Capitolo 3

Lezione 3. Costituenti base di un computer. Hardware

La C.P.U.
Il termine Informatica è il neologismo nato dalla fusione di due parole “informazione “e “automatica”. Identifica, quindi, la scienza che si occupa di studiare e sviluppare i processi di automazione della gestione delle informazioni. Lo strumento tecnologico con cui le informazioni vengono gestite automaticamente è il Computer, una parola derivata dal verbo latino “Computare” la cui traduzione significa “Calcolare”, per cui un Computer è (riducendo ai minimi termini il concetto) un Calcolatore di Informazioni che vengono sottoposte ad un processo di elaborazione sotto forma di segnali elettrici digitali da una unità di calcolo centrale chiamata in gergo tecnico C.P.U., acronimo di Central Processing Unit. L’elaborazione di segnali elettrici avviene elaborando interminabili catene di 0 e 1, che rappresentano per convenzione le due diverse cariche elettriche. La disposizione intervallata delle sequenza di 0 e 1 sono alla base della codifica numerica che viene utilizzata nella programmazione informatica per dare le istruzioni di esecuzione ai componenti Hardware del Computer su come si deve comportare. Il programma di comando di esecuzione di un Computer prende il nome di “linguaggio macchina”. Ogni tipo di C.P.U. ha bisogno di uno specifico “linguaggio macchina” come vedremo nelle seguenti lezioni. Un Sistema Operativo, il cui significato approfondiremo più tardi, è scritto nel “linguaggio macchina” necessario alla tipologia di C.P.U. di cui è dotato il Computer.
Naturalmente, la C.P.U. di un Computer non si limita a svolgere solo “semplici” calcoli aritmetici per impartire le istruzioni di funzionamento di base agli altri componenti dell’elaboratore ma, attraverso calcoli aritmetici più complessi eseguiti ad un’altissima velocità, elabora le informazioni, i dati immessi dall’utente attraverso le cosiddette periferiche di immissione o acquisizione dei dati.
Tutti i dati immessi vengono codificati in sequenze numeriche, trasformati in segnali elettrici, secondo la disposizione intervallata 0-1 vista prima e, in tal modo, vengono “processati” dalla C.P.U. che li restituisce elaborati, in altra forma digitale. Se volessimo fare un paragone molto riduttivo con qualcosa di fisico molto vicino a noi, immaginate la sequenza di 0-1 come una sequenza dei quattro costituenti di base di una catena di DNA. Così come la mappa della disposizione in sequenza delle singole unità di base che compongono la catena di DNA, fornisce le informazioni con cui viene costruita una cellula organica, nella stessa misura una sequenza di informazioni digitali 0-1 contiene le informazioni con cui un elaboratore costruisce una lettera parte di una parola o un pixel parte di un’immagine.
La C.P.U., dunque, è la componente essenziale e primaria di ogni computer: possono esistere computer senza ogni altro componente accessorio, senza schermo o senza tastiera, ma non possono esistere computer senza uno o più processori di calcolo.
E, infatti, un processore, appositamente pre-programmato, può divenire un componente prezioso di ogni macchinario che debba eseguire compiti diversi in situazioni diverse: dalla lavatrice, in cui il microprocessore controllerà i programmi di lavaggio, al televisore, in cui permetterà di selezionare e memorizzare, ad esempio, i dati di frequenza e le preferenze relative ai canali; all'automobile, in cui controllerà e regolerà il funzionamento meccanico delle varie componenti. In quest’ultimo caso lo strumento si dice computerizzato, o più precisamente, “a controllo numerico”.
La maggior parte delle C.P.U. attuali sono composte da tre elementi fondamentali:
- Unità Aritmetico-Logica che si occupa di effettuare i calcoli aritmetici e le operazioni logiche;
- Unità di Controllo che decodifica le varie istruzioni scandendo il tempo per la loro esecuzione. Maggiore è la velocità con cui è capace di scandire maggiore è il numero di operazioni che il processore riesce ad elaborare nell’unità di tempo;
- Una o più memorie Cache, file di spazi ordinati in cui il processore mette temporaneamente i dati su cui sta lavorando, prima di inviarli alle altre parti del computer. Maggiore è la memoria cache di un processore, maggiore è la quantità di dati che riesce ad elaborare nell’unità di tempo.
Il funzionamento di base di un computer, dunque, è riconducibile a tre fasi:
- Fase di input [dall’inglese to put-in: immettere] che indica il momento dell’introduzione dei dati da elaborare;
- Fase di data-processing: in cui i dati immessi vengono elaborati dalla C.P.U.;
- Fase di output: in cui il computer restituisce i dati elaborati, all’utente

