Tecnologie informatiche - Parte 1. Hardware

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1 Tecnologie informatiche - Parte 1. Hardware 1. Introduzione. I segnali binari. La parola informatica deriva dal termine francese informatique: è la fusione di due parole information e automatique che significa "informazione automatica". Possiamo definire l'informatica, dunque, come quella scienza che ha come oggetto di studio l'informazione e si occupa della sua rappresentazione, elaborazione e organizzazione automatica. Un elaboratore o calcolatore elettronico (ad esempio un personal computer, PC) è in generale lo strumento con cui l'informatica realizza i suoi scopi, quindi, in sostanza il trattamento dell'informazione. Non è perciò corretto pensare che l'informatica sia una disciplina che si occupa della progettazione e della costruzione dei computer: questo è, invece, il compito di un'altra parte delle scienze che si chiama ingegneria informatica. Ma che cosa si intende per informazione nell'ambito dell'informatica? Non è proprio facile da spiegare ma possiamo pensare all'informazione come a un "messaggio" che si trasmette tra due generici sistemi (persone, elaboratori,...): l'informazione è il contenuto del messaggio. Ad esempio, la voce umana forma dei messaggi che contengono informazione. In linguaggio tecnicoscientifico si preferisce parlare di segnali piuttosto che di messaggi. I segnali sono delle variazioni nel tempo e nello spazio di una certa grandezza fisica: queste variazioni, in genere, si propagano da un punto all'altro dello spazio attraverso un mezzo fisico. Per esempio, la voce umana è un segnale acustico, ed è formata da variazioni della pressione dell'aria originate dalla vibrazione delle nostre corde vocali. In tal caso il mezzo fisico attraverso cui si propaga la voce è l'aria. Il tipo di segnali che ci interessano maggiormente nel nostro studio dell'informatica sono i segnali elettrici: essi consistono in variazioni di una grandezza che si chiama tensione elettrica o differenza di potenziale e si indica col simbolo V (una v maiuscola). Un'altra grandezza strettamente correlata alla tensione V è la corrente elettrica, che si indica con I. La corrente elettrica, probabilmente, è la grandezza più familiare perché identifica il movimento delle cariche elettriche nei cavi o fili conduttori come, ad esempio, avviene nell'impianto elettrico domestico quando premiamo l'interrutore per accendere la luce. Più precisamente, la corrente elettrica rappresenta la quantità di carica elettrica che fluisce attraverso un conduttore nell'unità di tempo. La tensione può essere vista invece come la causa che produce, o può produrre, il moto delle cariche e quindi una corrente. Visto che le due grandezze sono intimamente legate fra loro, i segnali elettrici possono essere rappresentati sia come variazioni di tensione che come variazioni di corrente. A seconda del modo con con cui la tensione o la corrente varia nel tempo, i segnali possono essere suddivvisi in due grosse categorie: segnali analogici e segnali digitali. I segnali analogici sono quelli in cui la tensione o la corrente variano

2 con continuità nel tempo cioé la grandezza in esame assume tutti i valori possibili senza interruzioni o salti. Al contrario, i segnali digitali sono particolari segnali in cui la tensione o la corrente non possono assumere qualsiasi valore al variare del tempo bensì soltanto un numero finito (o discreto) di possibili valori. Un caso particolare di segnali digitali sono quelli binari in cui i possibili valori che la grandezza può assumere sono soltanto due: uno diverso da zero e l'altro uguale a zero 1. Sono proprio i segnali digitali binari quelli che ci interesseranno maggiormente in quanto sono quelli su cui si basa il funzionamento degli elaboratori elettronici. Possiamo comprendere meglio le differenze tra i vari tipi di segnali esaminando le figure seguenti in cui sono rappresentati graficamente degli esempi di segnale analogico e digitale. Figura 1. Rappresentazione grafica di alcuni esempi di segnale: (a) analogico, (b) digitale e (c) digitale binario. Come accennato poco fa i segnali digitali binari sono quelli con cui funzionano i circuiti elettronici di un elaboratore. Si tratta di sequenze di valori di tensione diversi da zero e uguali a zero che in linguaggio informatico vengono detti rispettivamente livello ALTO e livello BASSO. Tipicamente i circuiti elettronici lavorano con un livello alto di tensione pari a 5 Volt mentre il livello basso corrisponde a una tensione nulla cioé 0 Volt. Il singolo valore di tensione, che può essere alto o basso e che ha una durata opportuna, costituisce l'unità minima di informazione rappresentabile nei circuiti digitali e si chiama bit. Un segnale binario può essere così formato da una Figura 2. I due possibili valori di tensione del bit: (a) ALTO, (b) BASSO. opportuna sequenza di bit (come mostrato nella Figura 1c). Sequenze diverse di bit trasportano 1 Il termine binario significa duplice e suggerisce appunto che il segnale può assumere solo due valori.

