L’architettura del computer
- Il computer
- Hardware e software
- Il case
- La scheda madre o motherboard
- Le periferiche
- Le porte
- La CPU o processore
- La memoria
- Il monitor
Il computer
Il computer è una macchina programmabile: eseguendo le istruzioni di un programma, riceve dei dati (i dati di input), li elabora e infine restituisce dei nuovi dati (i dati di output).
Hardware e software
Le risorse utilizzate da un computer posso essere classificate in due categorie:
- Hardware: sono le risorse che compongono la parte fisica del computer, cioè l’insieme delle componenti meccaniche, magnetiche, elettriche od ottiche.
- Software: sono le risorse che compongono la parte logica del computer, cioè tutti programmi che consentono di definire come effettuare l’elaborazione dei dati.
Il case
La scheda madre o motherboard
Alla scheda madre sono collegate tutte le altre parti del computer, così che possano comunicare.
Le periferiche
I vari dispositivi che vengono collegati a un computer - tastiere, monitor, mouse, … - sono detti periferiche.
Affinché questi dispositivi possano essere riconosciuti e funzionare, è necessario che sulla scheda madre siano presenti le schede di espansione che vengono installate in appositi alloggiamenti chiamati slot.
Le porte
Per collegare le periferiche alle schede di espansione, bisogna inserire i loro cavi connettori in apposite prese, dette porte di comunicazione.
La porta USB
La porta USB definisce un collegamento seriale ad alta velocità, basato sullo standard USB (Universal Serial Bus).
Attraverso le porte seriali i dati viaggiano, come dice la parola stessa, in serie, uno dopo l’altro, mentre nelle porte parallele i dati viaggiano raggruppati in byte (1 byte è uguale a 8 bit).
Connettori e standard USB
Il tipo di connettore USB non è direttamente legato allo standard USB implementato. Ad esempio, è possibile avere una porta USB-A che implementa lo standard USB 3.1, ma anche una porta USB-A che implementa lo standard USB 1.0.
La porta USB-C sarà uno standard europeo
A partire dalla fine del 2024, tutti gli smartphone, i tablet e altri dispositivi elettronici venduti nell’Unione Europea dovranno avere una porta di ricarica USB di tipo C.
A partire dalla primavera del 2026, l’obbligo sarà esteso anche ai computer portatili.
Grazie alle nuove regole, i consumatori non avranno più bisogno di un caricatore diverso ogni volta che acquisteranno un nuovo dispositivo.
La porta HDMI
Esistono cinque tipi di connettori HDMI. Il tipo A/B è definito nella specifica HDMI 1.0, il tipo C è definito nella specifica HDMI 1.3 e il tipo D/E è definito nella specifica HDMI 1.4.
La porta HDMI è un’interfaccia compatta per il trasferimento di dati audiovisivi - ovvero, audio e video - tra una sorgente compatibile (un lettore DVD, un lettore Blu-Ray) e un dispositivo di ricezione compatibile (un monitor, un proiettore, un dispositivo audio digitale), basata sullo standard HDMI (High Definition Multimedia Interface).
Connettori e standard HDMI
Il tipo di connettore HDMI non è direttamente legato allo standard HDMI implementato. Ad esempio, è possibile avere una porta HDMI-A che implementa lo standard HDMI 2.1, ma anche una porta HDMI-A che implementa lo standard HDMI 1.0.
La porta Wi-Fi e la porta Bluetooth
Esistono delle porte che consentono di collegare le periferiche senza l’ausilio di un cavo connettore:
- la porta Wi-Fi utilizza generalmente onde radio a bassa frequenza e permette il collegamento in reti wireless, cioè senza cavi. Viene soprattutto utilizzata per collegamenti a Internet.
- la porta Bluetooth consente un collegamento senza fili per lo scambio di informazioni tra dispositivi diversi attraverso una frequenza radio sicura a corto raggio. Cerca i dispositivi entro un raggio di qualche decina di metri; quelli coperti dal segnale possono essere messi in comunicazione tra di loro.