MotherBoard
La scheda madre (in inglese motherboard o mainboard) o scheda di sistema è una parte fondamentale di un microcomputer: raccoglie in sé tutti i circuiti elettronici di interfaccia fra i vari componenti principali e fra questi e i canali di comunicazione interni (Bus) di espansione e le interfacce verso l'esterno. È responsabile della trasmissione e della gestione del tempo di trasmissione corretto di molte centinaia di segnali diversi, tutti ad alta frequenza e tutti sensibili ai disturbi: per questo la sua buona realizzazione è un fattore determinante per la qualità e l'affidabilità dell'intero computer.
Sulla motherboard viene alloggiata in connessione diretta una o più C.P.U. attraverso la C.P.U. Socket, la quale deve essere tecnicamente compatibile con il tipo di processore installato e la memoria primaria dell’elaboratore (memoria RAM).

I Dati in un computer per l’elaborazione possono essere immessi dall’utente in modo manuale o automatico tramite altri componenti e strumenti che vengono chiamati dispositivi o periferiche.
Tali dispositivi vengono distinti in dispositivi di input.
Le informazioni elaborate dal computer vengono restituite al mondo esterno tramite altre periferiche chiamate dispositivi di output.

Periferiche di Input
Tra i dispositivi di input ricordiamo quelli immediatamente associabili ad un personal computer:

La tastiera.
Assomiglia a quelle delle macchine da scrivere, ma ne esistono anche di altri tipi. Quelle standard, di tipo anglosassone, hanno la W che segue la Q, mentre quelle italiane hanno la Z al posto della W e la M vicino alla L e non alla N. Esistono le tastiere “estese” che, rispetto a quelle standard, hanno un numero di tasti maggiore, con un numero aggiuntivo di caratteri. Su una tastiera esistono tasti con funzioni diverse. Oltre a quelli con i simboli alfanumerici e della punteggiatura (per l’immissione delle parole e dei numeri) ci sono:
i Tasti funzione, utili ad impartire istruzioni per specifiche funzioni di comando, predefinite, come i tasti F1, F2 etc. e i tasti speciali come “Ctlr” e “Alt” che, associati ad altri tasti presenti sulla tastiera, impartiscono altre funzioni accessorie al computer.
I tasti di direzione, contraddistinti da frecce, sono molto importanti perché consentono al cursore di muoversi in tutte le direzioni sul monitor del computer.
Il tastierino numerico (sempre presente sulle tastiere desktop, non sempre su quelle dei computer portatili) consente di effettuare anche le 4 operazioni aritmetiche di base utilizzando la tastiera come una calcolatrice dopo aver aperto il “programma calcolatrice”

Il mouse e i cosiddetti altri sistemi di puntamento, come la tavoletta grafica, la penna ottica, il mouse ottico. Il mouse, come abbiamo visto, inventato da Douglas Engelbart, ha rivoluzionato il concetto di immissione dei dati, consentendo di sviluppare l’interfaccia grafica degli attuali sistemi operativi, rendendo l’uso del computer alla portata di tutti. Per coloro che si cimentano, sia per hobby che per lavoro, nella grafica computerizzata, le tavolette grafiche, si rendono molto utili per il disegno artistico, a mano libera e per il fotoritocco, come ausilio per la creazione di disegni e schizzi, usando una apposita penna sul supporto. Il movimento della penna viene riconosciuto dalla tavoletta e si ha, quindi, la sensazione del disegno a mano libera, grazie anche al fatto che ormai le tavolette sono sensibili alla pressione e sono quindi in grado, in combinazione con un software grafico, di interpretare tale pressione per variare dinamicamente, lo spessore della linea o l’intensità del colore. Oggi in commercio si trovano tavolette grafiche di ridotte dimensioni ed economiche per un uso anche destinato ai bambini. La descrizione di questo strumento può essere utile al Mediatore della Cultura Digitale per introdurre al suo interlocutore usi domestici alternativi a quelli solitamente immaginati, del computer. Estratto dahttp://it.wikipedia.org/wiki/Tavoletta_grafica

