Quando si progetta un computer bisogna indicare quali componenti verranno utilizzati e come interagiranno tra loro, cioè definire quella che viene detta architettura hardware del PC. L'architettura dei computer odierni si basa su un modello molto semplice detto macchina di Von Neuman che comprende cinque elementi:
Si tratta di un modello molto semplificato ma adatto a descrivere il funzionamento di un vero computer. Ecco cosa avviene quando un PC esegue delle elaborazioni:
Tutte queste operazioni sono coordinate dal sistema operativo, il software principale di un PC che si occupa di controllare l'esecuzione dei programmi e trasferire dati e informazioni attraverso il bus di comunicazione. Il bus è il canale che mette in comunicazione le varie parti del computer permettendo di trasferire i dati tra input, output, RAM e CPU.
La velocità di elaborazione di un computer dipende sostanzialmente da due fattori:
La RAM è un tipo di memoria molto veloce ma ha una capacità ridotta e conserva i dati solo finché il computer è acceso. Per conservare grandi quantità di dati in modo permanente si utilizzano dei dispositivi di memorizzazione come DVD o hard disk detti memoria di massa. Si tratta di dispositivi più lenti della RAM ma di grande capacità che sono in grado di conservare i dati anche a computer spento.
I vari componenti che formano un PC sono montati su una scheda elettronica detta scheda madre (motherboard) il cui compito è mettere in collegamento le varie parti attraverso il bus e permettere di aggiungere o sostituire componenti interni (utilizzando i connettori PCI, SATA, RAM, il socket CPU) e collegare periferiche esterne (con le porte USB, VGA, ethernet, Firewire, audio, PS2, ecc.).
La memoria RAM è prodotta in moduli (o banchi) che vanno inseriti in appositi connettori nella scheda madre. Sostituire o aumentare la memoria RAM è un'operazione abbastanza facile, anche se non alla portata di tutti.
Nei banchi di memoria ci sono dei circuiti integrati (chip): componenti elettronici miniaturizzati racchiusi in un involucro di plastica nera che contengono milioni di transistor. Ognuno di questi transistor è in grado di memorizzare un bit di informazione, cioè il valore 0 o 1. Un un gruppo di otto bit è chiamato byte e ad ogni byte della RAM è associato un indirizzo che permette di trovare le informazioni quando è necessario scrivere o leggere dalla memoria. Il nome RAM, che in inglese significa random access memory, è dovuto proprio a questa caratteristica di poter accedere direttamente ai dati contenuti in memoria conoscendo il loro indirizzo (in questo contesto “accesso casuale” significa “accesso non sequenziale”).
La capacità della memoria RAM, cioè la quantità di dati che è in grado di immagazzinare, è espressa in multipli del byte, in genere milioni di byte (megabyte Mb) o miliardi di byte (gigabyte Gb). Nei computer odierni la RAM installata è almeno 1Gb. Questa memoria viene utilizzata dai programmi in esecuzione per i dati, le istruzioni e i risultati delle elaborazioni; quando un programma viene chiuso la RAM occupata dal programma viene “liberata”, cioè cancellata e messa a disposizione del sistema operativo per essere riutilizzata da altri programmi.
Un computer è in grado di eseguire più programmi contemporaneamente: il sistema operativo controlla l'esecuzione dei programmi e gestisce le risorse del PC assegnando ad ognuno una parte della memoria RAM. Questa capacità, detta multitasking, è particolarmente utile perché ci permette ad esempio di scriver un testo con Word mentre ascoltiamo un MP3 con Winamp e scarichiamo un file con Bittorent. Naturalmente più programmi eseguiamo contemporaneamente e più RAM viene occupata; se tutta la memoria viene impegnata il computer rallenterà moltissimo perché sarà costretto a scrivere una parte dei dati destinati alla RAM sul disco, che è molto più lento.
Alcuni programmi, in particolare quelli multimediali come videogiochi, programmi grafici o per il montaggio video, richiedono molta memoria RAM per funzionare. In molti casi la capacità RAM del PC è indicata nei requisiti minimi indicati dai software per funzionare correttamente; ad esempio per utilizzare il sistema operativo Windows 7 è richiesto almeno 1Gb di RAM.
Il microprocessore o CPU (Central Processing Unit) è un circuito integrato sofisticatissimo che contiene al suo interno
I processori sono dei dispositivi elettronici digitali e al loro interno operano in codice binario. Prima di essere eseguita ogni istruzione - quindi ogni operazione svolta dalla CPU - viene scomposta e trasformata in altre più semplici, cioè codificata nel linguaggio macchina caratteristico di quel particolare tipo di microprocessore. Questo permette di scrivere programmi più semplici utilizzando istruzioni più complesse e “potenti” di quelle direttamente interpretabili dalla CPU.
