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Elementi
di Hardware e Software Quando si parla di computer ci si può riferire ad una ampia gamma di oggetti: dai grandi elaboratori che occupano intere stanze alle agendine elettroniche. E’ stata tuttavia l'introduzione dei PC (i personal computer) negli anni '80 a rendere familiare e ormai di uso quotidiano l'informatica: il primo PC fu un IBM dell'81, cui seguirono i cosiddetti "IBM compatibili", ossia computer costruiti da società diverse da IBM ma funzionanti con tutti i programmi che giravano sui PC IBM. Oggi l'impronta iniziale di IBM è talmente sfumata che non si parla più di compatibilità, gli standard sono mutati rapidamente, le generazioni di computer si sono succedute con ritmi sempre più veloci: si pensi soltanto che il primo (costosissimo) IBM era molto meno potente del più economico PC presente oggi sul mercato. Prima di parlare dei singoli componenti di un computer, bisogna innanzitutto chiarire la differenza tra hardware e software: l'hardware è l'insieme di dispositivi fisici di un computer, ossia l'unità centrale, il monitor, la tastiera, il mouse, la stampante, i dischetti; il software è dato dall'insieme dei programmi che permettono il funzionamento dell'hardware. Parlando di software occorre fare un'ulteriore distinzione tra sistemi operativi e programmi applicativi: i sistemi operativi rappresentano quei particolari programmi che vengono caricati per prima nei PC e che controllano il funzionamento interno del sistema, nonché le periferiche dell'elaboratore (stampanti, modem, scanner…); i programmi applicativi sono invece quelli che vengono caricati successivamente e presentano un'utilità particolare per l'utente: si tratta di volta in volta di programmi di video scrittura, fogli elettronici, archivi di dati, grafica, solo per citare i più comuni. 1 - Gli elementi hardware Gli elementi hardware di un PC possono essere classificati in due grandi categorie: l’unità centrale e le unità periferiche. L’unità centrale è un contenitore all’interno del quale sono alloggiati i componenti più importanti di un computer, quelli cioè che hanno il compito di immagazzinare ed elaborare i dati. Le unità periferiche (dette device in inglese), sono elementi hardware che permettono la comunicazione del computer con l’esterno. 1.1 L’unità centrale L'unità centrale, il cuore del computer, consiste in un contenitore metallico all'interno del quale sono alloggiate le unità di disco (unità di floppy disk, di CD-Rom e di disco fisso), la fonte di alimentazione e la scheda madre. Dischi e Unità dischi Prima di parlare di dischi occorre fare un cenno alle unità di misura utilizzate per definire la loro capacità. La cultura occidentale utilizza il sistema di numerazione decimale (ossia quello basato su dieci numeri, da 0 a 9), mentre i computer si basano su un sistema di numerazione binario, basato su due valori: 0 e 1. Ciò per un motivo fondamentale: gli elaboratori sono costituiti fondamentalmente da un insieme di circuiti elettronici che conosce solo due possibili stati: acceso (c'è corrente) o spento (non c'è corrente); inoltre con il sistema binario è possibile rappresentare gli stessi numeri di qualsiasi altro sistema di numerazione, solo occorrono più cifre (sequenze più lunghe di valori 0 e 1) per rappresentare lo stesso numero (si veda a fianco l'elenco dei primi 11 numeri del sistema binario corrispondenti a quelli del sistema decimale).
