointer) o PC (Program Counter) che memorizza l'indirizzo della prossima istruzione da eseguire; - il registro dei flag che contiene un insieme di bit che segnalano uno stato particolare della CPU ed alcune informazioni sul risultato dell'ultima operazione eseguita. In generale, la CPU deve eseguire i suoi compiti sincronizzandosi con il resto del sistema. Per tale motivo è dotata di uno o più bus interni che si occupano di collegare registri, ALU, unità di controllo e memoria. La potenza di elaborazione del processore è data dal numero di operazioni che l ALU esegue in un secondo (MIPS milioni d istruzioni al secondo, MFLOPS milioni di istruzioni in virgola mobile al secondo). Ogni computer possiede un orologio interno, il clock, che cronometra e sincronizza tutte le operazioni svolte dalla CPU (un po come il cuore nel nostro organismo). Ogni 6 di 19

7 operazione elementare avviene in un ciclo macchina. La velocità di un computer è misurata in hertz. L hertz indica il numero di cicli che il clock effettua in un secondo. Unità di Misura Cicli al 1 hertz (HZ) secondo 1 1 megahertz (MHz) 1 gigahertz (GHz) = 1000 MHz 1 milione 1 miliardo Tabella 1: Unità di misura della velocità di un processore Figura 5: Una moderna CPU Un computer con velocità di 800 MHz sarà molto più rapido di uno con la stessa architettura a 500 MHz. La velocità di un computer dipende anche da altre caratteristiche quali la velocità di accesso e la quantità di memorie. Prima di comprare un computer è necessario valutare la potenza del processore in funzione del sistema operativo, dei programmi applicativi che vi devono girare e delle altre componenti del computer stesso. Inoltre, la potenza e la velocità di calcolo non vanno mai valutate in assoluto, ma in funzione delle proprie esigenze di utilizzo. 7 di 19

8 2.3. Le diverse tipologie di porte di un computer Prima di esaminare le periferiche di un computer bisogna esaminare le porte, dispositivi che permettono l invio e la ricezione delle informazioni. Sul retro di un elaboratore vi sono dei connettori che collegano l unità centrale con le periferiche, tramite cavi. Prima di connettere le periferiche al computer è necessario quasi sempre interrompere l alimentazione spegnendo l elaboratore (non vale per le porte di nuova generazione). Le tipologie di collegamento avvengono tramite: porta seriale, porta parallela, porta SCSI, porta USB, porta IrDa, porta HSSB e firewire (IEEE 1394). Le porte seriali hanno un connettore a 25 pin o 9 pin. Sono dette seriali perché trasmettono i dati un bit alla volta. Il nome delle porte seriali è COM1, COM2 ecc., dove COM è l abbreviazione di COMmunication (comunicazione) ed il numero indica se è la prima, la seconda, ecc., porta seriale. Oggi i computer hanno, in genere, 2 porte seriali, ma tenderanno ad essere sostituite da porte più versatili ed a maggiore capacità di trasmissione (USB, ecc.). Le porte parallele hanno un connettore a 25 piccoli fori. Il trasferimento dei dati avviene 8 bit alla volta, perciò sono dette parallele. Il nome delle porte parallele è LPT1, LPT 2 ecc., dove LPT è l abbreviazione di Line PrinTer (stampante) ed il numero indica se è la prima, la seconda, ecc., porta parallela. Anche se è nata per connettere le stampanti, la porta parallela è stata in seguito usata anche per altre applicazioni. Oggi i computer hanno, in genere, 1 porta parallela, ma anch esse tenderanno a essere sostituite con porte più versatili ed a maggiore capacità di trasmissione (USB, ecc.). Le porte SCSI supportano fino a sette periferiche in cascata che richiedono alta velocità di trasferimento. Un singolo adattatore SCSI è in grado di interfacciare contemporaneamente un computer a più dischi rigidi, ad un drive CD-ROM, ad una unità a nastri ed ad uno scanner. Il cavo che esce da una porta SCSI è un bus a 8 bit ( 16 o 32 bit nel nuovo standard SCSI-2). La porta IDE è l input/output di un controller e può controllare fino a due hard disk o altre periferiche IDE. 8 di 19