3 messaggi (informazioni) differenti. [...] 2. Hardware e software. Un elaboratore o calcolatore è una macchina costituita da un assemblaggio di vari dispositivi elettronici. I normali personal computer, come sappiamo, sono costituiti da un involucro o contenitore (case) all'interno del quali sono alloggiate varie schede contenenti i circuiti elettronici che svolgono i compiti di eleborazione automatica dell'informazione; al case sono collegati vari dispositivi esterni, le periferiche, che permettono il trasferimento di dati o informazioni all'elaboratore. Esempi di periferiche sono la tastiera, il monitor, il mouse, lo scanner. [I/O] Figura 3. Un tipico personal computer per uso domestico. Tutto ciò che costituisce le parti fisiche della macchina quindi il case con tutti i suoi circuiti elettronici e le varie periferiche viene denominato hardware. Abbiamo detto che un elaboratore deve essere in grado di effettuare elaborazioni automatiche delle informazioni e per poter fare ciò ha bisogno di una serie di istruzioni che indichino alla macchina i vari passi da seguire per ottenere l'elaborazione desiderata. I gruppi di istruzioni necessari alla macchina per poter svolgere dei compiti specifici vengono detti programmi. Dunque i programmi servono per comunicare all'elaboratore ciò che deve fare e costituiscono un aspetto fondamentale nello studio dell'informatica. I programmi vengono detti in generale software che significa "componente leggero" in contrapposizione dall'hardware che, come abbiamo visto, costituisce tutte le parti fisiche dei computer.

4 3. Struttura generale di un elaboratore. Finora abbiamo visto che il cuore di un elaboratore è costituito da un insieme di circuiti elettronici sui quali viaggiano dei segnali digitali binari. Non abbiamo però specificato qual è la logica di funzionamento di un elaboratore. Per fare ciò dobbiamo studiare la struttura generale di un elaboratore che può essere rappresentata con lo schema a blocchi della Figura 4. Figura 4. Struttura generale di un elaboratore. In questo schema abbiamo suddiviso la complessa struttura circuitale di un elaboratore in 4 blocchi fondamentali:. Le frecce che connettono i vari blocchi indicano la direzione in cui viaggiano i dati. Per capire come funziona la macchina consideriamo un caso semplice di elaborazione: supponiamo di voler sommare due numeri digitati sulla tastiera. I due valori vengono inviati dalla periferica alla memoria centrale o primaria del computer (precisamente nella parte di memoria centrale chiamata RAM). Una volta in memoria i due valori vengono letti dalla CPU la quale esegue l'operazione di somma e il risultato viene a sua volta memorizzato nella memoria (sempre in quella RAM). Infine il risultato viene inviato dalla memoria a una periferica di uscita che potrebbe essere il monitor. Tutte i passaggi elementari svolti dalla CPU sono contenuti in una serie di istruzioni memorizzate anch'esse nella memoria centrale di tipo RAM. Dunque, nella memoria centrale vengono memorizzati dati e programmi. Questo semplice esempio serve a illustrare in modo schematico la logica di funzionamento di un elaboratore e evidenzia il ruolo essenziale giocato dalla memoria oltre a quello della CPU. Lo schema di funzionamento che abbiamo appena visto è quello su cui si basano quasi tutti i computer moderni: è una versione semplificata della cosidetta architettura di von Neumann che porta il nome dello scienziato che progetto e realizzò la prima macchina basata su questa struttura di funzionamento. 4. La memoria centrale e la memoria di massa. Nel paragrafo precedente abbiamo visto a grandi linee il ruolo della memoria centrale, in particolare di quella parte della memoria centrale denominata RAM; la sigla deriva dalle iniziali delle tre