Il compito dell'unità di controllo è
I registri si trovano all'interno della CPU e servono a immagazzinare temporaneamente dati e istruzioni. La dimensione dei registri, chiamata word (parola), è l'unità elementare dei dati che un processore è in grado di trattare ogni volta che esegue un'operazione. I primi PC avevano registri a 8bit; oggi le CPU hanno word da 32 o 64bit e sono in grado di trattare dati di dimensioni molto maggiori. All'interno dei processori troviamo anche una speciale memoria detta cache: una specie di RAM superveloce integrata direttamente nella CPU, che conserva pochi dati recenti per renderli immediatamente disponibili. La cache ha una capacità di pochi Mb ma è in grado di aumentare notevolmente la velocità di elaborazione di un PC.
Le operazioni che esegue un microprocessore sono sincronizzate e scandite da un segnale elettrico detto clock (orologio) di sistema. La velocità di clock è una caratteristica fondamentale di una CPU e in genere è un indice della velocità di un microprocessore. I processori di oggi hanno frequenze di clock che vanno da 1 a 3GHz (gigahertz), sono cioè in grado di compiere fino a tre miliardi di operazioni elementari al secondo (in realtà alcune operazioni devono essere scomposte e vengono eseguite in più cicli di clock).
Oggi esistono varie tipologie di microprocessori: nei nostri PC vengono utilizzate CPU della famiglia x86, come gli Intel Core i5 (a 64bit) dei PC del nostro laboratorio; ma esistono anche CPU specializzate per compiti speciali, ad esempio:
Il progresso nel campo dei processori è stato inarrestabile, tanto che è ancora valida la legge di Moore (dal nome di uno dei fondatori della Intel) che afferma che ogni due anni raddoppia in numero di transistor che è possibile integrare nel chip di una CPU. Aumentare il numero dei transistor significa ottenere processori più veloci ma anche aumentare la quantità di calore che viene dissipata dentro una CPU che deve essere smaltita con un dissipatore e una ventola.
Negli ultimi anni si sono affermati i processori multi core. Questa tecnologia permette di integrare due o quattro processori in un unico chip e ogni CPU è in grado di eseguire autonomamente un compito, come se si avessero a disposizione due PC. Questo ha consentito di aumentare le prestazioni dei PC, a patto di utilizzare un sistema operativo e del software concepiti in modo da sfruttare due o più processori contemporaneamente.
In un computer i dati e le istruzioni sono rappresentati in codice binario, cioè come sequenze di 0 e 1, e sono rappresentati da dei segnali elettrici. Il bus è l'insieme dei circuiti elettrici su cui viaggiano questi segnali ed è usato per trasferire dati e istruzioni tra i vari componenti del PC.
Uno dei fattori che determina le prestazioni di un PC è la velocità del bus, normalmente espressa in megahertz (MHz). Quando si specifica la velocità del bus viene indicato anche il numero di bit trasportati contemporaneamente; ad esempio un bus da 33MHz a 16 bit è in grado di trasferire in un secondo 33 milioni di dati grandi 16 bit.
Il bus di comunicazione è parte della scheda madre di un PC che collega tra loro componenti come tastiera, mouse, video, hard disk, CPU, RAM, ecc. Questi componenti sono molto diversi tra loro, sia per il compito svolto che per la velocità a cui operano. Ad esempio un mouse o una stampante sono dispositivi lenti e possono essere scollegati anche a PC acceso; la RAM invece è velocissima e la sua sostituzione è complicata e va fatta a PC spento. Per questo motivo per i vari componenti si utilizzano non solo connettori diversi (quello USB ad esempio pratico ed economico) ma bus diversi.
Esistono due tipologie di bus:
I bus più utilizzati che troviamo nelle schede madri dei PC sono:
I dati e i programmi che utilizziamo quando usiamo un PC sono immagazzinati in forma digitale nei file. Ogni file è una specie di “contenitore di informazioni” conservato su un supporto di memorizzazione come un hard disk una chiavetta USB o un DVD. Questi supporti sono detti anche memorie di massa e possono contenere un gran numero di file in maniera permanente.
Nel sistema operativo Windows i dispositivi di memorizzazione sono chiamati unità e sono indicati con delle lettere; l'hard disk su cui è installato Windows è indicato dall'unità C:, gli altri dispositivi con altre lettere (ad esempio la nostra cartella di rete personale è indicata dall'unità Z:).
