Hardware

Astrazione di von Neumann

Introduzione all’Informatica

Ø L'architettura di Von Neumann è una tipologia di architettura

hardware per computer digitali programmabili a programma
memorizzato la quale condivide i dati del programma e le
istruzioni del programma nello stesso spazio di memoria

Ø Lo schema si basa su cinque componenti fondamentali:

§Unità centrale di elaborazione (CPU), che si divide a sua
volta in unità aritmetica e logica (ALU o unità di calcolo) e
unità di controllo;

§Unità di memoria, intesa come memoria di lavoro o
memoria principale (RAM, Random Access Memory);

§Unità di input, tramite la quale i dati vengono inseriti nel
calcolatore per essere elaborati;

§Unità di output, necessaria affinché i dati elaborati possano
essere restituiti all'operatore;

§Bus, un canale che collega tutti i componenti fra loro.

La scheda madre

Introduzione all’Informatica

Ø Una scheda madre o mainboard

("scheda principale), è un tipo di
scheda elettronica principale

Ø Essa raccoglie tutta la circuiteria

elettronica e i collegamenti di
interfaccia tra i vari componenti interni
principali di un personal computer
come memoria e le altre schede
elettroniche montate o alloggiate
sopra, comprendendo anche i bus di
espansione e le interfacce verso le
periferiche esterne

Il processore o CPU

Introduzione all’Informatica

Ø Il cervello del computer è costituito dal microprocessore o

Central Processing Unit (CPU) che esegue le operazioni
logiche, aritmetiche e di trasferimento sui dati basandosi su uno
specifico procedimento (definito nel programma)

Ø La CPU è costituita da:

§ALU (unità aritmetico-logica) che esegue le operazioni

§CU (unità di controllo) che stabilisce quali operazioni
devono essere eseguite

Ø Per poter eseguire le varie operazioni, l’unità di elaborazione si

avvale di elementi di memoria e dispositivi

Ø Questi elementi di memoria si chiamano registri e sono

sequenze di celle nelle quali si può leggere e scrivere, si
memorizzano dati e risultati delle operazioni, oltre a codici
operativi del linguaggio macchina

Il processore o CPU

Introduzione all’Informatica

Ø L’unità di controllo fornisce dei segnali elettrici all’unità di elaborazione che attivano i diversi

dispositivi di memoria o di operazione in maniera sincrona con un orologio interno della
macchina, chiamato clock

Ø Ad ogni clock viene inviato cioè un segnale. La frequenza con cui questo clock scatta ci da

un’indicazione della velocità con cui lavora l’unità centrale

Ø Un pc recente può avere una frequenza per esempio di 500 MHz (megahertz) o 2 GHz

(gigahertz): questo significa che il processore esegue rispettivamente 500 milioni e 2
miliardi di operazioni al secondo

Ø Il microprocessore comunica con gli altri componenti elettrici grazie ad impulsi elettrici che

viaggiano su delle piste di rame, che si trovano sulla scheda madre, chiamate bus

Struttura a bus

Gabriele Accarino

Introduzione all’Informatica

Ø I componenti di un computer sono collegati e

comunicano utilizzando stringhe binarie che vengono
inserite nel bus che, sostanzialmente, si compone,
concettualmente, di un insieme di fili paralleli (piste di
rame nella realtà) che permettono il passaggio dei
segnali elettrici fra un componente e l'altro

Ø Quello mostrato in figura è il bus esterno; esistono

anche dei bus interni, per esempio, nella CPU per
permettere il passaggio di segnali fra le varie unità che
la compongono

Ø Dal punto di vista logico possiamo distinguere tre bus:

§Data Bus (Bus dati): in questo bus viaggiano i dati che si scambiano i vari componenti

§Address Bus (Bus indirizzi): in questo bus viaggiano gli indirizzi di memoria cui si vuole accedere

§Control Bus (Bus controlli): in questo bus viaggiano tutti i segnali di sincronizzazione fra i vari
dispositivi, necessari per la comunicazione.

Struttura a bus

Introduzione all’Informatica

Ø Il bus è un canale di comunicazione che permette a

periferiche e componenti di un sistema elettronico - come
ad esempio un computer - di interfacciarsi tra loro
scambiandosi informazioni o dati di vario tipo attraverso la
trasmissione e la ricezione di segnali

Ø Diversamente dalle connessioni punto-punto, un solo bus

può collegare tra loro più dispositivi costituendo, in pratica,
il canale di trasferimento con cui comunicano le
componenti di un elaboratore elettronico

Ø Le connessioni elettriche del bus possono essere realizzate

direttamente su circuito stampato oppure tramite un
apposito cavo

Le memorie

Introduzione all’Informatica

Ø In generale, la memoria è un elemento di un computer o di un suo sottosistema e ha il compito di

garantire la persistenza –eventualmente temporanea– dei dati e\o delle istruzioni dei programmi