5 parole inglesi Random Access Memory che significano "memoria ad accesso casuale". Questo tipo di memoria permette la memorizzazione e la lettura di dati e programmi da parte del sistema ma una volta che la macchina viene spenta i dati vengono cancellati. Si tratta dunque di una memoria volatile proprio perché i dati non possono rimanervi memorizzati in maniera permanente. Come mostrato nello schema di Figura 4, fa parte della memoria centrale anche un altro tipo di memoria: la memoria ROM. Il nome deriva dalle iniziali delle parole inglesi Read Only Memory che significano memoria di sola lettura. Come suggerisce il nome, la ROM è una memoria il cui contenuto può soltanto essere letto dal sistema ma non modificato o cancellato dall'utente. A differenza della RAM, la memoria ROM è una memoria di tipo non volatile in quanto i dati memorizzati vengono conservati anche quando viene tolta l'alimentazione. Per queste sue caratteristiche la ROM viene usata per memorizzarvi un programma fondamentale chiamato BIOS (Basic Input-Output System) che viene eseguito al momento dell'accensione della macchina: questo programma permette di inizializzare la macchina, cioé di metterla in grado di funzionare correttamente, controllando lo stato di tutti i dispositivi collegati al processore (input-output, memorie) e permettendo il passaggio al sistema operativo. Come vedremo meglio quando studieremo il software, il sistema operativo (es: Windows, Linux) è un programma di base che consente all'utente di sfruttare tutte le risorse e le potenzialità della macchina. Il BIOS viene memorizzato nella ROM dalla casa costruttrice al momento dell'assemblaggio della macchina. La memoria centrale non è l'unica memoria presente in un elaboratore. In aggiunta ad essa vi è anche la cosidetta memoria di massa. Quest'ultima è una memoria di grande capacità di memorizzazione di tipo non volatile che viene usata principalmente per salvare tutti i risultati delle elaborazioni svolte dalla macchina (calcoli matematici, documenti vari, audio, video ecc.) in modo da poterli utilizzare successivamente quando lo si desideri. Non sarebbe possibile infatti salvare i risultati delle elaborazioni nella RAM perchè è una memoria volatile e le informazioni verrebbero perse al momento dello spegnimento della macchina. La RAM viene impiegata soltanto per memorizzare temporaneamente dati e programmi in corso di esecuzione. La memoria di massa viene inoltre usata per memorizzare i file di installazione dei programmi di base e di quelli applicativi che costituiscono le potenzialità di elaborazione della macchina. I tipi di memoria di massa più usati sono i dischi rigidi o hard disk, le pennine USB, i compact disk (CD) e i DVD. [...] 5. L'unità centrale di elaborazione (CPU). L'unità centrale di elaborazione o CPU (Central Processing Unit) ha il compito leggere le istruzioni dei programmi e i dati memorizzati nella RAM e di eseguire tali istruzioni per effettuare

6 elaborazioni dei dati letti (calcoli aritmetici e logici) e operazioni di input-output (ad esempio la visualizzazione di un risultato sullo schermo). Una CPU è composta da tre blocchi fondamentali che sono l unità aritmetico-logica (ALU), l unità di controllo (CU) e i registri. La ALU, come si intuisce dal nome, ha il compito di svolgere tutte le operazioni aritmetiche e logiche su dati letti dalla memoria centrale. L'unità di controllo legge le istruzioni del programma in esecuzione, le interpreta e le esegue in sequenza. Se il programma in esecuzione prevede l'uso di dati, la CU legge anche questi dalla memoria centrale e li invia al blocco di elaborazione (ad esempio, se si tratta di calcoli aritmetici o logici li invia alla ALU) e provvede al trasferimento dei dati elaborati di nuovo alla memoria centrale o a un dispositivo di uscita. I registri sono delle piccole memorie molto veloci che servono al processore per memorizzare temporaneamente ogni singola istruzione e i dati ad essa relativi: non appena l'istruzione viene eseguita e i dati elaborati il contenuto dei registri viene sostituito da quello dell'istruzione successiva e da eventuali nuovi dati da elaborare. Il ritmo con cui la CPU svolge tutte le sue attività è scandito da un segnale di temporizzazione chiamato segnale di clock. [...] 6. Le periferiche o dispositivi di ingresso-uscita (I/O). Le periferiche o dispositivi di ingresso-uscita sono quei dispositivi che servono come interfaccia tra l'utente e il computer, cioé che permettono all'utente di inviare dati e comandi alla macchina e di esportare i dati elaborati dalla macchina stessa. Normalmente si tratta di dispositivi non incorporati al case che vengono ad esso collegati fisicamente mediante opportuni cavi di connessione. Le periferiche si suddivvidono in due categorie: (a) periferiche di ingresso (INPUT) e (b) periferiche di uscita (OUTPUT). Come si intuisce dal nome le prime sono quelle in che permettono di inviare dati e segnali di controllo al computer mentre le seconde servono per ricevere i segnali prodotti dal computer. Alcuni dispositivi possono essere sia di INPUT che di OUTPUT allo stesso tempo come ad esempio un lettore/masterizzatore di CD/DVD oppure una chiavetta USB. Nella seguente tabella sono elencati i principali dispositivi di ingresso-uscita. INPUT OUTPUT tastiera monitor mouse stampante scanner plotter lettore CD/DVD masterizzatore pennina USB pennina USB microfono casse acustiche