Lo scanner, un dispositivo in grado di acquisire informazioni da fogli stampati, pagine di libri, riviste, fotografie e diapositive. Tramite lo scanner, l’elaboratore acquisisce in modalità ottica l’informazione interpretandola come un insieme di pixel e, quindi, di restituirne la copia fotografica sotto forma di immagine. Successivamente, l'utente potrà modificarla mediante appositi programmi di grafica per il fotoritocco o, nel caso di una scansione di un testo, di convertirla in un file di testo mediante specifici programmi chiamati O.C.R. Questo è un altro dispositivo digitale a disposizione del Mediatore della Cultura Digitale, la cui descrizione delle potenzialità servirà per introdurre al suo interlocutore usi domestici del computer alternativi a quelli solitamente immaginati.

Il microfono
La sua utilità nella Cultura digitale rimane la stessa di quella comunemente conosciuta. Il Mediatore della Cultura Digitale potrà descrivere le sue funzioni, utili anche per la messaggistica voce istantanea e nell’uso di programmi telefonici VOIp come Skype

Altri numerosi dispositivi digitali sono in grado di convertire le informazioni provenienti dal mondo fisico in informazioni digitali elaborabili da un computer. Come tutti gli strumenti di misura digitali, i lettori di codici a barre; una telecamera o una fotocamera digitale.

Periferiche di Output
Come abbiamo visto, le informazioni elaborate dal computer vengono restituite al mondo esterno tramite altri dispositivi chiamati periferiche di output.

Tra i dispositivi di output più consueti, ricordiamo:

Il monitor. Si divide nelle due grandi famiglie dei monitor CRT e monitor LCD/Plasma.

Il monitor CRT (da Cathode Ray Tube) è un monitor a tecnologia ideata già a partire dal 1897 dal tedesco Carl Braun e sviluppata dall’americano Farnsworth. Oggi la tecnologia CRT sta diventando velocemente obsolescente a causa dello sviluppo a bassi costi della tecnologia LCD o Plasma, nonostante essa sia ancora in grado di restituire immagini con colori più fedeli alla realtà e una maggiore velocità di reazione nella risposta del dato ricevuto dal computer; tale velocità è un requisito tecnico necessario e, ad esempio, è molto apprezzato nella visualizzazione dei videogiochi dove tempi di reazione bassi significano per i giocatori sequenze d’immagini che possono bloccarsi.

Uno schermo LCD (Liquid Crystal Display), o a cristalli liquidi, è uno schermo sottile e leggero senza nessuna parte mobile. Esso è composto da un liquido intrappolato in numerose celle. Tutte le celle sono riposte in mezzo ad appositi filtri polarizzatori della luce disposti in maniera ortogonale tra loro. Ogni cella è provvista di contatti elettrici in modo da poter applicare un campo elettrico al liquido che contiene. Quando il campo elettrico non viene applicato, la luce può passare attraverso l'intera struttura e lo schermo appare quasi trasparente. Quando il campo elettrico viene attivato le molecole del liquido si allineano parallelamente o trasversalmente al campo elettrico, limitando o meno la penetrazione della luce immessa. Se i cristalli sono completamente allineati col campo, la luce che vi passa attraverso è polarizzata perpendicolarmente al secondo polarizzatore, bloccandosi del tutto. Il pixel, in tal caso, non apparirà illuminato. Controllando la torsione dei cristalli liquidi in ogni pixel, si può controllare quanta luce far passare, illuminando con maggiore o minore quantità di luce il pixel. Il colore viene controllato, dividendo ogni cella - che corrisponde alla misura di un pixel - in tre parti. Ad ognuna di esse viene applicato un filtro: uno di colore blu, uno verde e il terzo rosso; il computer, pilotando la variazione della quantità di luce immessa in ciascuna delle tre sezioni di ogni pixel, colora ogni singolo pixel che costituisce un’immagine.
Compreso il funzionamento base di uno schermo LCD risulta evidente che un moderno televisore LCD, in effetti, è un dispositivo a controllo numerico con un processore in grado di elaborare le informazioni ricevute con il segnale televisivo, allo scopo di pilotare la luce all’interno dello schermo stesso.
La grandezza dello schermo si misura in diagonale utilizzando il pollice come unità di misura. I più grandi arrivano, oggi, alla misura di circa 65 pollici. Sono adatti alla visione della TV ad alta definizione, con una risoluzione di 1920x1080 pixel.
Una delle caratteristiche principali degli schermi a cristalli liquidi è il basso assorbimento di potenza elettrica, caratteristica che li rende particolarmente indicati per essere usati come monitor di apparecchiature alimentate da batterie elettriche, come i computer portatili o i PDA, o il semplice orologio.
Esistono due tipi di schermi LCD: uno a matrice attiva ed uno a matrice passiva.
Senza addentrarci in ulteriori approfondimenti tecnici, è bene sapere che uno schermo a matrice attiva restituisce immagini più nitide e molto più luminose di uno schermo a matrice passiva.