Ogni digitazione binaria è detta bit (dall'inglese binary digit), che può avere, come si è detto, due valori: 0 o 1. In informatica si lavora a livello di byte, ossia gruppi di 8 bit in sequenza: con un byte si può rappresentare qualsiasi carattere del codice ASCII, sia esso una lettera, un numero o un carattere speciale. Il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange) è un insieme di 256 caratteri, ciascuno dei quali è la "traduzione" nel sistema binario di tutti i caratteri alfanumerici e dei simboli utilizzati nei PC (256 è esattamente il numero delle combinazioni dei valori 0 e 1, presi 8 alla volta). Ad esempio, il carattere "C" maiuscolo ha codice ASCII 67, il numero "9" ha codice ASCII 57, e così via. Se premiamo il tasto ALT e, mantenendo la pressione, digitiamo uno qualsiasi dei numeri da 0 a 256, al rilascio del tasto ALT apparirà un carattere (ad eccezione dei codici da 1 a 31 che corrispondono a codici di controllo e non appaiono sullo schermo). I byte vengono utilizzati, tra l'altro, per misurare la capacità di memoria dei dischi: si parla, a tal proposito, di Kilobyte, Megabyte, Gigabyte e Terabyte (si veda lo specchietto riassuntivo):
I dischi sono strumenti atti ad immagazzinare dati e a renderli disponibili su richiesta dell'utente. Possiamo distinguere tre tipi di dischi: dischi fissi, floppy disk e compact disk (CD-Rom). I dischi fissi (hard disk) e i floppy disk sono dispositivi magnetici cui è possibile accedere tramite un'apposita testina di lettura/scrittura, mentre il CD è un disco di plastica del tutto uguale ai CD musicali, anche per quanto riguarda il sistema di lettura che avviene mediante raggio laser. Il floppy disk è una lamina magnetica inserita in un involucro di plastica. La sua superficie è divisa in tracce, paragonabili a cerchi concentrici, che a loro volta si dividono in settori; un disco fisso è costituito da un insieme di dischi magnetici impilati uno sull'altro e racchiusi dentro un contenitore metallico. Tra un disco fisso e un floppy ci sono tre fondamentali differenze:
I floppy disk attualmente utilizzati sono quelli da 3½' (3 pollici e mezzo), mentre quelli da 5¼ pollici, il primo tipo di floppy in commercio, costituiscono oggi poco più di una curiosità storica. Ve ne sono diversi tipi, ciascuno caratterizzato da una certa densità (la densità indica la capacità di incidere più o meno informazioni nella stessa superficie di disco):
A questo punto, chiariamo il significato dei fori presenti nella parte inferiore dei dischi: quello richiudibile da una finestrella scorrevole, presente in tutti i tipi di disco, ha una funzione di protezione del contenuto del floppy disk: quando la finestrella è aperta, la protezione è attivata e sul disco non vi si può scrivere, ma soltanto leggere i dati; se il foro è chiuso possiamo sia leggere i dati che modificarli, inserire nuovi dati, ecc. In generale si consiglia di attivare la protezione per quei dischi che contengono informazioni importanti che non si può rischiare di perdere accidentalmente, come per esempio le copie di sicurezza di file che si desidera conservare. L'altro foro, presente solo dei floppy HD e ED, ha la funzione di permettere all'elaboratore di distinguere i floppy disk da 720K da quelli di 1,44MB di 2,88MB attraverso un sensore ottico. Il CD-Rom è un dispositivo di sola lettura: l'utente può eseguire i programmi registrati nel disco, senza potervi scrivere sopra, esattamente come un floppy disk protetto dalla scrittura. La capacità di un CD-Rom è notevole: può immagazzinare dati per centinaia di MB, per questo motivo sono usati principalmente come archivi di documenti, dizionari, libri, oltre che, naturalmente, per commercializzare programmi di grandi dimensioni. Il vantaggio di usare i CD invece dei floppy in questo caso è evidente: risulta molto più pratico, comodo e conveniente consegnare un unico CD-Rom che una collezione di decine e decine di floppy; per non dire della comodità di installazione, dal momento che l'utente non è costretto ad inserire continuamente dischetti. Infine, con il CD-Rom non si è in presenza di una testina che entra in contatto con una superficie, come per i dischi magnetici (floppy e disco fisso), ma di un raggio laser che legge a distanza: così non esiste neanche una vaga possibilità che la superficie del disco si logori per l'uso. Le unità di disco rappresentano gli alloggiamenti per i dischi, sia i floppy, che i CD, che l'hard disk, nonché il dispositivo atto a leggere le informazioni ivi contenute. Così come esistono diversi tipi di floppy, abbiamo altrettanti tipi di unità di disco, ognuno con caratteristiche diverse. In generale possiamo dire che tra le unità e i relativi dischetti si stabilisce una compatibilità ascendente, nel senso che le unità ad alta densità possono lavorare con dischi sia ad alta che a doppia densità, mentre le unità a densità doppia possono lavorare solo con dischi di densità uguale. Le unità a densità extra sono le più versatili, in quanto riconoscono floppy disk da 720K, da 1,44MB e da 2,88MB. Le unità CD-Rom sono in grado di leggere compact disk sia di dati che di musica (grazie ad