Ø Esistono diversi tipi di memoria e la loro realizzazione fisica dà vita ai vari supporti di

memorizzazione esistenti

Ø Tra le diverse memorie, la memoria primaria, chiamata anche memoria centrale o memoria

principale, contiene dati ed istruzioni prelevati dalla memoria di massa in attesa che questi siano a
loro volta prelevati ed elaborati dal microprocessore, lavorando dunque in maniera strettamente
accoppiata con esso ed essendo quindi assimilabile ad una memoria di transito o appoggio

Ø La memoria primaria contiene sia i dati su cui il processore opera, sia i programmi che forniscono le

istruzioni che il processore deve effettuare

Classificazione delle memorie

Introduzione all’Informatica

Ø La memoria informatica si può classificare secondo vari criteri:

§ordine di accesso (memorie ad accesso diretto o memorie ad accesso sequenziale);

§possibilità di scrittura (memorie a lettura-scrittura, memorie scrivibili una sola volta, memorie a sola
lettura);

§velocità di lettura;

§velocità di scrittura;

§costo unitario;

§volatilità;

§tecnologia (elettronica, magnetica, ottica, magneto-ottica).

Ø La memoria primaria, che lavora a più diretto contatto con il processore, costituita fondamentalmente da

memoria RAM, memoria ROM, memoria Cache, e la memoria secondaria di cui maggiori rappresentanti
sono gli hard disk, ma anche supporti rimovibili come dischi floppy, CD, DVD, nastri magnetici, memorie
flash di ogni tipo ed altro ancora

Ø Spesso 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".

Memoria principale, primaria o centrale

Introduzione all’Informatica

Ø La caratteristica principale della memoria principale, a parte la ROM, è che i dati conservati nelle celle, si

distruggono in seguito alla mancanza di alimentazione elettrica (volatilità della memoria). Nella memoria
è possibile compiere due operazioni:

§Accesso in scrittura: un dato viene copiato in una determinata locazione di memoria. Si tratta di una
operazione distruttiva: qualsiasi cosa contenuta in precedenza nella cella, viene cancellata e il nuovo
dato viene conservato al suo posto

§Accesso in lettura: un dato, conservato in una determinata cella, viene reso disponibile. Si tratta di
una operazione non distruttiva: si può leggere il dato più volte e lo si ritroverà sempre, finché non
interviene una operazione di scrittura che lo distrugge

Ø La memoria centrale è una memoria ad accesso random o casuale. Con tale terminologia si intende il

fatto che si può accedere, in qualsiasi momento, a qualsiasi locazione di memoria e, inoltre, la velocità di
accesso non dipende dalla storia precedente: è indipendente dalla posizione della locazione di memoria
cui si è acceduto in precedenza (a differenza delle memorie ad accesso sequenziale)

Accesso sequenziale o casuale alla memoria

Introduzione all’Informatica

Memoria ROM

Introduzione all’Informatica

Ø La ROM (read only memory), la memoria di sola lettura; realizzata

con circuiti più semplici

Ø Le memorie ROM vengono usate per memorizzare le istruzioni della

fase di bootstrap (ossia di accensione e di avvio del sistema) o
programmi in linguaggio macchina per la gestione standard dei
dispositivi come tastiera, video, ...

Ø LA ROM contiene il BIOS (basic input / output system), ossia il

programma necessario a far avviare il pc. Al momento
dell’accensione tali istruzioni controllano il processore installato, la
memoria RAM, il disco fisso, altre periferiche e poi avviano il pc

Ø La ROM è una memoria non volatile, che è in grado di mantenere

i dati memorizzati anche quando non è alimentata elettricamente

Memoria RAM

Introduzione all’Informatica

Ø La RAM (random access memory) è una memoria

volatile: il suo contenuto si perde quando si spegne
il computer

Ø Essa è utilizzata per memorizzare i programmi e i

dati in fase di elaborazione

Ø La memoria RAM è contenuta in piccole schede

inserite nella scheda madre in appositi
alloggiamenti chiamati slot

Memoria Cache

Introduzione all’Informatica

Ø La memoria cache è una memoria temporanea, caratterizzata da

un’elevata velocità

Ø Le caratteristiche della cache vengono sfruttate nel trasferimento

di dati dalla memoria di massa alla memoria RAM, e tra la
memoria RAM alla CPU

Ø Essa contiene istruzioni e dati utilizzati più frequentemente dalla

CPU, velocizzandone l’accesso sia in lettura che in scrittura

Ø Quando la CPU deve accedere ad un dato, prima controlla che sia

presente nella memoria cache; se è presente ed è valido, lo
utilizza; altrimenti viene recuperato dalla memoria su cui risiede ed
eventualmente memorizzato nella cache per un successivo utilizzo

Le memorie secondarie o di «massa»

Introduzione all’Informatica

Ø Le memorie di massa, o secondarie, sono rappresentati da supporti che

permettono di registrare in maniera permanente dei dati; ciò significa che
essi permangono, indipendentemente dal fatto che l’unità di elaborazione
sia accesa o spenta

Ø Sono dette «di massa» perché possono contenere quantità rilevanti di dati

rispetto alla memoria centrale; e possono essere considerate delle unità di
I/O (Input/Output) in quanto su di esse possono essere effettuate delle
operazioni di lettura di dati già registrati e di scrittura di nuovi dati

Ø Queste memorie sono caratterizzate da:

§una certa capacità di memorizzazione: ossia quanti dati può
contenere, espressa in multipli di byte (MB, GB, TB)

§un tempo di accesso per reperire i dati desiderati, espressa in
millisecondi o microsecondi

§una velocità di trasferimento dei dati (transfer rate) dalla memoria
centrale che si misura in MByte per secondo.