Per utilizzare dei dati o dei programmi dobbiamo aprire o leggere il file corrispondente, quando creiamo o modifichiamo dei dati dobbiamo salvare o scrivere il file su un supporto di memorizzazione. Non sempre è possibile salvare un file (non è possibile salvare su un DVD o un CD-ROM).
Le principali caratteristiche di un dispositivo di memorizzazione sono:
Queste caratteristiche cambiano da dispositivo a dispositivo; ad esempio i nastri magnetici usati per il backup hanno una buona capacità e un costo contenuto ma sono lenti, gli hard disk invece sono molto più veloci.
Il dispositivo di memorizzazione principale presente in ogni PC è l'hard disk (o disco fisso o disco rigido). E' un dispositivo magnetico con tempo di accesso ridotto e grande capacità adatto ad ospitare il sistema operativo, i programmi e i dati che devono essere conservati in modo permanente e utilizzati di frequente.
All'interno di un hard disk sono presenti dei dischi ricoperti di un materiale magnetico che ruotano velocemente. La lettura e scrittura sul disco sono effettuate da una testina che si posiziona su un'area precisa del disco e la magnetizza (scrittura) o ne rileva lo stato magnetico (lettura).
Nel sistema operativo Windows è possibile conoscere la capacità dell'hard disk di un PC cliccando col pulsante destro sull'unità corrispondente (in genere C:) e selezionando Proprietà. I computer odierni montano hard disk con capacità da 500GB a 2TB (terabyte, ossia migliaia di gigabyte).
Oggi sono piuttosto comuni anche i dispositivi rimovibili, così chiamati perché è possibile collegarli e scollegarli dal PC. Questo tipo di dispositivi sono utili per:
Un'altro tipo di dispositivi di memorizzazione sono le unità di rete, così chiamate perché permettono di leggere e salvare dati su hard disk di altri computer collegati in rete. Il vantaggio è quello di poter condividere i nostri dati o accedervi da più computer, purché collegati in rete con quello che ospita i nostri dati. I principali svantaggi, oltre ad una maggiore complessità, sono una velocità e una capacità ridotte. L'unità Z: nei PC del nostro laboratorio è una unità di rete e i dati contenuti in essa sono archiviati negli hard disk del server della nostra scuola posto nel laboratorio 16.
Il paragrafo approfondisce alcuni aspetti non essenziali sul funzionamento dell'hard disk.
Ogni hard disk contiene dei piatti rigidi ricoperti di un materiale magnetico su entrambe le facce. Ogni piatto è suddiviso in tracce (anelli concentrici), settori (una “fetta” del disco) e cluster (insieme di settori di una traccia vicini tra loro). Su entrambe le facce di ogni piatto si muove una testina che contiene un piccolo elettromagnete in grado di leggere o scrivere, rilevando lo stato magnetico o magnetizzando l'area su cui è posizionata la testina. Quando il PC è acceso i dischi ruotano continuamente a velocità elevata (7200 giri al minuto) in modo da accedere velocemente all'area dove sono contenuti i dati da leggere o scrivere.
Negli hard disk è presente anche la cache, una memoria simile alla RAM ma di dimensioni ridotte, utilizzata per memorizzare temporaneamente i dati vicini a quelli richiesti che probabilmente serviranno da lì a poco. Questo permette di ridurre il tempo di accesso e migliorare le prestazioni.
Gli hard disk molto delicati, specialmente quando sono in funzione. Basta un piccolo urto o una minuscola quantità di polvere per danneggiarli irreversibilmente.
I sistemi operativi utilizzano l'hard disk anche come memoria virtuale, cioè usando una parte del disco come se fosse memoria RAM aggiuntiva. Questo permette di liberare un po' di memoria RAM spostando una parte del suo contenuto sul disco, migliorando le prestazioni del computer quando troppi programmi in esecuzione occupano tutta la memoria disponibile.
Il CD-ROM e il DVD-ROM sono supporti di memorizzazione ottici digitali. Per utilizzarli serve un dispositivo chiamato lettore (può solo leggerli) o masterizzatore (può scrivere su alcuni tipi di supporti). La loro grande diffusione è dovuta al fatto che sono utilizzati per distribuire musica (CD) e film (DVD) da quando i supporti digitali hanno sostituito i vecchi supporti analogici (LP in vinile e videocassette). CD e DVD hanno avuto un grande successo anche nei PC: sono tuttora usati per distribuire programmi e, prima che esistessero le chiavette USB, erano il sistema più pratico per scambiare dati; per questo quasi ogni PC è dotato di un lettore o di un masterizzatore.