Le versioni del protocollo Bluetooth
Le versioni del protocollo Wi-Fi
Alcune porte obsolete
- Porte parallele
- Porta PS/2: per collegare mouse e tastiera
- Porta VGA (Virtual Graphics Array) o DVI (Digital Visual Interface): per collegare monitor esterni
La CPU o processore
La CPU (Central Processing Unit) o processore rappresenta il «cervello» del computer: è responsabile dell’esecuzione dei programmi e del controllo di tutto ciò che avviene dentro al computer stesso.
Elementi della CPU
- Unità di controllo (CU, Control Unit): gestisce il funzionamento di tutte le unità hardware del computer; gestisce la lettura e la scrittura della memoria, preparando gli operandi in input alla ALU, salvando i risultati della ALU in memoria
- Unità aritmetico-logica (ALU, Aritmetic Logic Unit): esegue tutte le operazioni aritmetiche e logiche.
- Registri: sono memorie piccolissime e velocissime interne alla CPU, utilizzate per memorizzare temporaneamente un’informazione utile per l’esecuzione di un programma
Parametri della CPU
La CPU è caratterizzata da alcuni parametri fondamentali:
- La frequenza di clock, cioè il numero di istruzioni elementari eseguite dalla CPU in un secondo. Le CPU di oggi hanno frequenze di clock nell’ordine del GHz (Giga Hertz), ovvero possono eseguire circa un miliardo di istruzioni elementari al secondo.
- La dimensione dei registri, misurata in bit. Maggiore è la dimensione dei registri, maggiore è la dimensione dei dati elaborabili nello stesso ciclo di clock. Tipicamente, le CPU moderne utilizzano registri di 64 bit, ma esistono anche CPU a 32 bit e anche a 128 bit.
- Il numero di core. Le attuali CPU sono spesso costituite da molteplici CPU. Anziché dire che: “Una CPU è costituita da molteplici CPU”, si dice che: “Una CPU è costituita da molteplici core”. L’idea di inserire più core in una singola CPU è stata dettata dalla difficoltà nell’aumento della frequenza di clock: oltre una certa frequenza, le CPU tendono a surriscaldarsi. Una CPU fatta di un singolo core è detta: CPU single core. Si possono costruire CPU con 2 core (dual-core), quattro core (quad-core), otto core (octa-core), …
Esistono tanti altri parametri per valutare la bontà di una CPU:
- La dimensione della cache
- La frequenza di boost di ogni core
- La frequenza di base di ogni core
- …
Produttori di CPU
- I principali produttori di CPU per il mercato dei computer fissi e portatili sono Intel e AMD. Qui trovi una lista completa dei produttori di CPU
- Qui trovi un riassunto delle specifiche tecniche delle CPU Intel di quattordicesima generazione, presentate il 16 ottobre 2023
- Qui è spiegata la nomenclatura delle CPU prodotte da Intel. Le CPU Intel sono ovunque: vale la pena capirne il nome.
La memoria
La memoria di un computer è costituita dall’insieme dei dispositivi che conservano i dati e i programmi.
Si distinguono due grandi categorie:
- La memoria centrale (o primaria): è una memoria veloce e direttamente utilizzabile dalla CPU, ma con una dimensione limitata.
- La memoria di massa (o secondaria): è una memoria più lenta, non direttamente utilizzabile dalla CPU, ma con maggiore capienza (nell’ordine delle centinaia di GB)
La memoria centrale è formata da tre tipi di memoria:
- la memoria RAM
- la memoria ROM
- la cache
Unità di misura della memoria
All’interno del computer i dati non sono composti da numeri o lettere così come noi li digitiamo da tastiera (già lo sapete).
Tutti i dati che inserisci, per poter essere memorizzati, devono essere convertiti in impulsi elettrici, gli unici che il computer “comprende”.
Ogni impulso elettrico si indica con un bit (binary digit = cifra binaria) e può assumere solo due valori: 0 (che significa non passaggio di corrente) e 1 (che significa passaggio di corrente).
L’unità di misura della capacità (o “dimensione”) della memoria è il byte (1 byte == 8 bit), di cui si utilizzano i multipli.
