Ascolta

Componenti di un elaboratore elettronico – hardware

 

Introduzione “che cosa è l’INFORMATICA?”

Esistono varie definizioni del termine "informatica":

• Scienza che studia l’elaborazione delle informazioni e le sue applicazioni; più precisamente si occupa della rappresentazione, dell’organizzazione e del trattamento automatico della informazione. Il termine deriva dal fr. informatique (composto di INFORMATion e automatIQUE, «informazione automatica») coniato da P. Dreyfus nel 1962.(Treccani)
• Scienza applicata che studia le modalità di raccolta, di trattamento e di trasmissione delle informazioni mediante elaboratori elettronici.(CdS)
• Scienza che studia l'informazione e, più specificamente, l'elaborazione dei dati e il loro trattamento automatico per mezzo di computer.(Garzanti)

Un sistema informatico è l’insieme di molte parti che cooperano per memorizzare e manipolare l’informazione.

L’informazione è tutto ciò che può essere rappresentato mediante varie tipologie di dati come:

• Numeri
• Caratteri, parole e testi
• Immagini
• Suoni
• Filmati
• Comandi (istruzioni) e sequenze di comandi (programmi) da eseguire per ottenere informazioni dai dati

Le modalità di rappresentazione dipendono dalle caratteristiche del sistema informatico utilizzato.

Nella storia l’uomo ha usato vari strumenti di elaborazione come:

 

 

• L’abaco

 

• La macchina di Anticitera, o meccanismo di Antikythera, il più antico calcolatore meccanico conosciuto

 

• La Pascalina, un dispositivo meccanico costruito dal matematico francese  Blaise Pascal

 

• L'Analytical Engine di Babbage, 

Gli elaboratori elettronici

Per sistema informatico attualmente si intende un elaboratore elettronico o computer ossia l’insieme di tutti i dispositivi elettronici in grado di eseguire autonomamente una serie di operazioni logiche ed elaborazioni prestabilite sui dati in esso inseriti (input) fornendo un responso (output).

Un elaboratore elettronico, oltre la sua componente fisica, è costituito da una parte metafisica costituita dai dati e comandi da eseguire, codificati mediante una sequenza di 1 e 0 secondo una logica binaria detta software.

 

 

Hardware e software

Hardware (HARD = RIGIDO, WARE= MATERIALE)

• Le componenti fisiche di un elaboratore elettronico, (monitor, tastiera, mouse, hard disk, scheda madre, CPU, stampanti ….).
• Software dati, istruzioni e programmi, che permettono ad un elaboratore di eseguire i compiti assegnati.

 

 

 

 

 

Tipologia di elaboratori

Una classificazione dei vari tipi di elaboratori viene fatta considerando le dimensioni e la potenza di calcolo:

• Supercomputer
• Mainframe
• Minicomputer
• Workstation
• Personal computer o PC

Spesso il confine tra una tipologia è l’altra è molto labile, e con la velocità dell’evoluzione tecnologica, quello che oggi classifichiamo come workstation tra pochi mesi sarà considerato un personal computer.

Supercomputer

Sono computer molto potenti utilizzati per lo più in ambito scientifico e industriale che sfruttano le tecnologie più moderne come la superconduttività alle basse temperature ed il massiccio utilizzo di processori in parallelo, per elaborazioni ad altissime velocità.

Hewlett Packard Enterprise Frontier, o OLCF-5, in Tennessee, USAè il più veloce supercomputer al mondo con 1685 petaflops.

Un peta = 1000 trilioni (un trilione è un milione di miliardi alla terza=10¹²), quindi peta=10¹⁵ e flop sta per floating point operations per second. Quindi un milione di volte più potente del più veloce Personal Computer con i suoi 5GHz =5 miliardi di flop=5x10⁹

Il supercomputer giapponese Fugaku con 537 petaflops sviluppato da RIKEN e Fujitsu è il secondo più veloce supercomputer al mondo.