Esistono diversi tipi di supporti ottici, tutti compatibili con un normale lettore o masterizzatore:
Su alcuni di questi supporti è possibile solo leggere (CD, DVD, CD-ROM usati per distribuire programmi), altri possono essere creati col proprio PC (CD-ROM, DVD-ROM, CD-RW) inserendo dei file su un supporto vergine, cioè su un disco vuoto. Questa operazione è detta masterizzazione e può essere fatta una sola volta; una volta masterizzato il CD-ROM non è più possibile scrivere sul disco; non si possono aggiungere o cancellare dati dopo la masterizzazione. Un caso a parte sono i supporti riscrivibili, che dopo essere stati creati possono essere cancellati e nuovamente masterizzati.
I dispositivi ottici hanno caratteristiche molto diverse rispetto ai dischi rigidi: sono supporti interscambiabili, resistenti ed economici che permettono di archiviare dati in maniera sicura per molto tempo e sono facili da utilizzare perché quasi ogni PC è dotato di un lettore o un masterizzatore. Presentano però questi svantaggi:
Nei supporti ottici i dati sono memorizzati su un solo lato del disco e sono contenuti in forma digitale su delle tracce composte da una sequenza di minuscoli forellini. Il lettore di CD mette in rotazione il disco e legge i dati grazie ad una testina posizionata su una traccia. La testina emette un raggio laser e contemporaneamente rileva la luce riflessa dal disco, distinguendo le zone con i forellini da quelle che ne sono prive. Il risultato è una sequenza di bit (0 o 1) che è la rappresentazione digitale delle informazioni memorizzate sul disco. Nei masterizzatori, durante la scrittura, viene aumentata l'intensità del raggio laser, in modo da incidere dei forellini sulla superficie liscia del supporto vergine.
Quando accendiamo un computer questo non è immediatamente pronto per essere utilizzato - come una TV o uno stereo - ma occorre prima caricare il sistema operativo che si occuperà di gestire le risorse hardware e coordinare l'esecuzione dei programmi applicativi.
All'accensione vengono svolte una serie di operazioni:
Questo sequenza di operazioni, dall'avvio al caricamento del sistema operativo, viene chiamato boot (o bootstrap) e viene completato in un paio di minuti circa.
Il BIOS (Basic Input-Output System) è un tipo di programma che appartiene alla categoria dei firmware, software non modificabili che servono a far funzionare l'hardware. I firmware sono presenti in molti dispositivi elettronici - come TV, cellulari, lettori DVD - e in genere sono contenuti in un chip di memoria EEPROM (un particolare tipo di memoria che normalmente funziona in sola lettura ma che è possibile aggiornare). Nelle schede madri è possibile riconoscere il chip che contiene il BIOS accanto ad una piccola memoria CMOS (simile all RAM) che contiene le informazioni elaborate dal BIOS che vengono conservate in maniera permanente grazie a una batteria tampone. E' il BIOS ad occuparsi della fase POST, cioè a controllare quali dispositivi hardware sono collegati e se funzionano tutti correttamente. Se qualcosa va storto in questa fase viene emesso un “beep” e mostrato a video un messaggio di errore.
Il processo di boot è automatico ma è possibile interagire col BIOS premento alcuni tasti - indicati a video - nelle primissime fasi di avvio. In questo modo si accede ad un menu dal quale è possibile configurare alcuni parametri hardware del computer, impostare l'ora e la data o indicare in quale dispositivo cercare il sistema operativo. Di solito il sistema operativo è contenuto nel primo hard disk, ma potrebbe essere utile avviare il computer da un CD-ROM quando:
Può capitare che il sistema operativo sia stato danneggiato e non sia possibile avviare il PC normalmente; in questi casi Windows permette di avviare il computer in modalità provvisoria, cioè con funzionalità ridotte e caricando il minimo indispensabile del sistema operativo, per cercare di ripristinare il sistema.