9 I collegamenti USB connettano al personal computer periferiche che sono provviste di questa interfaccia. USB sta per Universal Serial Bus e permette una velocità di trasmissione di 12 Mbit (milioni di bit al secondo). Le periferiche USB possono essere collegate in cascata fino a formare un bus di 127 elementi, evitando numerosi cordoni di collegamento. È possibile collegare e scollegare queste periferiche a un computer acceso senza causare danni al computer. Dato che il connettore USB è piccolo, gli attacchi USB sono molto usati sui portatili e palmari. La porta IrDa (Infrared Data Association) consente di collegare le periferiche al personal computer senza l uso di cavi. Le connessioni sono di tipo seriale, mediante raggi infrarossi. L HSSB (High Speed Serial Bus) è un dispositivo di tipo seriale che connette fino a 63 dispositivi su un solo bus. È utilizzato per collegare periferiche particolarmente sofisticate. FireWire (400 Mbit/s) è nato come tecnologia per la connessione di PC alle sue periferiche. A differenza di USB, FireWire consente velocità maggiori e supporta la Quality of Service (QoS), per cui si configura come soluzione adatta a flussi audio-video. Il limite è rappresentato dalla piccola distanza che può essere coperta senza ricorrere a ripetitori di segnale. Figura 6: Una porta parallela (cerchiata in verde), una porta seriale (cerchiata in rosso) e due porte USB (cerchiate in arancione). 9 di 19

10 3 Dispositivi d input e d output Per poter interagire con la macchina bisogna avere dispositivi che consentono di dare ordini o visualizzare i risultati. Gli strumenti che consentono di relazionarsi con un PC si dividono in due grandi categorie: i dispositivi di input, che consentono all'utente l'inserimento di informazioni e dati nel computer. Comprendono periferiche quali la tastiera, il mouse, il microfono, i lettori ottici, le telecamere, ecc.; i dispositivi di output, che consentono, invece, al computer di visualizzare e produrre l'informazione elaborata. Tali periferiche comprendono la stampante, il monitor, il plotter, gli altoparlanti, ecc. 3.1 Dispositivi di input La tastiera rappresenta lo strumento di input maggiormente utilizzato per l'immissione dei dati e per dialogare con il computer in modo da fornirgli le informazioni necessarie all'elaborazione. La maggior parte delle tastiere è formata da 101 tasti, ognuno dei quali agisce come un interruttore a molla, in grado di emettere un impulso elettrico ogni volta che viene premuto. Il layout della tastiera chiamata qwerty (il nome deriva dalle prime sei lettere presenti sulla sinistra della tastiera), quella che è utilizzata in Italia, si rifà fedelmente a quella della macchina da scrivere. Esso è stato studiato in maniera da rallentare l'inserimento delle lettere evitando così che i martelletti delle macchine da scrivere si urtassero e si incastrassero. Per ovviare a eventuali problemi di spazio sulla scrivania, sono consigliabili tastiere di dimensioni ridotte o comprensive di sistemi di puntamento differenti dal classico mouse. Le più moderne consentono un collegamento "senza fili", che avviene attraverso la trasmissione di raggi infrarossi. In questo modo è possibile tralasciare quei fastidiosi cavi che si attorcigliano sulle nostre scrivanie. Una novità che è interessante sperimentare è rappresentata dalle tastiere ergonomiche, che si differenziano da quelle tradizionali per la loro sagomatura. Queste tastiere consentono di lavorare assumendo una postura ideale, che eviti l'insorgere di problemi alla muscolatura e ai tendini delle mani e dei polsi. Il suo primato inizia ad essere minacciato dalla comparsa di pacchetti applicativi per il riconoscimento vocale utilizzati per 10 di 19