un'apposita uscita audio) e si comportano esattamente come le unità di disco fisso: l'utente può eseguire i programmi immagazzinati nel disco (può copiare i file dal CD-Rom al disco fisso), senza però poter scrivere in esso. Sulla fonte di alimentazione basta dire che ha il compito di fornire corrente elettrica agli altri dispositivi dell'unità centrale, la scheda principale e le unità di disco; essa è fornita di un ventilatore per diminuire il calore disperso dai circuiti elettronici della scheda principale. Scheda madre La scheda madre, è una scheda di circuiti integrati (chip) che collega tutti i componenti dell'elaboratore. I componenti fondamentali di una scheda madre sono, a grandi linee, il microprocessore, la memoria e gli alloggiamenti di espansione. Il microprocessore (indicato spesso con la sigla CPU, dall'inglese Central Process Unit, ossia Unità Centrale di Elaborazione), costituisce il vero e proprio cervello del computer, in quanto tutti i dati immessi devono passare obbligatoriamente per il microprocessore in modo da essere elaborati: esso è composto da una unità di controllo che interpreta le istruzioni da eseguire, una unità aritmetico-logica che esegue le operazioni matematiche o logiche e una zona di immagazzinamento dove vengono custoditi i dati in fase di elaborazione. Esistono diversi tipi di microprocessore, ciascuno caratterizzato da una potenza diversa e da una maggiore o minore velocità di esecuzione: se l'utente desidera aumentare la velocità del proprio computer non è costretto a cambiare tutta la scheda madre, basta che tolga il microprocessore dallo zoccolo nel quale è inserito e ne metta un altro più potente in uno zoccolo extra chiamato Overdrive. Prima di descrivere brevemente i vari tipi di microprocessore, è necessario parlare di memoria. Il concetto di memoria è semplice: un microprocessore non riceve i dati direttamente dalla tastiera, né li invia direttamente sullo schermo, ma esiste una zona di immagazzinamento temporaneo, la memoria RAM, che serve come luogo di passaggio obbligatorio per accedere al microprocessore. In realtà, quando si parla di memoria occorre fare riferimento a due tipi di memoria, la memoria RAM e la memoria ROM. La RAM (Random Access Memory, memoria ad accesso casuale) è un tipo di memoria volatile di lettura e di scrittura: "volatile" significa che il suo contenuto si perde non appena si spegne il computer; l'espressione "di lettura e scrittura" indica che l'utente può leggervi e può scrivervi (cioè caricarvi dati) quante volte vuole. La RAM è in altre parole una memoria di lavoro: tutte le volte che si esegue un programma, il sistema operativo carica il suo contenuto dal disco nella memoria RAM, e da quel momento in poi si può lavorare con quel programma. Prima di spegnere il computer occorre naturalmente "salvare" il lavoro, cioè copiarlo su un disco, se non si vuole perderne il contenuto. La ROM (Read-Only Memory, memoria di sola lettura) è una memoria non volatile di sola lettura. Dunque si tratta di memoria non volatile, in quanto i programmi non si perdono a computer spento ma restano impressi nei chip ROM per sempre (tranne che non li si cancelli a bella posta); inoltre le informazioni in essa contenute sono immodificabili da parte dell'utente, il quale può soltanto leggere (ed eseguire) i programmi, ma non può scriverci sopra. La memoria RAM viene utilizzata per eseguire i programmi applicativi, poiché l'utente "scrive" (cioè carica) il programma che desidera utilizzare in memoria tutte le volte che si rende necessario. La memoria ROM invece è ideale per memorizzare le routine di base a livello di hardware, per esempio il programma di inizializzazione che fa partire il computer e gestisce il controllo della memoria e dei dispositivi presenti: quando si accende un computer, questo programma è il primo che si avvia e cerca subito un sistema operativo nel disco fisso, cedendogli il controllo appena lo trova. È evidente il disastro causato da un caricamento di un simile programma sulla memoria RAM: allo spegnimento del computer, il programma di inizializzazione andrebbe perso e alla successiva accensione nessun programma sarebbe in grado di far partire l'elaboratore. Gli alloggiamenti di espansione sono zoccoli longitudinali dove si possono installare schede per aumentare le prestazioni del sistema, e rappresentano un metodo alternativo per aggiungere nuovi dispositivi hardware al computer, rispetto al collegamento del dispositivo ad una porta o interfaccia dell'elaboratore. A questo punto possiamo descrivere lo schema generale di funzionamento di un computer: la tastiera e il mouse sono dispositivi di input, servono cioè ad introdurre dati; il monitor e la stampante sono dispositivi di output, presentano all'utente i risultati generati dal computer; la memoria RAM e i dischi hanno il compito di conservare i dati, in forma temporanea o permanente; il microprocessore, infine, è il cervello che coordina e controlla tutte le operazioni. Il flusso di dati è unidirezionale dalla tastiera alla memoria RAM e da quest'ultima al monitor, mentre è bidirezionale tra RAM e dischi e tra microprocessore e