LUMI (Large Unified Modern Infrastructure) con i suoi 428 petaflopsè il terzo al modo e primoin europa, locato nel data center di Kajaani in finlandia sviluppato della European High-Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU) un consorzio di alcuni paesi europei (Finlandia, Belgio, Repubblica Ceca, Danimarca, Estonia, Islanda, Norvegia, Polonia, Svezia e Svizzera).

Leonardo del CINECA con i suoi 255 petaflops è il computer più potente in Italia collocandosi al quarto posto tra le infrastrutture di calcolo più potenti al mondo.

Per saperne di più

https://www.top500.org/lists/top500/2022/11/

 

 

 

 

Mainframe

Sistema di grandi dimensioni, utilizzato spesso nelle reti di computer, che gestisce centinaia di elaboratori mettendo a disposizione le proprie risorse (memorie di massa e molti processori).

A volte i computer collegati ad un mainframe non posseggono unità di memoria o processori propri e per questo motivo sono chiamati terminali stupidi.

Diffusi, negli ospedali, nelle grandi aziende che devono mantenere notevoli quantità di dati in una unica sede ai quali devono accedere tutte le filiali periferiche.

 

Alcuni di essi sono i cosiddetti fornitori di servizi cloude o nuvola termine con cui ci si riferisce alla tecnologia che permette di elaborare e archiviare dati attraverso internet. Il cloude consente l'accesso ad applicazioni e dati memorizzati su un hardware remoto invece che sul computer locale.

 

 

Minicomputer

Si tratta di sistema di medie dimensioni, con decine di calcolatori che accedono al minicomputer, stesso concetto dei mainframe in scala ridotta.

Diffusi in realtà aziendali di piccole, medie dimensioni e anche in questo caso decine di terminali stupidi accedono alle risorse messe a diposizione.

Con questa tipologia di elaboratori spesso si fa riferimento al termine di server, una macchina a cui gli utenti si collegano, non tramite terminali, ma attraverso personal computer.

 

 

Workstation

Per workstation si intende un personal computer che ha una capacità di elaborazione, memorizzazione, grafiche e costo superiori a quelle di un PC standard.

Spesso è difficile distinguere un PC di fascia alta da una workstation, in genere la struttura di una workstation appare potenziata, con monitor capaci di visualizzare immagini ad alta definizione, un numero di processori (almeno 8) che consentono di trattare una grosse mole di dati (di solito di natura grafica).

 

 

 

Personal Computer

Un personal computer è un sistema indipendente dedicato ad un unico utente, suddivisi in diversi tipologie sempre in evoluzione.

PC: Computer Fissi

Computer da scrivania, non facilmente trasportabile, destinato a rimanere in un luogo fisso, collegato alla rete elettrica ed alla rete per la navigazione in internet.

Il suo aspetto esterno è dato da un contenitore metallico, detto case o cabinet, al cui interno trovano posto tutte le componenti elettroniche.

 

 

 

 

A seconda della forma si suddividono in:

Tower:a forma di parallelepipedo disposto a terra
MiniTower: simili ai Tower solo più larghi e bassi.
Desktop: meno ingombranti e in genere appoggiati su di una scrivania con il monitor posto sopra.
Compatti o all in one: con il case integrato nel monitor

 

 

 

Portatili

I computer (laptop o notebook) sono trasportabile, di dimensioni ridotte, con una batteria ricaricabile che ne permette l’uso anche in assenza di corrente.

 

 

 

 

Delle categorie particolari di notebook sono i Netbook di dimensioni ridotte con monitor ridotti(10-11 pollici) e peso inferiore al chilogrammo o iNetwork computer con minime capacità ma che possono collegarsi ad una unità centrale in rete (utilizzati ad esempio dai rappresentanti per effettuare ordinativi).

 

Tablet PC

Computer portatile, generalmente di piccole dimensioni e potenzialità inferiori a un notebook, dotato di schermo sensibile al tocco (touchscreen) e con sistema operativo diverso dai quelli dei un PC come iOs o Android.