11 dettare al computer. È probabile che nell'arco di pochi anni il microfono diventi il dispositivo di input privilegiato per interagire con il PC. Figura 7: Schema di una tastiera qwerty Il mouse è uno strumento di puntamento e ha avuto il suo impiego con la nascita di sistemi operativi dotati di interfaccia grafica, come Windows e MacOS. Permette di selezionare i menu a discesa, puntare e cliccare sui singoli oggetti presenti sullo schermo (icone o pulsanti), oppure applicare la tecnica del drag & drop per trascinare gli oggetti da una parte all'altra dello schermo o per lasciarli cadere su un altro oggetto (per esempio se si vuole buttare via una icona presente sul desktop è possibile trascinarla direttamente sul cestino e lasciarla quindi cadere dentro di esso). Sul mouse sono presenti due o tre tasti: - il tasto di sinistra è sicuramente quello più usato (quando infatti si legge di fare clic o doppio clic solitamente si sottintende di farlo sul tasto sinistro); - al tasto destro (e a quello centrale, se presente) sono associate solitamente funzioni particolari quali quella di far apparire i menu di scelta rapida oppure di permettere lo scorrimento della finestra. Qualora un utente sia mancino ha la possibilità di invertire i tasti dei mouse utilizzando l'apposita utility del sistema operativo. 11 di 19

12 Il trackball funziona come un mouse rovesciato, anziché fare scorrere la pallina premendo leggermente sul mouse e provocandone il trascinamento sul tavolo, la si aziona direttamente con un dito. Questa soluzione non necessita di un piano di lavoro, anche se il trackball è più ingombrante di un touchpad. Figura 8: Un trackball Il touchpad è un dispositivo di puntamento alternativo al mouse, costituito da una piastrina rettangolare, sensibile al tatto, sulla quale si fa scorrere un dito. I vantaggi di questa soluzione sono costituiti dal ridotto ingombro e dalla possibilità di lavorare anche senza un piano d'appoggio. Di conseguenza il touchpad ha trovato largo impiego sui notebook. Figura 9: Un touchpad La penna luminosa è utilizzata nei programmi di disegno o di grafica, è uno strumento indicato per creare linee disegnando sullo schermo del computer. 12 di 19

13 Il joystick è uno strumento di controllo molto utilizzato nei videogiochi, composto da una manopola che può essere inclinata nelle quattro direzioni principali: avanti, indietro, destra e sinistra. Il suo principio di funzionamento è perciò simile a quello della cloche di un aereo. Poiché il computer è in grado di rilevare la direzione in cui esso viene rivolto, questo dispositivo può essere utilizzato per controllare il movimento di oggetti visualizzati sullo schermo. Lo scanner è un dispositivo che consente al computer di acquisire immagini, fotografie e pagine di testo. Esistono diversi tipi di scanner: - quelli manuali che sono i più economici e consentono acquisizioni a basse risoluzioni. Vanno fatti scorrere manualmente sull'area da importare e non consentono la scansione di un foglio A4 in un'unica passata proprio (non sono molto pratici e ormai quasi dei tutto fuori commercio); - quelli piani, il cui principio di funzionamento è molto simile a quello di una fotocopiatrice, sono i più diffusi in quanto comportano il miglior rapporto prezzo/prestazioni; - quelli detti "a tamburo", destinati a un impiego professionale visti i costi (dell'ordine delle ). Per ottenere buoni risultati, gli scanner devono essere dotati di un buon corredo software, comprendente programmi per la manipolazione delle immagini oppure per il riconoscimento ottico dei caratteri tipografici (OCR, Optical Character Recognítion), di modo che questi possano essere trasmessi al computer non sotto forma di immagine, ma come se fossero stati digitati direttamente sulla tastiera. I software OCR non sono tuttavia infallibili, anzi capita sovente che il computer confonda caratteri simili, come la l (lettera elle) con 1 (numero uno) o con I (vocale i maiuscola). Pertanto, è sempre necessario un controllo a posteriori confrontando il risultato della procedura OCR con la bozza su carta. Negli scanner, durante l acquisizione, l'immagine viene suddivisa in una sorta di griglia. Ogni cella è chiamata pixel e ad esso è associato un numero che misura la profondità del colore. La qualità di uno scanner, la sua risoluzione, è misurata in dpi (dot per inch). Da notare che tanto più è fitta la griglia e maggiori sono le informazioni e tanto più grande sarà il file risultato dalla digitalizzazione. 13 di 19

