Tecnologia dell'informazione e della Comunicazione (TIC) Modulo 3: Architettura e componenti di un calcolatore

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1 Tecnologia dell'informazione e della Comunicazione (TIC) Modulo 3: Architettura e componenti di un calcolatore Calcolatore: il calcolatore dal termine inglese computer è una macchina da calcolo in grado di eseguire calcoli matematici. Il calcolatore prende in ingresso (input) dei dati (informazione), esegue l'elaborazione per cui è stato programmato e restituisce il risultato sotto forma di dati in uscita (output) (informazione elaborata). Il calcolatore per eseguire i calcoli sfrutta l insieme dei componenti fisici (hardware) e l insieme dei programmi (software), due elementi che non possono fare a meno l uno dell altro. I principali componenti hardware di un qualsiasi calcolatore si dividono in base ai compiti da essi svolti: Unità di ingresso (input): sono i componenti che consentono di inserire dati e istruzioni (la tastiera, il mouse, lo scanner, etc.); Processore o CPU (Central Processing Unit): è l'unità centrale di elaborazione che esegue le istruzioni per l elaborazione dei dati; Memoria centrale o RAM (Random Access Memory): è la memoria ad accesso casuale usata per memorizza temporaneamente dati e istruzioni; Unità di uscita (output): sono tutti i componenti che consentono di visualizzare i risultati dell elaborazione (il video e la stampante); Memorie di massa: sono i componenti che consentono di memorizzare in modo permanente (archiviare) i dati e i programmi (disco fisso); oltre ai componenti interni esistono supporti di memorizzazione esterni (CD, DVD e le pen drive). I calcolatori sono classificati in base alle dimensioni, costi e prestazioni. 1

2 Mainframe: è un calcolatore di grosse dimensioni e costoso, dotato sia di notevole potenza di elaborazione sia di grande capacità di memoria. Può essere collegato a diverse postazioni (terminale) per i singoli utenti, ciascuna costituita da video, tastiera e mouse. È utilizzato dalle grandi aziende e organizzazioni per gestire grandi quantità di dati. Personal Computer (PC): è il calcolatore più utilizzato nelle case, nelle scuole e negli uffici. Dalla sua nascita (circa 1980) ha avuto un enorme diffusione grazie alla costante diminuzione di prezzo, unita a una crescita delle prestazioni e della facilità di utilizzo. Un qualsiasi PC è composto da: monitor (video), tastiera, mouse (topo) e un case (contenitore) il quale può essere disposto in orizzontale (desktop) o in verticale (tower, miditower o minitower). I notebook sono PC portatili chiamati cosi perché hanno le dimensioni di un quaderno per gli appunti. I netbook sono portatili di dimensioni ridotte con peso inferiore al chilogrammo. I tablet sono computer portatili a forma di tavoletta sottilissima e dotati di uno schermo tattile (touch screen). l palmari sono infine computer di dimensioni cosi ridotte da poter essere portati nel palmo di una mano. Anche gli smartphone, pur essendo apparecchi cellulari, possono essere considerati computer. Periferiche: sono i componenti esterni al case e vengono collegati al calcolatore inserendo gli spinotti dei loro cavi dentro alle porte situate sul retro del case (stampante, scanner, modem, etc.). Esistono diversi tipi di porta ciascuna con caratteristiche adatte per un particolare tipo di periferica: Porta seriale: è una vecchia porta a bassa velocità in cui i dati vengono trasmessi in serie, uno dopo l'altro (vecchi modem e vecchi mouse). Porta parallela: è una vecchia porta in cui i dati vengono inviati parallelamente in più flussi seriali (vecchie stampanti). Porte PS/2: sono vecchie porte usate per collegare il mouse e la tastiera. Porte USB (Universal Serial Bus): consente di collegare ad alta velocità le periferiche (scanner, stampanti, etc.). Ha sostituito tutte le precedenti porte e normalmente è presente in grande quantità sia sul retro del case sia sul pannello frontale del computer. Porta video: serve per connettere il monitor al computer. Porta di rete: è usata per collegare il computer direttamente a un altro computer o a una rete locale di computer. Porta FireWire: serve per collegare apparecchiature digitali (fotocamera e videocamera). 2

3 Componenti interni I seguenti componenti si trovano all'interno del case: Scheda madre: è un circuito stampato sul quale sono montati il processore, la memoria RAM e molti altri componenti. Questi elementi comunicano tra loro attraverso collegamenti elettrici detti bus (strade) per il passaggio dei dati. CPU (Central Processing Unit): processore o microprocessore esegue le istruzioni per l'elaborazione dei dati: per tale motivo si può considerare come il cervello del calcolatore. È 3