Il videoproiettore. Come il monitor è una periferica utilizzata per visualizzare dati di output su uno schermo di dimensioni normalmente molto superiori a quelle consentite dall'utilizzo di comuni televisori, siano essi di tipo CRT o LCD/Plasma. Nel caso del videoproiettore, infatti, lo schermo è costituito da un pannello bianco (che può essere una parete o un telone di materiale appositamente progettato) di notevoli dimensioni sul quale viene proiettata l'immagine, fissa o in movimento.

La stampante. È la periferica di output che consente il trasferimento - su carta o su altri materiali - di dati digitali processati da un computer. La stampante può trasferire su supporti fisici dati di informazioni sia per la riproduzione di immagini bidimensionali che di modelli di oggetti tridimensionali.
A seconda della tipologia di tecnologia impiegata, le stampanti possono essere suddivise in famiglie; tralasciando quelle ad impatto (che usano tecnologie oramai obsolete) e quelle a matrici di aghi (per lo più impiegate in alcuni specifici ambiti di lavoro) o a carta termica, quelle più orientate all’attuale mercato di consumatori della stampa digitale sono:

Stampanti a getto d’inchiostro: rappresentano la tipologia di stampanti che hanno avuto il maggiore successo nel mercato di consumo di massa, grazie al basso costo di acquisto, alla maneggevolezza ed alla buona resa della stampa a colori.
La stampante funziona per mezzo di alcune centinaia di microscopici ugelli che spruzzano minuscole gocce di inchiostro a base di acqua sulla carta durante lo spostamento del carrello.
La risoluzione e la qualità di stampa fornite dalle migliori stampanti, raggiunge livelli paragonabili alla fotografia tradizionale, ma solo utilizzando carta la cui superficie sia stata opportunamente trattata per ricevere l'inchiostro.
Il problema più importante di questa tecnologia è che l'inchiostro nelle testine si può essiccare facilmente diventando frequente causa di malfunzionamenti. Un altro svantaggio è dato dall'elevato costo per copia stampata, se confrontato con le altre tecnologie.

Stampanti laser: tecnologia che deriva direttamente da quella comunemente impiegata nelle fotocopiatrici, alle quali tutti siamo abituati.
In sintesi, un raggio laser infrarosso viene modulato secondo la sequenza di pixel che deve essere impressa sul foglio. Viene poi deflesso da uno specchio rotante su un tamburo fotosensibile elettrizzato che si scarica dove colpito dalla luce. L'elettricità statica attira una fine polvere di materiali sintetici e pigmenti, il toner, che viene trasferito sulla carta (sviluppo). Il foglio passa poi sotto un rullo riscaldato che fonde il toner facendolo aderire alla carta (fissaggio). Per ottenere la stampa a colori si impiegano quattro toner: nero, ciano, magenta e giallo, trasferiti da un unico tamburo oppure da quattro distinti.
Per semplificarne la gestione, nelle stampanti laser monocromatiche moderne, il toner e il tamburo fotosensibile sono inclusi in un'unica cartuccia.

Stampanti a trasferimento termico o sublimazione: è una tecnologia che usa una carta rivestita di una plastica che contiene del pigmento che si trasferisce sulla carta grazie al calore impresso dalla stampante. Tecnologia poco usata perché offre una qualità di risoluzione non molto alta ma, in alternativa, produce una stampa che dura nel tempo.