14 Il microfono sta per diventare una periferica di input molto importante grazie alla comparsa dei programmi di dettatura al computer. Inoltre è già utilizzato insieme ad applicazioni quali il registratore di suoni per creare file sonori in modo da personalizzare alcune applicazioni. 3.2 Dispositivi di output Il monitor è tra i più comuni dispositivi che consentono di visualizzare i risultati delle elaborazioni effettuate dal computer. Lo schermo CRT è dotato di un tubo a raggi catodici, tecnologicamente simile a quello di un televisore. Lo schermo LCD, invece, è uno schermo a cristalli liquidi, più leggero e meno ingombrante del primo, utilizzato per i computer portatili, ma più costoso. La dimensione dei monitor è misurata in pollici e calcolata sulla sua diagonale. Per valutare in maniera opportuna un monitor è necessario tener conto delle seguenti caratteristiche: - numero di colori: monocromatici, bianco/nero, milioni di colori; - dimensioni (in pollici); - risoluzione (in pixel); - costo d acquisto. Per ottenere su carta ciò che è stato preparato a video occorre utilizzare le stampanti. Nelle aziende spesso esse vengono condivise da un'ampia utenza, tramite le reti locali. Esistono diversi modelli di stampante, che si differenziano tra quelle in grado di fornire stampe in bianco e nero e quelle che supportano il colore. Le tecnologie più utilizzate sono le seguenti: ad aghi, a getto d'inchiostro, termica, laser e sublimazione di colore. La differenza tra le varie tipologie dipende dal tipo di tecnologia adottata, dal numero di colori, dalla velocità di stampa e dai supporti utilizzati. La scelta varia da quelle a getto d'inchiostro, di uso amatoriale, che si trovano in commercio a un prezzo economico pur soddisfacendo le più comuni esigenze di stampa, alle più sofisticate laser, di uso professionale, più evolute e costose. Quando si acquista una stampante, oltre alla spesa iniziale, occorre tener conto dei costi di esercizio, su cui incidono: - il costo delle singole cartucce, dei nastri di inchiostro, dei toner ecc.; - il tipo di carta suggerita; - il costo di stampa per una singola copia. 14 di 19

15 Le stampanti ad aghi sfruttano l'impatto di una serie di aghi contro un nastro inchiostrato, trasferendo l'inchiostro sulla carta. La qualità di stampa dipende dal numero di aghi. Questo tipo di stampante è piuttosto rumorosa e la qualità della stampa ottenuta risulta abbastanza scadente. E particolarmente adatta nel caso di stampe su modulo continuo. Le stampanti a getto d'inchiostro spruzzano piccoli getti d'inchiostro sulla carta o sul lucido. Sono piuttosto silenziose, ma solo relativamente veloci. Le stampanti termiche imprimono la carta bruciando dei punti su di essa, tramite un gruppo di piccoli e veloci elementi riscaldanti. Esse risultano tra quelle più economiche e sono utilizzate spesso nelle calcolatrici da tavolo e nei fax di basso costo, ma richiedono carta speciale, trattata chimicamente, che può scolorire nel tempo. Le stampanti laser sono dotate di un'alta qualità di stampa. Sono silenziose e veloci, e generano un'immagine trasferendo sulla carta, mediante particelle di toner elettrostatico, la scansione ottenuta da un raggio laser. Figura 10: Una stampante laser Le più sofisticate sono le stampanti a sublimazione di colore, che consentono di ottenere stampe di qualità fotografica. Come le laser o le stampanti termiche, quelle a sublimazione di colore 15 di 19