7 modem modem Abbiamo detto poco fa che i dispositivi sono collegati all'unità centrale mediante cavi elettrici di vario tipo: questi cavi si inseriscono in particolari prese, chiamate porte. Esistono, ad esempio, le porte USB che permettono di collegare le pennine e altri dispositivi che supportano questo tipo di collegamento. [...internet...] Quasi tutti i tipi di periferiche producono o ricevono segnali analogici. Ad esempio, un microfono traduce un segnale acustico in un segnale elettrico che varia con continuità nel tempo, quindi in un segnale analogico. Un segnale analogico di questo tipo non può essere elaborato direttamente dal computer perché, come sappiamo, i circuiti elettronici dei computer sono progettati per lavorare solo con segnali digitali binari. Si rende necessario allora effettuare una conversione del segnale analogico proveniente dalla periferica in un segnale digitale in modo tale che possa essere letto e elaborato dalla macchina. Questa operazione di conversione viene effettuata da un particolare circuito detto appunto convertitore analogico-digitale (convertitore A/D). Il segnale proveniente dal microfono viene perciò ricevuto da una scheda audio sulla quale è presente un convertitore A/D, viene trasformato in segnale digitale binario e quindi inviato all'unità di elaborazione. Naturalmente vale anche il discorso inverso, cioé quando si vuole mandare un segnale digitale elaborato dal computer verso una periferica analogica occorre effettuare una conversione digitaleanalogica. Ad esempio, il segnale ricevuto dal microfono e poi elaborato dal computer può essere riprodotto dalle casse acustiche solo dopo aver effettuato la conversione digitale-analogica. Per tale motivo la scheda audio è dotata anche di un convertitore D/A che manda il segnale analogico alle casse per la riproduzione. Figura 5. Il segnale analogico proveniente dal microfono viene convertito in un segnale digitale dal convertire A/D della scheda audio e inviato al sistema di elaborazione.

8 7. La codifica binaria. Per codifica binaria si intende quel procedimento che permette di associare a un'informazione una determinata sequenza di bit, quindi una sequenza di valori alti e bassi o, equivalentemente, di 1 e 0. Un insieme di tutte le possibili combinazioni di 1 e 0 prende il nome di codice binario. La codifica binaria più semplice la possiamo ottenere utilizzando soltanto un bit. Abbiamo visto che un bit può assumere due valori: 0 e 1; dunque, utilizzando un solo bit possiamo codificare solo due informazioni o messaggi. Aumentando il numero di bit aumentano le possibili combinazioni o sequenze diverse di 0 e 1 con le quali possiamo codificare un numero maggiore di informazioni. Ad esempio, utilizzando due bit le diverse combinazioni che possiamo ottenere sono: 00, 01, 10, 11; in totale sono quattro combinazioni diverse che rappresentano altrettante differenti informazioni. Se utilizziamo tre bit le combinazioni possibili diventano otto: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. In generale, se utilizziamo n bit le possibili diverse combinazioni ottenibili sono 2 n. Esistono diversi codici binari utilizzati dai computer; noi ne prenderemo in considerazione due: il codice ASCII e il sistema di numerazione binario. Il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange) è un codice formato da 8 bit 2, quindi contiene 2 8 = 256 differenti combinazioni di 1 e 0. Esso viene usato per codificare tutti i simboli alfanumerici come ad esempio quelli presenti nelle tastiere dei computer. Come si può intuire dal nome, i simboli alfanumerici sono tutti i caratteri dell'alfabeto e i caratteri numerici. Nella figura 7 è riportata una parte del codice ASCII che contiene le combinazioni di bit comprese tra la 32-esima e la 127-esima. Possiamo notare, ad esempio, che al carattere & è associata la codifica binaria , mentre al carattere numerico 6 la codifica , e così via. 2 Inizialmente il codice ASCII è stato introdotto con 7 bit e poi è stato esteso a 8 bit per includere un numero maggiore di caratteri.

9 ... in lavorazione... FS