 

 

 

Telefoni cellulari o Smartphone

Telefoni di ultima generazione che, oltre a offrire tutte le funzionalità di telefonia, racchiude in sé delle caratteristiche di un computer palmare

 

Componenti di un computer

L’architettura dei moderni elaboratori elettronici, è schematizzata attraverso il modello di Von Neumann che prevede

• Le periferiche I/O dei dati;
• La memoria di massa.
• La memoria centrale
• Il processore o CPU costituito da

ü     l’Unità di controllo

ü     l’unita aritmetico logica o ALU

 

Nel modello di Von Neumann, i quattro moduli forniscono tutti i servizi necessari per il suo funzionamento che ricordiamo è l’elaborazione automatica dei dati. In particolare:  

1.                 Il processore o CPU cuore del sistema esegue le istruzioni

2.                 La memoriadi massa si occupa di immagazzinare le informazione

3.                 Le memoria centraleRAM e ROM a supporto del calcolo

4.                 Le periferiche d’ingresso (per caricare i dati) e le periferiche d’uscita (per fornire i risultati)

I quattro modulo interagiscono e cooperano tra loro, colloquiando tramite linee dedicate dette bus.

 

In realtà l’interno di un PC è pressappoco questo

 

• Scheda Madre o Motherboard una piastra base sulla quale tutti i componenti sono saldati è chiamata.
• Uno o più CPU che controlla e gestisce tutte le operazioni del calcolatore.
• La memoria, divisa in:
  • memoria interna: residente fisicamente sulla scheda madre utilizzata come supporto al calcolo;
  • memoria esterna: esterna alla scheda madre e connessa attraverso appositi cavi e connettori, utilizzata per conservare i dati .
• Le unità di input/output, o porte I/O, a cui i dispositivi di inserimento dei dati e di visualizzazione (tastiera, mouse, monitor, stampanti, ecc.), sono collegate.

 

Il funzionamento di un elaboratore elettronico prevede:

1. L’inserimento e la memorizzazione dei dati in input

 

1. Il caricamento dei dati input dalla memoria interna

 

1. La loro manipolazione da parte di un programma anch’esso in memoria

 

1. La visualizzazione e l’eventuale salvataggio dei risultati della elaborazione

 

 

 

 

Schematicamente

1. Il processore legge i dati dalla memoria interna

 

 

1. Li manipola usando un programma costituito da una serie di istruzioni

 

 

 

 

 

 

1. Quindi salva nella memoria i dati elaborati.

 

 

 

 

1. Questo continua fino a che l’elaborazione dei dati ha fornito il risultato

 

https://youtu.be/AG7VeCkT9qA?t=248

Vediamo adesso in dettaglio i componenti di un elaboratore

I Processori o CPU (Central Process Unit), sono il centro operativo di un elaboratore, esso interpreta ed elabora tutti i dati in input, ed esegue tutte le relative operazioni.

Nelle dimensioni di pochi centimetri quadrati sono racchiusi tutta la tecnologia più evoluta che consente l’esecuzione delle singole istruzioni. Le operazioni fondamentali di una CPU sono:

1. Operazioni aritmetico/logiche.
2. Carico e Scarico dei dati.
3. Controllo di altri elementi hardware.

 

 

La CPU legge ed esegue le istruzioni contenute nella memoria principale grazie a due unità:

1. Unità di Controllo o CU (Control Unit) che si occupa di:

• Acquisire istruzioni/dati dalla memoria.
• Interpretare le istruzioni.
• Coordinare la ALU.
• Trasferisce alla memoria centrale i dati elaborati dalla CPU.

 

1. Unità Aritmetico Logica o ALU (Arithmetic Logic Unit) che si occupa dell’esecuzione delle operazioni logico/matematiche.

