02-Hardware

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Nel lontano 1945, il matematico americano di origine ungherese John Von Neumann definì l’architettura logica di un elaboratore.
Questa architettura doveva essere adottata per migliorare le operazioni di input e output delle informazioni da fornire o ricevere da un elaboratore e la loro esecuzione; fino a quel momento, era spesso necessario l’intervento dell’uomo per «preparare» la macchina all’esecuzione di un nuovo programma.

Von Neumann dimostrò che, adottando il suo modello, un elaboratore era in grado di eseguire qualsiasi calcolo (ovviamente risolvibile), senza la necessità di dover modificare fisicamente la macchina (cambiando dei collegamenti); era sufficiente modificare il programma che doveva essere eseguito dalla macchina stessa.
Fare calcoli è come cucinare.
Per cucinare, servono le seguenti cose:
– gli ingredienti che devono essere processati;
– gli strumenti per conservare gli ingredienti (es: il frigorifero);
– gli strumenti per processare gli ingredienti (es: il forno);
– le istruzioni da seguire: la ricetta.

Esploriamo questa analogia.
Per esplorare l’analogia,basta cambiare qualche termine:
per calcolare, servono le seguenti cose:
– i dati che devono essere processati;
– gli strumenti per conservare i dati: la memoria del calcolatore;
– gli strumenti per processare i dati: l’unità di calcolo (CPU);
– le istruzioni da seguire: il programma. 

Arriviamo al punto chiave.
In cucina:
Una ricetta è una cosa diversa da un ingrediente e quindi viene conservata in un posto diverso e trattata con strumenti diversi.
In un processo di calcolo:
Una istruzione è essa stessa un dato e quindi può essere conservata nello stesso posto di un dato e trattata con gli stessi strumenti. 

Il modello universale di calcolatore
Un ciclo che si ripete all’infinito:

– Leggo dalla memoria la prossima istruzione.
– L’istruzione specifica dove (ma sempre in memoria) sono contenuti i dati da elaborare.
– e quale operazione deve essere eseguita;
– e dove deve essere “scritto” il risultato del calcolo.

È altrettanto facile specificare una nuova operazione quanto modificare i dati da elaborare. 

  

 

I dati che devono essere elaborati e il programma che contiene le istruzioni sono memorizzati in quella che viene chiamata memoria dell’elaboratore; l’unità di controllo (Control Unit) preleva dalla memoria le istruzioni e i dati ed esegue su questi le operazioni richieste dal programma (o meglio richiede all’unità aritmetico-logica di svolgere per lei queste operazioni).
L’architettura di Von Neumann è ancora alla base del funzionamento dei moderni calcolatori.
Vediamo allora quali sono i componenti di una macchina binaria, con un parallelismo tra i componenti ipotizzati da Von Neumann e quelli attualmente utilizzati:

– l’unità aritmetica centrale, componente che si occupa dei calcoli e delle operazioni logiche (oggi questo componente viene definito ALU);
– l’unità di controllo che gestisce un numero finito di istruzioni in memoria e di dati (oggi normalmente questo blocco viene definito Control Unit, CU);
– la memoria che contiene dati e istruzioni (nei moderni calcolatori abbiamo registri e RAM: la memoria volatile – RAM è una delle innovazioni introdotte dal modello di Von Neumann);
– le unità di ingresso e di uscita (oggi monitor, tastiera e memorie di massa, ecc.). 

 

 

L’elaborazione avviene attraverso un insieme organizzato di risorse diverse: le risorse hardware e le risorse software.
Con il termine hardware ci si riferisce alla struttura fisica di un elaboratore elettronico cioè a tutte le componenti fisiche (quelle che possiamo vedere) che si trovano al suo interno e quelle esterne a esso che lo collegano al mondo circostante. Fanno parte dell’hardware interno all’elaboratore l’unità centrale di elaborazione, la memoria centrale, il disco fisso ecc., mentre tastiera, mouse, video, stampante ecc. fanno parte dell’hardware esterno. 

 

Con il termine software viene individuato tutto ciò che non è elemento fisico (non si vede, non ha peso) ma serve a far svolgere tutte le attività dell’hardware; si intendono cioè tutti i programmi che si utilizzano con l’elaboratore elettronico e consentono di farlo funzionare.
L’hardware senza il software si riduce a essere un insieme di apparecchiature che non producono nessun lavoro.
È il software che fa diventare un computer una macchina in grado di svolgere attività molto diverse tra loro quali scrivere una lettera, eseguire operazioni aritmetiche, disegnare, memorizzare dati.