16 compongono l'immagine come insieme di punti, ma, in questo caso, i punti di inchiostro vengono fusi insieme a formare stampe dai colori intensi. Questo tipo di stampante, piuttosto costosa, è utilizzata maggiormente nelle aziende e negli uffici, dove può essere condivisa tramite una rete. Anche le stampanti possiedono una loro memoria interna, cosa che permette una certa velocità di trasferimento ed elaborazione dei dati (per la stampa di documenti graficamente piuttosto elaborati). Alcuni modelli consentono di installare moduli di memoria aggiuntivi. Nel valutare una stampante è necessario considerare i seguenti fattori: - velocità di Stampa (numero di byte stampati al secondo); - risoluzione (numero di pixel per pollice); - colore o bianco & nero; - rumorosità misurata in decibel (db); - set di caratteri (Font); - formato di stampa (A4, A3, A2..); - costo d acquisto e di gestione. laser. Mettiamo a confronto due delle tipologie di stampanti: quella a getto d inchiostro e quella Caratteristi Stampante a getto Stampante laser che d inchiostro Velocità di media alta stampa Risoluzione discreta (dipende dagli ottima (fascio di luce laser è molto ugelli) sottile) Rumorosità bassa bassissima Set di ampio ampio Caratteri 16 di 19

17 Tipo di A colori e bianco & A colori e bianco & nero colori nero Costo <<200 (con 200 in 500 bianco & nero d acquisto media si compra una buona 1000 a colori stampante) Costo di Cartucce (20-40 ) con oltre 40 bianco & nero gestione durata media di qualche mese oltre 70 a colori Tabella 2: Confronto tra due tipologie di stampanti Il plotter è un dispositivo di stampa di grosse dimensioni, in cui la testina di stampa è costituita da uno o più pennini di diversi colori. Esso viene utilizzato per riprodurre grafici, schemi tecnici o altri disegni al tratto di carattere analogo. I plotter trovano largo utilizzo nel settore CAD (Computer Aided Design, progettazione assistita dal calcolatore) e sono in grado di operare su fogli di grandi dimensioni. Figura 11: Un plotter Il dispositivo a microfilm è uno strumento di archiviazione e lettura basato su "microfilmatura" degli originali. Gli originali, in genere cartacei, vengono fotografati su pellicole molto piccole (microfilm appunto), generalmente in bianco e nero, in rotoli da alcune migliaia di 17 di 19

18 fotogrammi. Questi rotoli di fotografie costituiscono l'archivio. Si dicono dispositivo a microfilm, quindi, sia quelli che microfilmano (generalmente sono stativi con fotocamera apposita), sia quelli che consentono la lettura sequenziale dei fotogrammi uno alla volta. Fino a qualche tempo fa erano usatissimi nei quotidiani e nelle biblioteche. Il sistema sta un pò cadendo in disuso a vantaggio di scanner digitali e memorizzazione su nastri. Altri dispositivi di output che vengono forniti con il computer hanno a che vedere con il sistema sonoro: sono la scheda audio e le casse acustiche. In seguito all'installazione di una scheda audio è possibile creare composizioni musicali, eseguire applicazioni multimediali o semplicemente ascoltare un CD. La scheda audio elabora i dati digitali, li trasforma in analogici e li trasferisce agli altoparlanti dei computer. 18 di 19

19 Bibliografia/Sitografia Hans-Peter Messmer, Indispensable PC Hardware Book, The 4/e, Addison Wesley Professional Gennaio 2002 Oscar Maeran, Hardware del PC, McGraw-Hill, Gennaio 2006 Gioacchino Candilio, Elementi di informatica generale, Franco Angeli, 2004 N. Tenzoni e A. Guidi, Informatica di base, Apogeo, 2004 Wikipedia, L enciclopedia libera: di 19