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Prof. M. Zaninelli Hardware La materia dei calcolatori Hardware 1 di 19  Prof. M. Zaninelli Definizione In inglese indica il negozio di ferramenta, la ferragli...

Prof. M. Zaninelli Hardware La materia dei calcolatori Hardware 1 di 19  Prof. M. Zaninelli Definizione In inglese indica il negozio di ferramenta, la ferraglia, le componenti metalliche e meccaniche; ma anche più genericamente, viti, bulloni, … In informatica indica altrettanto genericamente tutti gli apparati e le parti fisiche ed i componenti elettronici che costituiscono un elaboratore. Per antonomasia, a volte il computer stesso. Hardware 2 di 19  Prof. M. Zaninelli Componenti Hardware Esempi: – CPU (Central Processing Unit) – Memoria RAM – Dischi – Schermo video – Periferiche di I/O – tastiera – Mouse – Modem – … Hardware 3 di 19  Prof. M. Zaninelli Componenti Fondamentali Un calcolatore, in termini essenziali e teorici può essere sempre ricondotto a questi componenti fondamentali: 1. un’unità di elaborazione centrale (la CPU) 2. una memoria centrale (volatile, la RAM) 3. un sistema di archiviazione persistente (o di memoria persistente o di massa, tipicamente l’HD) 4. un sistema di periferiche di input/output (I/O) Hardware 4 di 19  Prof. M. Zaninelli Esempi di calcolatore Le calcolatrici da “Uovo di Pasqua” sono dei calcolatori. Infatti posseggono: – un circuito elettronico con un processore per il calcolo (CPU), – alcune celle di memoria per registrare i dati immessi quando sono accese (RAM), – una tastiera numerica e un display video (I/O) per visualizzare i dati immessi e i risultati ottenuti. Inoltre, quando vengono accese non hanno dati in memoria, mentre quando vengono spente perdono tutti i dati immessi. I telefoni cellulari, anche nei casi di modelli semplici, sono anch’essi dei calcolatori in quanto sono dotati di: – un circuito stampato con un processore dedicato (CPU), – una memoria volatile (RAM), – una SIM con una memoria persistente per mantenere i dati dell’utente, la rubrica e gi SMS anche quando il telefono è spento, – una video, una tastiera, un altoparlante, ecc come sistema di periferiche di I/O. Hardware 5 di 19  Prof. M. Zaninelli CPU, Central Processing Unit È la parte centrale, considerata il cuore o il cervello del calcolatore. È composta da un numero altissimo (decine di milioni) di circuiti stampati estremamente miniaturizzati (distanza tra circuiti quantificabile in milionesimi di millimetri) Compie costantemente delle operazioni che hanno le seguenti caratteristiche: – sono estremamente semplici e “atomiche” paragonabili a somme, sottrazioni e movimentazioni di dati tra celle di memoria, – sono numericamente tantissime ed eseguite in tempi brevissimi, – sono eseguite sequenzialmente, ossia, sempre e solamente un’operazione alla volta. Hardware 6 di 19  Prof. M. Zaninelli CPU, caratteristiche L’operatività della CPU viene quantificata in “tempo macchina”: quantità di tempo dedicato alla risoluzione esclusiva di un’attività. Il “tempo macchina” viene generalmente: – condiviso tra le attività del Sistema operativo e le attività richieste dagli Utenti, – suddiviso in unità fondamentali e assegnato con opportune strategie ai singoli processi software e a tutte le periferiche in I/O che lo richiedano. Le prestazioni della CPU sono invece misurate in “velocità”: numero (o cicli) di operazioni per secondo, ad es.: – Pentium II 450 MHz (1998) => 450.000.000 operazioni al sec. – Pentium dual core 2,2 GHz (2008) => 4.400.000.000 op. al sec. Hardware 7 di 19  Prof. M. Zaninelli CPU, architetture I calcolatori, a seconda delle loro prestazioni (e del loro prezzo) possono essere dei sistemi: – Monoprocessore => ossia dotati di una sola CPU, Intel: AMD: – Multiprocessore => quindi dotati di più CPU (generalmente 2 o 4) che condividono il carico computazionale. Intel: 2 CPU 4 CPU AMD: 2 CPU 4 CPU Hardware 8 di 19  Prof. M. Zaninelli RAM, Memoria centrale È il “luogo” utilizzato dalla CPU per l’esecuzione delle sue operazioni. Esse prevedono che il dato su cui occorre operare sia: – portato dalla memoria di massa (l’HD) ad un’area di memoria centrale (la RAM) riservata al processo software in esecuzione, – da qui, acceduto o portato in aree di memoria centrale riservate alla CPU, – utilizzato dalla CPU, – riportato “indietro” una volta terminata l’operazione. Hardware 9 di 19  Prof. M. Zaninelli RAM, Memoria virtuale Pertanto, la RAM viene generalmente suddivisa in aree dedicate: – ai processi, – al sistema operativo perché operi su questi. Inoltre, la sua dimensione può essere estesa oltre la sua dimensione fisica, tramite il concetto di memoria virtuale: emulazione di uno spazio fisico più grande di quello effettivamente disponibile attraverso il concetto di spazio degli indirizzi Hardware 10 di 19  Prof. M. Zaninelli RAM, tecnologie Esigenza: memorizzare informazioni numeriche, in particolare, sequenze di due soli simboli: lo 0 e l’1. Implementazione: disporre di un apparato che sia in grado di