RAM: in ogni caso è importante notare come qualsiasi flusso di dati passi per la memoria RAM affinché, da lì, possa essere letto ed elaborato dal microprocessore. Riteniamo opportuno, adesso, chiarire alcuni aspetti relativi al funzionamento alla memoria e alla sua interazione col microprocessore. La memoria RAM è formata da migliaia e migliaia di piccole celle di memoria, ciascuna con capacità di un byte, ossia, come si è detto, una sequenza di 8 bit che, opportunamente combinati tra loro, possono rappresentare uno qualsiasi dei 256 caratteri ASCII. Ogni cella di memoria si identifica tramite un indirizzo, allo stesso modo in cui ogni casa in cui abitiamo è identificata in maniera univoca da un indirizzo e da un numero. Il numero di celle che esistono in un computer dipende ovviamente dal numero di chip installati, ma la capacità complessiva dipende anche dal numero di indirizzi di celle che il computer riesce a definire. Per definire gli indirizzi delle celle il computer
utilizza il bus di indirizzi: questo è costituito da un certo numero di
linee di 1 bit ognuna, attraverso le quali viaggiano in parallelo gli indirizzi
di
In altre parole, 10000011 è l'indirizzo della cella di memoria 67, la quale immagazzinerà un dato valore: è importante notare la differenza tra l'indirizzo di una cella di memoria (che identifica la posizione della cella nel complesso delle celle di memoria) ed il contenuto della cella (ossia uno dei 256 byte). Immaginiamo adesso che un computer disponga di un bus di indirizzi di 2 linee: con sole 2 linee di 1 bit, il computer può fare riferimento solo a 4 indirizzi di celle per volta: 00, 01, 10 e 11. E se ci sono solo 4 indirizzi, si può accedere solamente a 4 celle di memoria di 1 byte; cioè si può accedere a 4 byte, malgrado la presenza di una memoria RAM, per dire, di 8MB. È chiaro che non esistono computer con un bus di indirizzi di 2 linee, ma l'esempio appena mostrato ci dice una cosa molto importante: una memoria capace non è sufficiente, in quanto, affinché questa possa essere interamente utilizzata dal computer, occorre anche un adeguato bus di indirizzi. Dal momento che per ogni linea del bus possono passare solo due valori (0 e 1), il numero massimo di indirizzi di n linee corrisponde al numero di combinazioni di 2 elementi presi a n a n, cioè 2 elevato a n (2n): se il bus di indirizzi ha 2 bit, il numero massimo di indirizzi è pari a 4 (22); se ha 3 bit, il numero massimo di indirizzi è 8 (23), ecc. Una delle principali differenze tra i microprocessori riguarda proprio il numero di linee del bus di indirizzi, e l'evoluzione dei microprocessori ha riguardato in primo luogo il bus di indirizzi. Il microprocessore 8086 (ed anche l'8088) aveva un bus di indirizzi di 20 bit (20 linee di 1 bit), sicché il numero massimo di indirizzi che si potevano identificare era 1.048.576 (220), vale a dire 1024K (1MB, se si preferisce). Si può dire, grosso modo, che i 1024K si dividono in due blocchi: i primi 640K - da 0 a 640K - si chiamano memoria convenzionale e i rimanenti 384K - da 640K a 1024K - si chiamano memoria superiore (vedremo più avanti il significato di questi diversi tipi di memoria). La seconda generazione di microprocessori, i 286, hanno un bus di indirizzi di 24 bit, il che permette di gestire 16MB di memoria (224 = 16.777.216): i primi 1024K si suddividono come sopra; la memoria tra 1024K e i 16MB viene denominata memoria estesa (vedi lo schema alla pagina seguente). Il microprocessore 386DX ha un bus di indirizzi di 32 bit, con il quale si possono indirizzare fino a 4096MB di memoria (232). Anche in questo caso la memoria che eccede i 1024K è detta memoria estesa. Il 386SX è pensato come soluzione intermedia tra il 286 e il 386DX: dal punto di vista delle applicazioni eseguibili è del tutto uguale al 386DX, solo ha una velocità inferiore ed una memoria massima indirizzabile di 16MB: da quest'ultimo punto di vista è assimilabile al 286. Il 486, presentato nel 1991, è anch'esso un microprocessore a 32 bit, ma ha una velocità e una potenza notevolmente maggiori rispetto al 386 in quanto incorpora un coprocessore matematico, cioè uno speciale chip che si occupa di svolgere ad alta velocità le operazioni matematiche, alleggerendo il lavoro del microprocessore centrale. Schema generale della mappa di memoria di un computer
Anche il Pentium, la quinta generazione dei microprocessori, è a 32 bit; anch'esso incorpora un coprocessore matematico, ma integra più di 3 milioni di transistor, contro il milione e mezzo circa del 486 e i 28.000 dell'8086. Abbiamo visto che la memoria si classifica in tipi diversi secondo il suo posizionamento nella mappa generale della memoria:
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memoria.
Per specificare un indirizzo di memoria si invia 1 bit alla volta per tutte le
linee e il numero che ne risulta è l'indirizzo di memoria. Per esempio,
immaginiamo che un computer invii in un certo momento il bus di indirizzi di 8
bit che si vede a lato (cioè di 8 linee di 1 bit ognuna): ogni linea invia 1
bit (uno 0 o un 1) e l'indirizzo che ne risulta è 10000011, che corrisponde al
valore decimale 67.