Ricorda però che per la costruzione delle unità di misura di livello superiore non si usa il sistema decimale ma quello binario. Ecco allora che il kilobyte non corrisponde a 1000 byte, ma a 210 = 1024 byte.
La memoria RAM
La memoria RAM (Random Access Memory) è il supporto di memoria su cui la CPU può leggere e scrivere informazioni con un accesso diretto: è possibile accedere direttamente a ogni singola cella di tale memoria semplicemente conoscendone l’indirizzo.
Mentre usiamo il computer, nella memoria RAM viene conservata, momento per momento, la gran parte dei dati sui quali stiamo lavorando e delle istruzioni relative ai programmi in uso.
La memoria RAM rappresenta il “banco di lavoro” del computer, nel senso che tutti i programmi, per poter essere eseguiti, devono risiedere in essa.
Se un programma si trova su una memoria di massa, per poterlo eseguire occorre dapprima trasferirlo nella memoria RAM.
La RAM è una memoria volatile, ossia perde il suo contenuto quando viene spento il computer. Come vedremo, la memoria di massa è una memoria non volatile.
La memoria ROM
La memoria ROM (Read Only Memory) è una memoria da cui si possono leggere informazioni registrate dal costruttore, ma in cui è impossibile scrivere qualcosa.
Nella ROM sono residenti quei tipi di software che non devono mai essere cambiati, come il BIOS (Basic Input-Output System) del computer, sistemi di controllo per le periferiche, ecc.
Qual è il vantaggio di una memoria ROM?
Memorizzare i programmi in una memoria a sola lettura offre tre vantaggi:
- non appena il computer si avvia, i dati sono immediatamente disponibili al processore senza bisogno di prelevarli da memorie secondarie;
- il contenuto della memoria ROM è permanente e perciò non va perduto neppure quando si toglie l’alimentazione elettrica;
- non è possibile cancellare tale contenuto accidentalmente.
Come la RAM, anche la ROM è una memoria ad accesso diretto, perciò le informazioni che contiene possono essere recuperate velocemente.
La memoria cache
La cache (si pronuncia: “cash”) è una particolare memoria caratterizzata da un’elevatissima velocità. Viene frapposta tra la CPU e la memoria RAM, per aumentare le prestazioni del computer. Si trova direttamente all’interno della CPU.
In questa memoria vengono trasferiti i dati della memoria centrale maggiormente richiesti dalla CPU in un certo periodo di tempo.
Così aumenta la velocità di elaborazione, perché moltissimi accessi alla memoria centrale vengono sostituiti con accessi alla memoria cache che, come abbiamo detto, è di gran lunga più rapida.
La memoria di massa
Le memorie di massa, o memorie secondarie, o memorie ausiliarie, hanno lo scopo di conservare dati e programmi in maniera permanente.
Di solito, su di esse non avviene alcun tipo di elaborazione, poiché sono troppo lente per questo scopo.
I dispositivi di memoria di massa più comunemente utilizzati sono le memorie magnetiche, le memorie ottiche, le memorie flash e le memorie a stato solido.
I dischi magnetici
I dischi magnetici sono costituiti da un supporto piano ricoperto di materiale ferromagnetico sul quale è possibile memorizzare le informazioni magnetizzando apposite areole.
La registrazione e la lettura dei dati avvengono grazie a una testina di lettura/scrittura.
L’hard disk
Il disco magnetico più comune è l’hard disk.
Un hard disk è composto da una pila di dischi magnetici (disk-pack).
I dischi sono disposti uno sopra l’altro a un’opportuna distanza.
Essi ruotano intorno a uno stesso asse verticale con velocità uniforme (dell’ordine di circa 7200 giri al minuto).
I dischi sono rinchiusi all’interno di un contenitore ermetico nel quale si trova un braccio a forma di pettine sulle cui estremità sono posizionate le testine di lettura/scrittura.
Ciascun disco è diviso radialmente in settori e tangenzialmente in tracce.