rappresentare due differenti modi di essere (stati). Realizzazione: sistemi che tramite un circuito (o un componente elettronico) ed un campo elettrico possano rappresentare (alternativamente) due stati fisici stabili, riconoscibili (ciascuno assegnato ad uno due possibili simboli). Nello specifico, ciò si realizza tramite differenti valori di tensione elettrica, ad es.: 0 volt => 0 5 volt => 1 Ovviamente, in assenza di campo elettrico (quindi allo spegnimento), lo stati fisico si annulla e con esso quindi anche il valore numerico rappresentata. Hardware 11 di 19  Prof. M. Zaninelli RAM, evoluzioni Confronti storici – 1988, sistema multiutente Digital VAX/750 (80 utenti contemporanei) interfaccia solo a carattere: RAM: 5 MB, costo RAM: circa 500 euro/MB (1.000.000 lire), costo elaboratore: 25.000 euro. – 2008, PC portatile, RAM DDR da 1GByte costo RAM: 10-100 euro, costo PC: 450 euro. – Ma la memoria è 200 volte più capiente! Hardware 12 di 19  Prof. M. Zaninelli Memorie di massa Con questo termine si intendono apparati dedicati esclusivamente ad immagazzinare dati, con una modalità che li renda disponibili anche in assenza di alimentazione elettrica. In generale le memorie di massa vengono divise in classi o categorie legate: al costo, alla velocità di accesso ai dati e alla tecnologia con cui sono realizzate. Hardware 13 di 19  Prof. M. Zaninelli Memorie di massa, dischi Completato la dotazione di un computer e consentono di salvare tutte le informazioni in forma di file, rendendole disponibili in maniera continuativa. Sono di alta capacità e vengono valutati e misurati in termini di spazio massimo disponibile. Capacità media di un disco da PC (2008): 120-500 Gbyte. Tecnologia: una serie di dischi paralleli e concentrici ruota ad alta velocità (5.000-15.000 giri/min), mentre una testina legge/scrive spostandosi in maniera radiale. Difetti: rotazione da motore elettrico, parti meccaniche in movimento, riscaldamento, danneggiamento da movimento e contatto fisico con la testina. Costo disco fisso 160 Gbyte: 50 euro. Hardware 14 di 19  Prof. M. Zaninelli Memorie di massa, nastri Sono unità costituite da un nastro ricoperto da una pellicola magnetizzabile. Vengono dette ad accesso sequenziale in quanto i dati vengono scritti tutti di seguito contrariamente ai dischi. Si caratterizzano per avere un accesso più lento rispetto ai dischi ma posseggono maggiori capacità di archiviazione. Sono in genere utilizzate per salvataggi periodici dei dati (backup). Capacità media di una cassetta Ultrium 4: 1,5 TB. Costo: 40 euro. Difetti: il costo del supporto e del lettore unito alla lentezza di accesso ai dati. Hardware 15 di 19  Prof. M. Zaninelli Memorie di massa, memorie a stato solido Più comunemente note come “Pen drive” o “flash memory”, sono sistemi di memoria che si caratterizzato per la totale assenza di parti meccaniche e che archiviano le informazioni, similmente ai dischi, in modo non sequenziale. Hanno sostituito floppy e dischetti (magnetici) per il salvataggio veloce e il trasporto dei dati. Capacità: 2-32 Gbyte. Tecnologia: Sfruttano concetti di fisica quantistica (effetto tunnel) Costo: basso < 3 euro/1GByte. Difetti: Limite fisico sul numero massimo di possibili riscritture. Inoltre, sono già in commercio (2010) PC portatili con dischi SSD da 160 GB ad un costo abbordabile. Hardware 16 di 19  Prof. M. Zaninelli Memorie di massa, CD e DVD Sono supporti ottici di sola lettura o riscrivibili un numero limitato di volte attraverso un masterizzatore. Vengono tipicamente utilizzati per salvataggi occasionali o periodici di medie quantità di dati, oppure, per la distribuzione massiccia di contenuti digitali (film, giochi, software). Tecnologia: una pellicola riflettente, contenuta all’interno del disco, riflette il laser emesso dal dispositivo di lettura e incidente sul disco (l’1). Se in un settore la pellicola non è presente, il laser attraversa il disco rappresentando così uno stato diverso (lo 0). Capacità: CD-ROM (max 800 MB), DVD (max 4-8 GB) Costo: basso, anche dei lettori e masterizzatori. Difetti: si possono graffiare e non essere più leggibili. Attenzione: l’integrità dei dati conservati ha una durata legata al supporto fisico, minore di quanto comunemente si immagini (poche decine di anni nel caso migliore). Hardware 17 di 19  Prof. M. Zaninelli Periferiche di I/O Con questo termine si indicano tutti gli apparati collegati al calcolatore tramite i quali sia possibile – Ricevere delle informazioni (input) dall’esterno – Mandare delle informazioni (output) verso l’esterno Sebbene sia concettualmente (e tecnicamente possibile) avere calcolatori privi di dispositivi di I/O, nella realtà ogni calcolatore ne possiede anche più d’uno in quanto tali dispositivi sono il modo con cui il calcolatore comunica con il mondo al di fuori di sé stesso (umano o altro calcolatore che sia) Hardware 18 di 19  Prof. M. Zaninelli Periferiche di I/O - esempi Stampanti Joystick Tastiere Webcam Video … Mouse Scanner Rete (scheda di) Hardware 19 di 19