 

Oltre alla CU e alla ALU in un processore sono presenti dei registri, particolari memorie che contengono i dati e gli indirizzi delle istruzioni.

Una istruzione, codificata in una serie di 0 e 1, implementa

• Operazioni aritmetiche (ad es. somma di due numeri);
• Operazionilogiche (il confronto tra i valori di due dati);
• Operazione di controllo (ad esempio il trasferimento dei dati).

Ogni processore ha un insieme di istruzioni (chipset) in linguaggio macchina, e ogni operazione “complessa” è suddivisa in operazioni elementari (cicli di istruzione). La velocità (o frequenza) con cui esegue le operazioni è espressa in milioni di operazioni al secondo.

üMhz Megahertz = 10⁶ milioni di operazioni al secondo

üGhz Gigahertz = 10⁹ Hz miliardi di operazioni al secondo

üTHz Terahertz = 10¹² Hz migliaia di miliardi a1 secondo

üPHz (Petahertz 10¹⁵ Hz   milioni di miliardi a1 secondo

I processori attuali utilizzano una tecnologia dual/quad/octa core in un o microchip si trovano 2,4, 8 o più processori distinti.

Le memorie come tutte le apparecchiature elettroniche, distinguono solo due diversi stati fisici (acceso o spento, tensione alta o tensione bassa, passaggio di corrente o assenza di corrente) quindi ogni dato può essere memorizzato solo attraverso una sua codifica binaria (0,1), ed ogni singolo elemento prende il nome di bit. Le unità di misura superiori:

• bit singola unità di informazione
• Byte   8 bit
• KB (Kilobyte) = 1024 byte
• MB (Megabyte) = 1024KB = 1024² byte (milioni di byte)
• GB (Gigabyte) = 1024MB= 1024³ byte (miliardi di byte)
• TB (Terabyte) = 1024 GB = 1024⁴ byte
• PB      (Petabyte) = 1024 TB = 1024⁵ byte

Si utilizza 1024 =2¹⁰ essendo la potenza del 2 più vicina a 1000.

Abbiamo visto che la memoria è divisa in:

• memoria interna

▪     RAM (Random Access Memory)

▪     ROM (Read Only Memory).

• memoria esterna

▪     Hard disk (interni ed esterni)

▪     chiavette USB flash

▪     CD/DVD (e dischi blue ray)

▪     Memory card

▪     Dischi on line

 

 

La memoria interna: la memoria RAM

La RAM (Random Access Memory) è una memoria di tipo elettrico ad accesso diretto, nel senso che il processore può accedere direttamente a qualsiasi elemento di essa, quindi a qualsiasi dato e/o programma immagazzinati in essa.

La RAM contiene quindi i dati e/o programma che il computer sta elaborando, il suo contenuto può essere scritto, modificato e cancellato ma allo spegnimento del computer essa viene completamente cancellata. Per questa ragione la RAM viene anche detta memoria volatile.

 

La memoria interna:la ROM

La memoria ROM (Read Only Memory) a differenza della RAM, mantiene le informazioni anche in caso di mancanza di corrente, ed in essa sono contenute le informazioni per l'avvio.

All’accensione del computer, il processore acquisisce le caratteristiche di tutte le componenti hardware presenti, attraverso un programma detto BIOS (Basic Input Output System) presente nella ROM che viene caricato ed eseguito all’avvio detta bootstrap si articola in tre fasi:

1.verifica dell’hardware,

2.attivazione dell’hardware,

3.avvio del software di base del computer, il sistema operativo che vedremo quando si parlerà del software.

La memoria interna:la CACHE

La memoria cache è una memoria di transito, molto veloce, più della RAM, tra la CPU e la RAM e tra la RAM e la memoria esterna. Essa contiene i dati utilizzati dalla CPU, e quando essa richiede un dato, questo viene prima ricercato nella memoria cache, in caso negativo, l’informazione viene recuperata dalla memoria centrale.