4 costituito da una wafer (tavoletta) di silicio, detta chip, sulla quale sono presenti tutti i microscopici componenti elettronici quali conduttori, resistenze, condensatori a transistor. Generalmente, su di esso viene montato un dissipatore assieme a una ventola di raffreddamento per dissipare il calore prodotto durante il suo funzionamento. Il processore è identificato da diverse caratteristiche: Frequenza: misurata in MHz o GHz rappresenta la velocità con la quale vengono eseguite le operazioni. Infatti, l'esecuzione è scandita da un orologio interno alla macchina chiamato clock; maggiore è il numero di oscillazioni effettuate in un secondo da questo orologio (la frequenza), maggiore è la velocità con cui il processore esegue i programmi. l microprocessori più recenti hanno frequenze di alcuni GHz. Core: rappresenta il numero di unita di elaborazione, generalmente, identiche presenti all'interno del processore. Maggiore è il numero di core e maggiore è il numero di operazioni che il processore è in grado di compiere a parità di frequenza. I microprocessori moderni hanno un numero di core variabile da 2 a 20. Cache: particolare tipo di memoria RAM ad alta velocità presente all'interno del processore che permette di accelerare l'accesso ai dati rispetto agli altri tipi di memoria. Maggiore è la quantità di tale memoria e maggiore è la sua velocità, maggiori sono le prestazioni del processore. I moderni processori hanno un quantitativo di memoria cache distribuito su più livelli gerarchici (L1,L2 e L3) da 1 MByte fino 32 MByte. Memoria RAM (Random Access Memory): la memoria centrale o RAM registra i dati inseriti e le istruzioni dei programmi in esecuzione. E' una memoria volatile perché non conserva le informazioni in assenza di alimentazione elettrica (a ogni spegnimento del PC). Quindi è necessario procedere al salvataggio dei dati su una memoria di massa prima di terminare il lavoro. La memoria RAM permette di poter eseguire più programmi 4

5 contemporaneamente: maggiore è il suo quantitativo e maggiore è il numero di programmi che possono essere mantenuti in esecuzione nello stesso momento. I calcolatori moderni hanno un quantitativo di memoria RAM compreso tra 1 GByte e 64 GByte. Di solito, la memoria RAM è costituita da chip montati su moduli (detti banchi) di alcuni GByte ciascuno che vengono alloggiati in appositi slot presenti sulla scheda madre. Questo permette di estendere la memoria aggiungendo uno o più moduli sulla scheda madre. Memoria ROM (Read Only Memory): è una memoria a sola lettura che non si cancella in assenza di alimentazione. La memoria ROM viene utilizzata in fase di accensione del calcolatore per inizializzare l'avvio del sistema operativo. Il BIOS (Basic Input/Output System) è il programma di inizializzazione memorizzato nella memoria ROM che all accensione effettua una serie di test diagnostici sullo stato delle periferiche e quindi cerca i1 sistema operativo su disco. È possibile accedere a un programma di configurazione che permette di modificare i parametri del BIOS, premendo il tasto durante Canc/F2/F10 (a seconda del produttore) durante la fase di accensione. Memoria cache: è una memoria ad accesso più veloce della RAM ed è utilizzata in aggiunta a essa per rendere più veloce il trasferimento dei dati e delle istruzioni tra la CPU e la RAM. La presenza della cache riduce il tempo di attesa dell elaborazione perché evitano il trasferimento diretto fra CPU e RAM. La memoria cache è integrata direttamente nel processore e suddivisa in livelli gerarchici 1 livello (L1), 2 livello (L2) e 3 livello (L3). Esistono anche memorie cache per il trasferimento dei dati fra la RAM e la memoria centrale. Scheda video: è una scheda dedicata alla riproduzione delle immagini sullo schermo. Viene installata sulla scheda madre in un apposito slot (PCI-express/AGP) e collegata al monitor mediante apposito cavo. La scheda video è dotata di un proprio processore e di una propria memoria RAM: maggiore è la capacità della memoria video e migliore sarà la risoluzione dell'immagine che si può adottare e maggiore sarà il numero di colori che si possono 5