In informatica chiamiamo periferiche i dispositivi di ingresso o di uscita collegati al PC. La periferica di uscita che è sempre presente in un PC è il monitor (o schermo o video). Oggi la quasi totalità dei monitor sono a schermo piatto a cristalli liquidi (LCD). Rispetto ai vecchi monitor a tubo catodico (CRT) presentano questi vantaggi:
Il fatto che lo stesso tipo di schermi sia usato anche per le TV ha permesso di abbassare notevolmente il prezzo dei monitor TFT. Gli unici difetti che presentano sono:
Le principali caratteristiche di un monitor sono:
Le immagini vengono formate sul monitor come un mosaico di tanti tasselli che possono assumere un determinato colore. Questi tasselli sono i pixel e, ovviamente, più ce ne sono e maggiore sarà la definizione dello schermo. La qualità delle immagini però non dipende solo dalla risoluzione ma anche dalle dimensioni dello schermo. Ad esempio lo schermo di un iPhone 4 ha una maggiore definizione di quella dei monitor nel nostro laboratorio; infatti anche se la risoluzione (960×640) è inferiore, tutti questi pixel sono concentrati in uno schermo di appena 3,5 pollici. Per poter confrontare schermi di dimensioni diverse allora si fa riferimento ai DPI (Dots Per Inch) dello schermo cioè il numero di punti contenuti in un pollice di lunghezza. Nell'esempio precedente il monitor del laboratorio ha un valore DPI minore di quello di un iPhone.
Con le stampanti è possibile può produrre output su carta. Le principali caratteristiche delle stampanti sono:
Esistono tante altre periferiche di uscita, ad esempio gli altoparlanti, e ci sono una serie di periferiche che sono sia di ingresso che di uscita, come gli schermi touchscreen montati su tablet e smartphone o le stampanti multifunzione con fax e scanner integrati.
Le principali periferiche di ingresso presenti in ogni computer sono la tastiera e il mouse, grazie ai quali controlliamo il PC, immettiamo data e digitiamo testi.
La tastiera è composta da una serie di tasti alfanumerici (lettere, numeri e simboli comuni), tasti funzione (da F1 a F12) e tasti di controllo (Ctrl, Alt, ecc.). Quando premiamo un tasto alfanumerico sul video compare il carattere corrispondente nella posizione indicata dal cursore, una barretta verticale che ci fa capire in quale punto del testo ci troviamo. Gli altri tasti non stampano caratteri ma hanno questi effetti:
Backspace (←) cancella il carattere a sinistra del cursoreCanc cancella il carattere a destra del cursoreHome e End, che spostano il cursore all'inizio o alla fine del testo, e i tasti PgSu e Pggiù (PgUp e PgDown) fanno scorrere il testo di una videataInsert cambia la modalità di inserimento del testo (sostituire o aggiungere caratteri)Tab (← →) aggiunge una tabulazione nel testo o permette di spostarsi tra gli elementi dell'interfaccia grafica di un programma (pulsanti, menu, campi di inserimento testo, ecc.)Shift (Maiusc o ↑) premuto insieme ad un tasto alfanumerico produce il carattere maiuscolo o quello indicato nella parte alta del tastoShift Lock (Bloc Maiusc) attiva e disattiva il blocco maiuscolo (come se il tasto Shift fosse costantemente premuto)Alt Gr premuto insieme ad un tasto alfanumerico produce il carattere indicato nella parte destra del tasto (se presente)Invio permette di andare a capo o serve a confermare un datoEsc ha un effetto diverso a seconda del contesto; in genere serve ad “uscire” o “annullare” un'operazioneF1 è spesso associato con la guida in linea di un programma o del sistema operativoStamp, Bloc Scorr e Pausa hanno effetti diverso a seconda del contesto (in genere Stamp salva un'immagine con la schermata)Alt e Ctrl premuti insieme ad altri tasti attivano alcune funzioni dei programmi (ad esempio premendo contemporaneamente Ctrl e C si copia il testo selezionato)Windows attiva il menu del sistema operativo WindowsCtrl posto a destra della tastiera ha lo stesso effetto di un click sul tasto destro del mouse e attiva il menu contestuale relativo alla posizione del cursoreNella parte destra delle tastiere è spesso presente un tastierino numerico, con tasti numerici e per le quattro operazioni aritmetiche, che facilita l'immissione di dati numerici e i calcoli.
Il mouse è un dispositivo di puntamento indispensabile per utilizzare le interfacce grafiche dei programmi (bottoni, menu, finestre, ecc.). Muovendolo possiamo spostiamo la posizione sullo schermo del puntatore, che ha la forma di una freccia ma può cambiare forma a seconda del contesto. Oggi i mouse funzionano grazie ad un sensore ottico posto nella parte inferiore che ne rileva i movimenti e dispongono di due tasti (sinistro e destro) e una “rotella” che funziona anche da terzo tasto.
Il tasto più importante è il sinistro:
Per completezza elenchiamo altre periferiche di input:
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