Generalmente un elaboratore ha due livelli di cache:

1. Cache di 1° livello, con dimensioni da 8Kb fino a 128Kb, che funziona con la stessa velocità del processore.
2. Cache di 2° livello, posta usualmente in un chip diverso dal processore, con dimensione che varia tra 128 Kbyte e 2 Mb.

 

La memoria esterna

Detta anche secondaria o di massa, è una memoria di supporto che contiene programmi e dati che possono essere sfruttati solo indirettamente dal processore, visto che l’unica memoria con cui il processore è collegato risulta essere quella interna.

I vari dispositivi di memorizzazione si differenziano per:

• Quantità di dati memorizzabili
• Velocità
• Costo per unità di memoria.

 

 

 

Vediamo i dettagli di ognuno di essi.

La memoria hard disk

È la memoria di massa più importante che conserva, in modo permanente, tutti i dati e i programmi di un elaboratore.

Gli hard disk HDD sono costituiti da una serie di dischi di materiale magnetizzabile e delle testine o elettrocalamite di per leggere o scrivere il segnale magnetico sulla superficie del disco.

Gli hard disk più moderni utilizzano la tecnologia unità a stato solido (SSD) che usano memoria flash per archiviare i dati allo stesso modo dell’unità USB.

La capacità tipica di un hard disk va dai 500Gb a 4 Terabyte.

Le chiavi USB

Una chiave USB è una periferica di memoria trasportabile di tipo flash, ossia una memoria a semi-conduttori, non volatile e riscrivibile capace di memorizzare fino a più gigabyte di dati, attualmente fino a 256 Gb.

Le schede di memoria estraibili

Molti dispositivi elettronici attuali, come cellulari, macchine fotografiche e videocamere digitali, lettori MP3 e MP4, PDA, ecc. utilizzano delle schede di memoria estraibili, o Memory card il cui funzionamento è paragonabile a quello di un chiave USB.

 

Unità di rete, unità di memorizzazione online

In molte realtà come aziende, laboratori, scuole e università i computer sono collegati tra di loro in rete, cioè connessi ad una rete per permettere la comunicazione tra loro e per la condivisione di risorse, come la stampanti, scanner, ect., ma soprattutto di memorie di massa online, o dischi virtuali.

Questo può essere utilizzato sia come spazio per scambio di file tra utenti (chiaramente tutti in possesso della password), sia per avere una memoria sempre a disposizione, dovunque ci si trovi senza avere il proprio computer.

 

Le periferiche I/O

L’ultimo componente del modello di Von Neumann sono le unità periferiche o devices di I/O, dispositivi che, una volta collegati attraverso le relative porte, permettono l’interazione tra l’uomo e il l’elaboratore, quindi la tastiera, il monitor, il mouse, ecc..

Le principali porte di comunicazione sono:

Seriali, attualmente non più in uso, consentivano l’accesso di un solo segnale alla volta, usata per collegare mouse o tastiera.
Paralleleanch’esse non più in uso usate per collegare stampanti, scanner, ect.
USB (Universal Serial Bus) molto veloce per collegare (quasi) tutte le periferiche (Tastiera, Mouse,   Stampanti ..)
VGA (Video Graphics Array)per collegare i monitor analogici
DVI e HDMI: per collegare un monitor digitale o una TV digitale.
Porte di rete o Ethernet per collegare il computer alla rete.

 

 

 

Le periferiche si dividono in:

• periferiche di input che permettono l’invio di dati,
• periferiche di output. che permettono di visualizzare i risultati.

 

Periferiche di input sono quei dispositivi che consentono all’elaboratore di acquisire dati.

Si suddividono per tipo di dati da inserire non esistendo un dispositivo che consenta l’inserimento di tipi di dato diversi (ad esempio, sia di testo che di immagini) quindi ogni elaboratore sarà dotato di più di un dispositivo d’ingresso.

 

 

I dispositivi di ingresso più utilizzati sono:

La tastiera periferica di input attraverso la quale possiamo inserire dati alfanumerici, e si differenziano per la disposizione dei tasti che è legata al paese.