6 trattare. Scheda audio: è una scheda dedicata alla riproduzione dei suoni. Viene installata sulla scheda madre in un apposito slot (PCI-express/PCI) e collegata agli altoparlanti mediante apposito cavo. La scheda audio è dotata di un proprio processore e di una propria memoria RAM le capacità di elaborazione sono molto più limite rispetto alla scheda video poiché la potenza richiesta per elaborare un segnale audio e minore rispetto a un segnale video (immagini). Periferiche di ingresso (input) Tastiera: è la prima unità per l inserimento dei dati. È suddivisa in: Area principale contenente i tasti alfanumerici della macchina da scrivere (numeri, lettere, punteggiatura); Una fila in alto di tasti funzione (per funzioni specifiche come l'apertura della guida in linea del programma attivo) Un tastierino numerico. I tasti di direzione e di scorrimento permettono di scorrere le pagine di un documento, di portarsi all'inizio o alla fine di una riga, di scorrere un elenco di file. Alcuni tasti di controllo che permettono di compiere operazioni specifiche se premuti contemporaneamente ad altri (CTRL + C permette di copiare oggetti). La disposizione dei tasti non è sempre la stessa perché esistono diversi modelli di tastiera che differiscono per il numero totale di tasti e per la loro disposizione. I tipi più comuni sono la tastiera americana e quella italiana detta anche QWERTY (dal nome dei primi sei tasti alfanumerici in alto a sinistra), QWERTZ (Germania) e AZERTY (Francia). Mouse: è l'altra importante periferica di input che permette di muovere sullo schermo la 6

7 freccia (detta puntatore) trascinando il mouse su una superficie piana. Il mouse ha due tasti e una rotella che permette di scorrere più velocemente le schermate. Il tasto sinistro permette di: fare clic per selezionare un oggetto sullo schermo, spostare il cursore all'interno di un testo, aprire i menu contenuti nei vari programmi; fare doppio clic per lanciare un programma o aprire un file; trascinare il mouse per selezionare degli oggetti (un testo o un insieme di file); devi fare clic nel punto di inizio della selezione e, tenendo premuto il tasto, spostare il mouse fino al punto in cui vuoi interrompere la selezione. Il tasto destro permette di attivare funzioni particolari (attivare il menu di comandi associato all oggetto puntato). Scanner: è una periferica di input che permette di leggere pagine stampate contenenti sia immagini sia testo e di trasformarle in formato digitale e salvarle come file sulla memoria di massa. Utilizza lo stesso principio della fotocopiatrice, cioè l'illuminazione della pagina mediante una fonte luminosa e la rilevazione della luce riflessa con le diverse tonalità di grigio o di colore. Altre periferiche: le altre periferiche di input che si possono collegare al computer sono: Il microfono: è la periferica in grado di introdurre i suoni all'interno del calcolatore. Se il computer è dotato di programmi di riconoscimento vocale può essere utilizzato per impartire comandi al computer o per dettare il testo di un documento a un programma di elaborazione testi o nei corsi multimediali di lingua. La penna ottica: è utilizzata per leggere i codici a barre presenti negli oggetti (prodotti nei negozi o magazzini). La macchina fotografica digitale e la videocamera digitale: sono le periferiche di input che consentono di acquisire immagini reali come fotografie o filmati e memorizzarle all'interno del computer in formato digitale. Periferiche di uscita (output) Monitor: detto anche video è la principale periferica di output e serve per visualizzare testi o immagini. Le immagini vengono rappresentate sul monitor mediante un insieme di puntini chiamati pixel. Esistono tre tipi di monitor: Tubo catodico CRT (Cathode Ray Tube): ha lo stesso principio di funzionamento dei vecchi televisori ed è piuttosto ingombrante; A cristalli liquidi LCD (Liquid Crystal Display): è ultrapiatto e molto più leggero del CRT e con quasi totale assenza di radiazioni. Rispetto al CRT ha un angolo di visualizzazione inferiore. 7