Al momento dell’acquisto di una stampante è importante conoscere la velocità di stampa (misurata in pagine per minuto “ppm”) e la risoluzione di stampa (misurata in DPI di altezza x DPI di lunghezza).

Porte di comunicazione dei dati
La C.P.U. comunica con le periferiche - per acquisire dati da elaborare o restituire dati processati - attraverso delle interfacce cosiddette porte di comunicazione.

Esistono due tipi di porte di comunicazione; le porte seriali e le porte parallele.

Nelle porte seriali (porte COM) il trasferimento di dati avviene un Bit alla volta, creando serie di bit che si trasferiscono una dietro l’altra. Alle porte COM, con connettori standard, vengono solitamente collegate periferiche come il mouse, la penna ottica, lo scanner, il modem.

Nelle porte parallele (porte LPT) il trasferimento avviene a gruppi di 8, 16 o 32 Bit alla volta. Alle porte LPT vengono collegate le stampanti

Da qualche anno, però, sono state introdotti ulteriori standard di tecnologie di parziale sostituzione delle classiche interfacce di connessione (verso e da dispositivi periferici) delle porte di comunicazione, di più facile uso.

Porte USB (Universal Serial Bus): è uno standard di comunicazione di tipo seriale che consente ad un unico gestore di dati di far comunicare più periferiche contemporaneamente con un computer.
Lo standard USB versione 2.0 (la versione 1.0-1.1 è diventata obsoleta) consente velocità di trasferimento che arrivano anche fino a 480 Mbit/s.
Questa velocità cosi elevata consente all'USB di competere con lo standard FireWire ad armi quasi pari. Infatti lo standard USB ha delle limitazioni di carattere tecnico che ne sconsigliano l'utilizzo su telecamere e dispositivi che manipolano flussi di dati video.
La porta USB può collegare periferiche quali mouse, tastiere, memoria di massa a stato solido e a disco rigido, scanner d'immagini, macchine fotografiche digitali, stampanti, casse acustiche, microfoni e altro ancora.

Il FireWire (standard IEEE 1394), è un'interfaccia standard per una porta seriale che supporta due diverse modalità di trasferimento dati: asincrona e isocrona. La trasmissione asincrona avviene quando il dato spedito viene ricevuto dall'altra parte del cavo. Nel caso in cui la linea non fosse libera, viene nuovamente inviato. La modalità isocrona prevede un invio di dati attraverso il flusso continuo in tempo reale. Questa tecnologia è stata sviluppata appositamente per la gestione di dati audio-video che, per la loro peculiarità ed il loro formato di archiviazione, necessitano di uno standard più stabile. In questo standard si possono acquisire, con un certo grado di certezza che le informazioni non vadano perdute, dati dagli apparecchi digitali come macchine fotografiche e soprattutto videocamere digitali.

Memorie Centrali

John Von Neumann, nel concettualizzare la progettazione di un calcolatore, divise in un due parti l’elaboratore, una destinata al calcolo, detta processore, ed una parte destinata alla memorizzazione. La seconda parte contiene sia i dati su cui il processo di calcolo opera, sia i programmi che istruiscono il processore riguardo quali calcoli effettuare. Ancora oggi è mantenuta questa impostazione.
Una memoria in informatica può essere considerata astrattamente come una sequenza finita di celle, in cui ogni cella contiene una sequenza finita di dati informatici di base detti Bit (approfondiremo la loro definizione nel prossimo capitolo); le operazioni che una memoria digitale può eseguire sono due: “scrittura” e “lettura”.
Nella maggioranza delle architetture i Bit sono gestiti a gruppi di otto, che come vedremo, sono detti Byte. Pertanto lo spazio fisico della memoria può essere pensato come una sequenza di locazioni, ognuna contenente un Byte.
Ogni locazione di dati memorizzati è individuata da un preciso indirizzo normalmente indicato da un numero intero positivo.
Le memorie dei computer sono costruite con diverse tecnologie, che forniscono prestazioni a costi molto variabili tra loro.
I programmi che istruiscono la C.P.U. riguardo quali calcoli effettuare hanno bisogno di una memoria veloce, molto veloce, per stare al passo con la velocità di calcolo del processore.
La memoria necessaria ad archiviare i dati, già processati o acquisiti attraverso le periferiche, può essere più lenta ma deve essere, viceversa, capace abbastanza da immagazzinare il maggior numero di dati possibile.
Nell’accezione comune per le memorie veloci ma dall'alto costo unitario si usa l'espressione "memoria centrale" o "memoria primaria", mentre per le memorie dal basso costo unitario, ma lente, si usa l'espressione "memoria di massa" o "memoria secondaria".
Una memoria primaria, come abbiamo visto, è collegata alla scheda madre direttamente tramite dei connettori. Esistono varie tipologie di memorie primarie:

Memoria RAM (Random Access Memory), ovvero "memoria ad accesso casuale", è la memoria in cui vengono caricati i dati che devono essere utilizzati dal calcolatore per l’elaborazione. La memoria RAM può essere volatile (si cancella spontaneamente in mancanza di elettricità), statica o tamponata (mantiene l'alimentazione anche a macchina spenta).
Memoria Cache RAM, come abbiamo visto, è la memoria integrata nel processore che ha la caratteristica di essere molto veloce e, per l'elevato costo, viene impiegata esclusivamente per contenere i dati e le istruzioni utilizzati più di frequente dal processore

Memoria ROM (Read Only Memory) - ovvero "memoria di sola lettura” - è una memoria permanente (cioè ha un contenuto fisso che non può essere cancellato ed inoltre non è volatile), è installata sulla motherboard per fornire le istruzioni della routine di avvio che la C.P.U deve caricare quando si accende il computer per consentire l'avvio del sistema.

Memoria EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), ovvero memoria ROM cancellabile e programmabile", che è una memoria in sola lettura, ma che ha la particolarità di poter essere cancellata in particolari condizioni. È un tipo di memoria usata per i processori che controllano le macchine a controllo numerico.

Memoria MRAM (Magnetic RAM), ovvero "RAM magnetica", è una memoria ad accesso casuale di “nuova generazione”, che utilizza le proprietà del magnetismo, al posto di una serie di impulsi elettrici, per conservare le informazioni. La costruzione di questo tipo di memoria è ancora molto difficoltosa e costosa.

Memoria Video è una memoria RAM per la gestione delle informazioni che il processore rilascia periodicamente per la visualizzazione delle immagini sul monitor. La gestione delle immagini impegna molta memoria, per cui, per non rallentare i processi complessivi di calcolo, la scheda di gestione video del PC ha, in molti casi, una sua memoria dedicata a questa funzione, per lasciare disponibile la preziosa memoria RAM.

La memoria secondaria in un computer è rappresentata da tutti quei dispositivi che consentono all'utente la memorizzazione di dati in modo permanente, cioè, di contenere dati e programmi in modo stabile, anche una volta che l’elaboratore viene spento.

Esistono varie tipologie di memorie secondarie, installate internamente ed in maniera fissa all’elaboratore ed esterne o portatili.

Memoria di Massa a Disco Magnetico. A questa categoria appartengono gli HardDisk e i FloppyDisk, Su questi dischi vengono salvati e recuperati continuamente i dati (in gergo “letti e scritti"), mediante un braccio mobile dotato della "testina di lettura/scrittura". I dati vengono trasferiti ai dischi passando attraverso una parte di memoria primaria chiamata memoria tampone o buffer.

Memoria di Massa a Disco Ottico. A questa categoria appartengono i CD, CD-ROM e i DVD. Sono dischi di materiale plastico riflettente ricoperto da una sostanza protettiva, dove l'informazione viene registrata realizzando modificazioni della superficie riflettente, che viene letta mediante un raggio laser che riscontra le irregolarità della superficie. I dischi ottici sono diventati i supporti di memoria secondaria portabile più diffusa ed hanno soppiantato completamente i FloppyDisk.

La Flash memory. È una memoria solida non volatile di tipo EPROM. Fanno parte di questa categoria le memory card delle fotocamere digitali e le sempre più comuni e facili da portare e da usare pen-drive.

Per effettuare esclusivamente operazioni di salvataggio di riserva di dati sensibili (operazione di back-up) si usano ancora dei tipi particolari di Memoria di Massa a nastro magnetico. Le prestazioni migliori sono ottenute dagli streaming tape.