I tasti della tastiera si suddividono in base alla funzione:

1.Tasti di digitazione (alfanumerici).

2.Di controllo. CTRL, ALT, ESC.

3.Tasti funzione. F1, F2, F3 …. F12. La funzionalità di questi tasti varia da un programma all'altro.

4.Tasti di spostamento. Comprendono i tasti di direzione, HOME, FINE, PGSU, PGGIÙ, CANC e INS.

5.Tastierino numerico. Per digitare i numeri.

Mouse, trackball, touchpad, joystick

Il mouse è un dispositivo in grado di fa acquisire un input il suo movimento indicandolo sullo schermo detto cursore.

La trackball è un dispositivo simile al mouse in cui il movimento del cursore è legato al movimento di una sfera; fisicamente è un mouse girato con la “pancia” verso l’alto.

Il touchpad presente in tutti i portatili, è il tappetino fisso che si trova sotto la tastiera del computer.

Il joystick è una periferica a forma di leva che permette di controllare un programma, un'apparecchiatura o un attuatore meccanico.

 

Periferiche per l’acquisizione di immagini e suono

Scanner lo scanner consente di acquisire immagini punto a punto e quindi la memorizzazione richiede notevole spazio. Il funzionamento è simile a quello di una fotocopiatrice, un fascio di luce colpisce l’immagine rilevando le zone più chiare e più scure.

La webcam è una piccola telecamera, sempre più spesso integrata nei computer, in particolar modo nei portatili.

Una fotocamera digitale è una macchina fotografica che utilizza un sensore (ccd o cmos).

Il microfono capta gli spostamenti d'aria prodotti da un suono o dalla voce e sulla base di questi produce un segnale elettrico

Periferiche di output

Le periferiche d’uscita sono tutti quei dispositivi che consentono di ottenere i risultati delle elaborazioni effettuate dal calcolatore. I principali dispositivi attualmente in uso sono:

Monitor formato da una griglia di punti illuminabili, minuscoli granellini di fosforo, chiamati pixel(da picture elements).

Il principio di funzionamento di un monitor consiste in un fascio di elettroni che colpisce i fosfori che si illuminano e diventano fosforescenti in modo da creare l’immagine. La frequenza a cui il pennello compie questa operazione viene denominata frequenza di refresh.

 

Le caratteristiche fondamentali di un monitor sono:

• la dimensione (15, 17, 21 pollici) lunghezza della diagonale dello schermo misurata in pollici pari a 2,54 cm
• la risoluzione (800x600, 1024x768, 1080x1024, 1680x1050, 1920x1080) il numero dei pixel sullo schermo
• la frequenza di refresh (60-100 hz)
• la precisione (o dot pitch) la distanza tra due pixel in millimetri:

 

 

 

 

 

Stampanti le stampanti consentono di trasferire su carta i risultati delle elaborazioni. Esistono essenzialmente due tipi di stampanti

1. Stampanti a getto d’inchiostro(ink jet) in cui l’inchiostro viene sparato attraverso una serie di fori calibrati sulla carta per ottenere le forme desiderate.
2. Stampanti laser il cui funzionamento è simile a quello di una fotocopiatrice. Per la stampa viene utilizzato un inchiostro in polvere, molto fine, detto toner.

 

 

 

 

Stampanti 3Devoluzione delle stampanti classiche, dispositivi in grado di realizzare qualsiasi modello tridimensionale mediante un processo di produzione additiva, ovvero partendo da un oggetto modellizzato tramite software 3D e replicato, sovrapponendo degli strati di polimeri condensati.

 

 

 

Altoparlanti e cuffie

Una coppia di normali casse acustiche o di cuffie può essere collegata, con l’ausilio della scheda audio, a un personal computer consentendo di ascoltare musica, un corso di lingua straniera o una teleconferenza.

Ascolta