8 A LED (Light Emitting Diode): è uno schermo ultrapiatto come uno schermo LCD, ma con assenza di radiazioni e qualità superiore dell'immagine. Caratteristiche principali del monitor: Dimensione della diagonale dello schermo (misurata in pollici). La risoluzione (il numero di pixel in orizzontale e in verticale visualizzati sullo schermo, 1920x1080 pixel). Impostabile dal sistema operativo anche se gli schermi hanno una risoluzione nativa prestabilita. La profondità di colore ossia il numero di colori che possono essere gestiti per ogni pixel visualizzato (da un minimo di 256=2 8 fino a un massimo di circa 16 milioni 2 24 ). Impostabile dal sistema operativo. N.B. Maggiore è il numero di colori e migliore è la qualità dell'immagine visualizzata. La possibilità di utilizzare risoluzioni e numero di colori più alti dipende anche dalle caratteristiche della scheda video. Stampante: è utilizzata per riprodurre testi o immagini su carta. Le caratteristiche di una stampante sono: la risoluzione (misurata in dot x inch (dpi) punti x pollice) e la velocità di stampa (misurata in pagine al minuto (ppm)). Maggiore è la risoluzione e migliore è la qualità di stampa ottenuta. Le stampanti a getto d'inchiostro (inkjet): sono le più diffuse perché consentono discrete velocità di stampa e buone risoluzioni, sia in bianco e nero sia a colori, e costi d'acquisto contenuti. Devono essere ricaricate con inchiostro liquido contenuto in apposite cartucce. Le stampanti laser: permettono maggiore qualità e velocità di stampa, hanno un prezzo di acquisto più alto delle inkjet, ma un minore costo di gestione. Devono essere ricaricate con inchiostro in polvere (toner). Plotter: è un'altra periferica di output, simile alla stampante, utilizzata per la stampa di disegni tecnici. È formato da un braccio avente libertà di movimento in verticale e in orizzontale e da un pennino. Il pennino può essere un comune pennarello e avere più di un colore, ed è in grado di eseguire disegni di elevata complessità. Periferiche audio: gli altoparlanti rappresentano una periferica per la riproduzione dei suoni. Possono essere affiancati o sostituiti dalle cuffie. Periferiche di ingresso/uscita (input/output) Sono periferiche che hanno sia funzioni di ingresso sia di uscita: Touchscreen (schermo tattile): è un monitor particolare che funziona come output per la visualizzazione delle immagini e come input grazie a un digitalizzatore che lo rende sensibile al tatto. Consente di fornire comandi al calcolatore in modo più semplice e 8

9 intuitivo rispetto alla tastiera e al mouse. La tecnologia utilizzata può essere di tipo (magnetica, a raggi infrarossi, etc.): in tutti i casi si ha l interruzione o variazione di una grandezza che avviene quando l utente tocca con il dito lo schermo. In questo modo viene rilevato il punto toccato e viene attivato il comando corrispondente. La maggior parte dei modelli moderni usano un foglio di plastica trasparente, sottile e resistente aderente alla superficie dello schermo. E' utilizzato in molti dispositivi (smartphone, navigatori satellitari e tablet, bancomat e sportelli informativi). Modem: il suo nome deriva dall'abbreviazione di modulatore e demodulatore. E' il dispositivo che consente di trasmettere i dati da un computer a un altro attraverso la normale linea telefonica. È necessario per collegarsi a Internet. Il suo compito è di trasformate il segnale inviato dal computer (in binario quindi digitale) in segnale analogico trasmesso dalla linea telefonica (modulazione) e viceversa (demodulazione). Attualmente i più diffusi sono i modem ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) che consentono il collegamento alle linee ADSL molto più veloci delle linee telefoniche tradizionali. Memorie di massa Le memorie di massa sono i supporti e le corrispondenti unità di lettura e scrittura utilizzati per memorizzare in modo permanente le informazioni sia di dati sia di programmi. Le memorie più diffuse attualmente sono l'hard disk (disco rigido), SSD, CD e DVD, la chiave USB e la scheda SD. Il floppy disk non è più presente nei computer moderni ed è considerato una memoria del passato. 9