L’unità atomica di un hard disk, ovvero la più piccola parte di hard disk che può essere letta o scritta in una sola operazione, è il blocco. È possibile individuare univocamente un blocco fissando un disco, un settore e una traccia.
- Un insieme di più blocchi è chiamato cluster.
- L’insieme delle tracce equidistanti dal centro del disco è chiamato cilindro.
- L’operazione che provvede alla suddivisione dei dischi in tracce e settori viene detta formattazione del disco.
L’hard disk può essere utilizzato dalla CPU anche per estendere la memoria RAM: quando devono essere tenuti aperti più programmi, o quando si manipolano grosse quantità di dati che non stanno tutti nella RAM, la CPU sfrutta parte del disco come memoria centrale. Si parla di memoria virtuale.
Poiché l’hard disk è una memoria molto più lenta della RAM, questo spiega almeno in parte la ragione per cui un computer è più lento quando ci sono molti programmi aperti.
Prestazioni dei dischi magnetici
Le prestazioni dei dischi magnetici si valutano in base a:
- velocità di rotazione del supporto, misurata in giri al minuto (giri/min);
- capacità di memorizzazione, misurata in Byte, ovvero la quantità di dati che un disco può contenere;
- velocità di trasferimento, misurata in Mega Byte al secondo (MB/s), è la quantità di byte trasferiti da o per la memoria di massa in un secondo.
Accesso al disco
Nelle operazioni di accesso al disco, ossia nelle operazioni di lettura/scrittura, il blocco rappresenta l’unità minima di memoria che può essere letta o scritta.
Il tempo di accesso varia da dispositivo a dispositivo (negli hard disk è inferiore ai 10 millisecondi) ed è dato dalla somma dei seguenti tempi:
- tempo di posizionamento (o tempo di seek): il tempo necessario affinché la testina, muovendosi radialmente, si posizioni sulla traccia corretta;
- tempo di latenza: il tempo di attesa necessario affinché il blocco interessato passi sotto la testina di lettura/scrittura. Questo tempo dipende dalla velocità di rotazione dei dischi.
Le memorie ottiche
I dischi ottici sono costituiti da un cilindro di plastica policarbonata largo circa 12 cm e alto circa 1,2 mm.
Su di esso è incisa una lunga traccia a spirale che parte dal centro e arriva all’esterno del disco ed è formata da una sequenza di aree piane (land). Durante la creazione di un CD, la traccia viene deformata con piccolissimi buchi (pit) creati sulle aree piane.
Creando i pit sulla spirale non si fa altro che scrivere i singoli bit di ogni byte, 0 (land) e 1 (pit), che poi possono essere letti attraverso una testina che emette un fascio di luce (laser) e rileva dove viene riflessa (pit) o meno (land).
Per un lettore ottico, la velocità di trasferimento dati è espressa in byte/sec.
I primi lettori avevano una velocità di 150 KB/sec e questo ordine di grandezza è divenuto il riferimento per rappresentare le velocità dei modelli successivi, che infatti si indicano con i simboli 2×, 8×, 50× ovvero con i multipli di quella di riferimento, corrispondenti, rispettivamente, a 300, 1200, 7500 KB/sec.
Tutte le memorie ottiche sono ad accesso sequenziale, mentre i dischi magnetici, così come la memoria RAM, sono ad accesso diretto.
Tra le memorie citate sopra, la più veloce è ovviamente la RAM.
Tipi di memorie ottiche
- I CD-ROM sono del tutto simili ai CD usati per registrare la musica. La sigla ROM (Read Only Memory) segnala che i dati, una volta memorizzati su CD, divengono indelebili, pertanto il CD potrà essere soltanto letto. La capacità tipica è di circa 700–900 MB.
- I DVD-ROM (Digital Versatile Disc-ROM) esteriormente sono analoghi ai CD-ROM, ma possono contenere da 4,7 a 17 GB. Sono usati soprattutto per registrare i film digitali, ma possono contenere anche dati.