Hard-disk

Gabriele Accarino

Introduzione all’Informatica

Ø L’hard-disk è costituito da una serie di piatti impilati uno sull’altro, che

ruotano attorno ad uno stesso asse verticale. Ogni disco è suddiviso in
tracce concentriche e in settori (simili a fette); all’incrocio tra questi due
si forma il blocco fisico dei dati registrati sul disco

Ø Esistono anche hard disk esterni che sono alloggiati in una scatola

esterna al computer, collegabili tramite USB, comodamente
trasportabili

Ø In ogni caso, prima di poter essere utilizzato, un disco deve essere

formattato. Con l’operazione di formattazione, se sul dispositivo sono
presenti dei dati, essi vengono cancellati completamente.

Ø Successivamente a livello logico viene creata sul disco una directory

principale, detta root, a partire dalla quale l’utente può creare le varie
sottocartelle per salvare i propri dati. Questa operazione viene fatta
dall’utente oppure dalla casa produttrice

Solid-State Drive (SSD)

Introduzione all’Informatica

Ø Ultimamente i pc possono essere forniti di unità

SSD (solid-state drive, tradotto impropriamente in
disco a stato solido) che non presentano dischi né
organi meccanici all’interno, ma che permettono
memorizzare in maniera non volatile grandi
quantità di dati

Ø Non avendo parti meccaniche in movimento

(dischi, motori e testine), né componenti magnetici,
si ottengono notevoli vantaggi nella riduzione dei
consumi elettrici e dell'usura

Ø Sono inoltre unità che permettono un trasferimento

di dati molto più veloce

Ø CONTRO: In caso di guasti è molto problematico il

recupero dei dati

Chiavi USB (pendrive)

Introduzione all’Informatica

Ø Le chiavi USB (o pendrive) sono

dispositivi di memorizzazione portatili, che
si collegano al pc tramite una porta USB

Ø La memorizzazione dei dati avviene su

una memoria flash al loro interno che può
essere di diversi GB

Ø Sono molto diffuse grazie alle loro

dimensioni ridotte e alla loro affidabilità
dovuta all’assenza di meccanismi mobili

Memorie Secure Digital (SD)

Introduzione all’Informatica

Ø Le memorie SD (secure digital) sono

schede di memoria che permettono di
memorizzare in formato digitale grandi
quantità di informazioni all’interno di
memorie flash

Ø Sono leggere e resistenti e sono

largamente utilizzate nelle macchine
fotografiche digitali, nei palmari, nei
cellulari, nei tablet...

Prestazioni dell’Hardware di un PC

Introduzione all’Informatica

Ø Tipo di CPU: un processore a 32 bit è più lento di uno a 64, perché richiede meno cicli di clock per

configurare un’operazione logica o matematica

Ø Velocità di clock: il clock è la cadenza interna del computer che configura un’operazione elementare. Un

processore da 500MHz esegue 500 milioni di operazioni al secondo; uno da 1800MHz ne esegue 1
miliardo e 800 milioni!

Ø Memoria cache: è una memoria velocissima integrata nella CPU, quindi il processore vi accede con

estrema velocità; più ampia è questa memoria e migliori saranno le prestazioni

Ø RAM: nella RAM risiedono le istruzioni dei programmi, i dati che servono per lavorare, i dati transitori. Se la

CPU non trova RAM disponibile per depositare i dati, li deposita sulla memoria di massa che è meno
veloce della RAM; quindi maggiore è la quantità di RAM e migliori saranno le prestazioni

Ø Hard-disk: Per quanto riguarda la velocità, un disco ad accesso più veloce fornirà migliori prestazioni. La

capacità dell’HD determina solo quante informazioni possiamo memorizzare in maniera permanente

Interfacce, porte e connettori

Introduzione all’Informatica

Ø Il collegamento tra il pc e le sue periferiche avviene mediante

apparecchiature che si chiamano interfacce. Un’interfaccia è una scheda
di circuiti elettrici che, inserita nella struttura di un computer, permette di
eseguire il trasferimento di informazioni dal pc alle periferiche e viceversa

Ø La scheda in interfaccia è connessa al bus, mediante opportuni slot sulla

scheda madre; il collegamento con la periferica è realizzato attraverso le
porte di I/O presenti sulla scheda e accessibili dall’esterno

Ø La porta può essere seriale, quando i caratteri vengono trasmessi un bit

per volta, o parallela, quando i bit vengono trasmessi
contemporaneamente. Da qualche anno esiste anche la porta USB che
consente un’alta velocità di trasferimento, oltre ad una connessione e
configurazione rapida di nuove periferiche anche con computer
funzionante

Ø Ad ogni porta viene collegato un cavo con un connettore corrispondente