10 Hard Disk (HDD): noto anche come disco rigido, è un supporto di memorizzazione di tipo magnetico con una considerevole capacità di memoria (fino a 5 TByte). È detto anche disco fisso perché il supporto di memorizzazione non è separabile dal dispositivo di lettura e scrittura (drive) diversamente degli altri tipi di disco che si possono estrarre e sostituire. Il disco fisso è formato da una serie di dischi impilati uno sopra l'altro. È sempre presente nei computer attuali inserito all'interno del case ed è la memoria di archiviazione principale del computer. Esistono anche hard disk esterni, collegabili al computer attraverso una porta USB che sono utili per effettuare copie di sicurezza (backup) o per il trasferimento dei dati fra un computer e un altro. Solid State Disk (SSD): è un nuovo tipo di supporto di memorizzazione di tipo elettronico (utilizza la tecnologia della memoria flash). Rispetto al disco rigido tradizionale risulta molto più veloce e più resistente agli urti, ma la capacità è molto inferiore da 64 GByte fino a 1 TByte. Attualmente il costo alto riduce la sua diffusione. CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory): è un supporto sul quale i dati vengono memorizzati in modo permanente attraverso un laser. Questi supporti non possono essere riscritti mediante il normale lettore e per questo sono detti ROM. I lettori di CD possono leggere sia CD-ROM sia CD audio e si differenziano per la velocità di lettura indicata dalla sigla 32X,40X (dove 1X corrisponde a circa 150 kbyte/s). Il CD-ROM ha una capacità di circa MByte. Per poter scrivere i CD è usato un dispositivo detto masterizzatore: i dischi masterizzabili sono di due tipi: CD-R (CD-Recordable): scrivibili una sola volta. CD-RW (CD-Rewritable): scrivibili e cancellabili più volte. DVD (Digital Versatile Disc): il DVD ha un principio di funzionamento simile a quello del CD, ma i dati sono registrati con una maggiore densità grazie all'utilizzo di un laser più sofisticato. La capacità di un DVD varia da 4,7 a 17 GByte. La velocità di lettura indicata dalla sigla 16X,20X (dove 1X corrisponde a circa 1.39 MByte/s). Un DVD può contenere audio, video e dati: per questo motivo i DVD hanno sostituito i CD-ROM e le videocassette VHS. I DVD possono memorizzare video con risoluzione fino a pixel. Per leggere questo tipo di disco è necessario un lettore DVD e per registrarlo un masterizzatore DVD. Alla pari dei CD, esistono DVD-R e DVD-RW. I lettori DVD possono anche leggere i CD, ma non viceversa. Blu Ray: il Blu Ray (raggio blu) ha lo stesso principio di funzionamento dei CD e DVD, ma i dati sono registrati con una maggiore densità grazie all'utilizzo di un laser ancora più sofisticato. Alla pari del DVD, un Blu Ray può contenere audio, video e dati. La capacità di un Blu Ray varia da 25 a 128 GByte. La velocità di lettura indicata dalla sigla 8X,10X (dove 1X corrisponde a circa 4.5 Mbyte/s). I Blue Ray possono memorizzare video con risoluzione fino a pixel. Per leggere questo tipo di disco è necessario un lettore Blu Ray e per registrarlo un masterizzatore Blu Ray. I lettori Blu Ray possono anche leggere i DVD e CD, ma non viceversa. 10

11 Chiave USB: detta anche penna USB (pen drive) è un particolare dispositivo di memoria di massa rimovibile di dimensioni e peso ridottissimi che si connette direttamente alla porta USB di qualsiasi PC. Il computer riconosce automaticamente la penna USB come un disco supplementare e permette di trasferire immediatamente i dati. La pen drive ha una capacità che può andare da 1 GByte fino a 64 GByte. La sua memoria è di tipo elettronico facilmente cancellabile e riscrivibile (utilizzano la memoria flash come quella delle memory card). Schede Secure Digiral (SD card): è una scheda di memoria tipo flash come la penna USB, ma di dimensioni più ridotte, con capacità maggiori fino a 256 GByte e resistente agli urti. Per essere utilizzata deve essere letta tramite un apposito lettore che deve essere inserito nel case o collegato tramite porta USB. Di solito i moderni notebook sono dotati di un lettore di schede SD. Esistono tre formati che si differenziano per le dimensioni: SD, mini SD e micro SD. Operazioni comuni per le memorie di massa Formattazione: è l'operazione che prepara all'uso un supporto di memorizzazione di massa (disco fisso, SSD, penna USB, SD) per renderlo adatto all'archiviazione di dati. Durante questa operazione viene imposta la struttura del file system sulla memoria di massa. L'operazione consiste nel dividere la capacità della memoria in una serie di blocchi di uguali dimensioni e fornire una struttura logica in cui verranno scritte le informazioni che permetteranno l'accesso ai dati desiderati. Inizializzazione: è l'operazione equivalente alla formattazione usata per i supporti come CD, DVD e Blue Ray. Questa operazione viene realizzata dai programmi di masterizzazione durante la scrittura del disco. Deframmentazione: è un'operazione usata per ottimizzare l'archiviazione dei dati nella memoria di massa (disco fisso). Consiste nel ridurre la frammentazione dei file presenti sulla memoria stessa riorganizzando l'allocazione e facendo in modo che ciascun file risulti memorizzato in una zona contigua dal punto di vista fisico. Questa operazione permette di ridurre drasticamente i tempi di accesso e lettura dei file. 11

12 La deframmentazione è un'operazione che può essere svolta in modo automatico dal file system (specialmente i sistemi operativi Linux e MacOS X) durante il suo regolare funzionamento oppure eseguita tramite esplicita richiesta dell'utente tramite l'esecuzione di un programma. N.B. Le memorie di massa moderne come (SSD, penna USB, SD) grazie alla loro tecnologia non risultano penalizzate dalla frammentazione e quindi non è necessario procedere con la deframmentazione. 12