- Il Blu-ray Disc è il supporto ottico proposto da Sony agli inizi del 2002 come evoluzione del DVD per la televisione ad alta definizione. Grazie all’utilizzo di un laser a luce blu, riesce a contenere più di 50 GB di dati, quasi 12 volte di più rispetto a un DVD. Il primo apparecchio ad aver utilizzato commercialmente questa tecnologia è stato la PlayStation 3.
Altre memorie di massa
Il monitor
Il monitor, spesso indicato anche con i termini display oppure schermo, è una periferica di output, utilizzata per la visualizzazione di immagini e video.
Quando si studia un monitor, bisogna tenere conto dei seguenti parametri fondamentali:
- Profondità di colore o color depth
- Risoluzione o resolution
- Dimensione o size
- Frequenza di aggiornamento o refresh rate
- Rapporto d’aspetto o aspect ratio
Il pixel
Il pixel è l’unità minima convenzionale della superficie di un’immagine digitale.
Ogni immagine, ogni frame di un video, è costituito da numerosi pixel. Per visualizzare correttamente un’immagine, il computer deve memorizzare il colore di ogni pixel che la compone.
Come ogni informazione, anche i pixel sono codificati utilizzando bit.
La profondità di colore
La profondità di colore è il numero di bit utilizzato per codificare il colore di un pixel.
Utilizzando N bit per ogni pixel, il pixel può avere 2N colori diversi.
Ad esempio, se la profondità di colore è di 4 bit, allora ciascun pixel può assumere 24 = 16 colori diversi.
L’unità di misura della profondità di colore è il bit/pixel (bit per pixel), talvolta indicata con la sigla bpp.
La risoluzione
La risoluzione di un monitor è il numero di pixel che lo costituiscono.
L’unità di misura della risoluzione è il numero di pixel (pixel, o talvolta p, oppure px).
La risoluzione è sempre indicata come prodotto di due numeri O x V, dove:
- O indica il numero di pixel lungo la direzione orizzontale
- V indica il numero di pixel lungo la direzione verticale
Ad esempio, un monitor con risoluzione di 1280 × 720 pixel ha 1280 pixel lungo la direzione orizzontale, 720 pixel lungo la direzione verticale.
Un monitor può avere una risoluzione qualsiasi. Però, i monitor in commercio hanno delle risoluzioni più diffuse di altre. Per queste si usa spesso un’abbreviazione.
Ad esempio, la risoluzione 1280 × 720 pixel, molto diffusa, è spesso indicata con l’abbreviazione 720p. Ovvero, si indica solo il numero di pixel lungo la direzione verticale, seguito da una p, per abbreviare le risoluzioni più diffuse.
Risoluzioni molto popolari sono: 720p (= 1280 x 720 pixel) anche indicato come HD 1080p (= 1920 x 1080 pixel) anche indicato come Full HD 2160p (= 3840 x 2160 pixel) anche indicato come 4K Ultra HD
La dimensione
La dimensione di un monitor è l’effettiva grandezza della superficie del monitor stesso.
Come ogni superficie, essa può essere misurata in metri quadrati.
Tuttavia, la grandezza di uno schermo è spesso misurata tenendo conto della lunghezza della diagonale del monitor, misurata in pollici (in inglese, inches).
La frequenza di aggiornamento
La frequenza di aggiornamento di un monitor è il numero di frame mostrati in un secondo.
Quando guardiamo un video, il monitor ci sta mostrando in realtà una sequenza di immagini. Tali immagini si susseguono tanto rapidamente che il nostro cervello non riesce a distinguere l’una dall’altra.
La frequenza di aggiornamento è misurata in Hertz (Hz) oppure, equivalentemente, in frame al secondo (frame/s, spesso abbreviato come fps)
Il rapporto d’aspetto
Il rapporto d’aspetto di un monitor è la relazione tra la sua larghezza e la sua altezza
Il rapporto d’aspetto è rappresentato da due numeri separati da due punti (x:y), dove x rappresenta la larghezza e y l’altezza.
Comuni rapporti d’aspetto sono 4:3, 16:9, 16:10, 3:2.
Ad esempio, il rapporto d’aspetto 4:3 indica che il monitor ha una larghezza pari a circa 1,33 volte la propria altezza.
