02. Anatomia del computer

Astrazione di von Neumann

Von Neumann è stato un matematico, fisico e informatico statunitense al quale si devono grandi contributi nella modellizzazione e realizzazione dei primi computer.

Von Neumann, inventore del computer EDVAC (la prima macchina programmabile tramite software)

L'architettura di von Neumann è stata sviluppata intorno al 1940 ed ha per oggetto la struttura hardware dei computer programmabili. La principale ideazione è stata quella di prevedere che i dati e le istruzioni di un programma condividano lo stesso spazio di memoria.

L'importanza dell'architettura di von Neumann è notevole in quanto è ancora attuale ed è quella su cui si basano i moderni computer programmabili.

Lo schema si basa su cinque componenti fondamentali:

    • CPU (o unità di lavoro) che si divide a sua volta in:

      • unità operativa, nella quale uno dei sottosistemi più rilevanti è l'unità aritmetica e logica (o ALU);

      • unità di controllo, che stabilisce in ogni istante quale operazione deve essere eseguita.

    • Unità di memoria, intesa come memoria centrale o memoria principale (coincide con la RAM, Random Access Memory e la ROM, Read Only 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.

In questo modello la memoria di massa è considerata una periferica di I/O.

CPU

La CPU, l'unità centrale di elaborazione (central processing unit), può essere formata da un unico chip o da più chip.

Un chip (o circuito integrato) è un componente con connettori metallici e collegamenti interni, costituito principalmente da silicio e alloggiato in un contenitore di plastica o di metallo.

Nel chip di una CPU, i collegamenti interni sono enormemente complessi: ad esempio il processore Intel Core (una CPU per personal computer poco costosa e molto diffusa) contiene parecchie centinaia di milioni di elementi strutturali, detti transistor, gli elementi che consentono ad un segnale elettrico di controllare altri segnali elettrici, rendendo così possibile il calcolo automatico.

La CPU svolge le seguenti funzioni:

    • individua ed esegue le istruzioni del programma prelevandole dalla memoria;

    • effettua le operazioni aritmetiche (quali addizioni, sottrazioni, moltiplicazioni e divisioni) e logiche (quali AND , OR, NOT);

    • reperisce dati dalla memoria oppure ve li memorizza.

Memorie

Il computer immagazzina dati e programmi nella memoria, di cui esistono diverse tipologie.

Memoria principale

La memoria principale (o memoria centrale) è costituita da RAM e ROM.

La RAM (Random Access Memory, memoria ad accesso casuale) è veloce e relativamente costosa. Essa è costituita da chip di memoria.

La RAM è una memoria volatile, cioè necessita dell’alimentazione elettrica al fine di mantenere memorizzate le informazioni. Questo significa che ogni volta che il computer viene spento i dati presenti nella memoria principale vanno persi.

Qualsiasi programma, compreso il Sistema Operativo, per poter essere eseguito deve essere (almeno in parte) caricato in memoria centrale.

Attualmente un Personal Computer di fascia media ha da 4GB a 16GB di RAM.

Sono dette ROM le memorie a sola lettura (Read only Memory). Queste memorie sono scritte dal costruttore ma spesso possono essere aggiornate anche successivamente con procedure particolari e comunque in situazioni che si possono considerare "eccezionali"

Una importante caratteristica di questo tipo di memoria è quella di essere una memoria permanente; questo significa che le informazioni in essa registrate non si "perdono" se il computer viene disconnesso dall'alimentazione elettrica.

Nei Personal Computer la ROM è utilizzata per memorizzare il BIOS, uno speciale programma che gestisce tutta la fase di avvio del computer, fino al completo caricamento del Sistema Operativo.

Il termine ROM, utilizzato in senso generico, include memorie con caratteristiche tecniche differenti come le PROM (scrivibili una volta sola), le EPROM e le EEPROM (scrivibili più volte).

Memoria cache

E' una memoria molto veloce anche se relativamente piccola ed ha lo scopo di velocizzare l'accesso alla memoria centrale.

Questa memoria è inclusa nel chip della CPU.

Memoria di massa

La memoria di massa (o memoria secondaria), può essere un disco rigido, una memoria flash (quale una pen drive), un CD-ROM, un DVD-ROM ecc.. Essa consente la registrazione dei dati in modo relativamente economico.

Le memorie di massa sono memorie permanenti, cioè sono in gradi di mantenere le informazioni registrate anche dopo che il computer è stato spento. Normalmente le informazioni registrate sulle memorie di massa possono essere cancellate e riscritte numerose volte.

Periferiche di I/O

Le periferiche (o dispositivi) sono apparati in grado di interagire con un computer scambiando dati con esso.

Si considerano periferiche di input quelle che consentono di inserire dati nel computer:

    • tastiera

    • mouse

    • microfono

    • scanner.

Si considerano periferiche di output quelle che consentono di restituire al mondo esterno rispetto al computer i dati elaborati:

    • monitor

    • altoparlanti

    • stampante.

Dispositivi che svolgono normalmente entrambi i ruoli, come le memorie di massa o i monitor touch screen, sono considerati di input/output.

Scheda Madre

La scheda madre, in inglese motherboard o mainboard, è una scheda elettronica sulla quale sono inserite la CPU, la RAM, la ROM, la scheda video e che consente di collegare tutti gli altri dispositivi quali i dischi, il monitor, la tastiera, il mouse ecc.

Guardando più in dettaglio, generalmente sulla scheda madre si trovano:

    • il socket, destinato a ospitare la CPU;

    • gli slot per schede esterne (come la scheda video, la scheda audio, la RAM, ecc.);

    • i chipset e le varie componenti elettroniche (condensatori, transistor ecc.);

    • le porte di ingressi per altri dispositivi (il monitor, le casse audio, le porte USB, la porta LAN, ecc.).

Nei computer portatili e in quelli compatti (all in one) non sempre è possibile rimuovere i componenti dalla scheda madre e si dice che sono integrati.

La buona qualità della scheda madre è un fattore chiave per garantire alte prestazioni e affidabilità all'intero computer.