Tipologie di computer
In base alle prestazioni i computer sono classificati in:

– Personal computer: di dimensioni ridotte e prezzi contenuti utilizzati nelle imprese, negli uffici pubblici, negli studi professionali e nelle famiglie.
– Minicomputer: calcolatore in grado gestire la condivisione di dati e programmi fra più terminali. Questo tipo di sistema, utilizzato in aziende di una certa dimensione, oggi ha un valido concorrente nella rete di computer.
– Mainframe: elaboratori usati ove sono necessari l’elaborazione e il trasferimento di elevate quantità di dati come, per esempio, in una banca.

– Laptop: sono i computer portatili. Questi computer hanno un ingombro modesto e peso ridotto e quindi possono essere trasportati agevolmente. Le loro prestazioni sono simili a quelle dei personal computer, ma il loro prezzo è notevolmente superiore a parità di prestazioni.
– Palmare o PalmTop: È un Personal Computer di ridotte dimensioni, facilmente trasportabile, con proprio sistema operativo e software applicativi; ha scarse risorse hardware, ma sufficienti per utilizzarlo in alternativa ad un desktop e un notebook quando si è lontani dal posto di lavoro e i compiti da svolgere sono semplici; permette facile interfacciamento con altri Personal Computer per il trasferimento dati e la navigazione su Internet.

– Un computer che disponga dell’hardware e del software necessario per la connessione ad una rete si chiama Network Computer.
– Così come Workstation è un Personal Computer di elevate potenzialità simile a un desktop, ma con componenti hardware più performanti; viene di solito usato per applicativi dove sono richieste elevate capacità di calcolo, ad esempio in ambito grafico, audio e video.

Possiamo ancora classificare i computer sulla base del loro utilizzo; avremo allora:
– Computer General purpose: adatti a risolvere problemi generici in diversi settori.
– Computer Special purpose: progettati per scopi specifici.

 

Un terminale è un dispositivo composto essenzialmente da monitor e tastiera.
I terminali che possiedono CPU sono in grado di svolgere almeno qualche operazione di elaborazione in modo autonomo e sono detti terminali intelligenti, quelli che non possiedono CPU non sono in grado di compiere alcuna elaborazione autonomamente e sono detti terminali stupidi.
In genere i terminali vengono collegati a un minicomputer o a un mainframe condiviso da più utenti.

Componenti di base di un personal computer
Un personal computer è una macchina in grado di ricevere informazioni, di elaborarle seguendo le istruzioni di un programma e di fornire i risultati. 

 

Le elaborazioni che un computer deve saper svolgere sono:

• eseguire problemi di natura diversa (scrivere un testo, stampare una fattura, realizzare un grafico);
• eseguire operazioni di calcolo e operazioni logiche (per esempio, confrontare due numeri, due date);
• elaborare sia dati numerici sia dati non numerici (i dati non numerici sono quelli che non hanno significato numerico, quali nomi, descrizioni, codici);
• eseguire una successione di operazioni codificate mediante un linguaggio di programmazione;
• memorizzare le informazioni. 

Per poter eseguire queste operazioni un computer deve essere costituito essenzialmente da:

• unità centrale di elaborazione: si può considerare come il cuore del computer, cioè quell’unità che governa l’elaborazione;
• memoria centrale: è il supporto sul quale l’unità centrale legge e scrive i dati e le istruzioni dei programmi;
• memorie di massa: servono per conservare in modo permanente programmi e dati elementari. Si distinguono in:
  – disco fisso (hard disk): supporto magnetico (solitamente non estraibile) di grandi capacità;
  – dischetto (floppy disk): disco estraibile di piccole dimensioni;
  – zip disk: disco estraibile di medie capacità;
  – CD-ROM: disco estraibile di grandi capacità;
• dispositivi di input: servono per introdurre dati nel computer, per esempio, dalla tastiera o da un archivio contenuto in una memoria di massa;
• dispositivi di output: servono per comunicare i dati elaborati dal computer. I risultati dell’elaborazione possono essere inviati allo schermo, alla stampante oppure memorizzati in un archivio contenuto in una memoria di massa.

La scheda madre serve per collegare elettronicamente i vari componenti di un computer. 

Essa contiene un supporto dove va inserita l’unità centrale di elaborazione e i supporti dove vanno inseriti i moduli di memoria RAM.
Gli altri dispositivi sono collegati alla scheda madre tramite connettori, come, per esempio, l’hard disk, il floppy disk, il CD-ROM, oppure delle sedi, chiamate slot, dove vanno inserite altre schede come, per esempio, la scheda grafica, la scheda sonora.

Microprocessore. È ovviamente il componente più importante presente sulla scheda madre; viene inserito in uno zoccolo ZIF (Zero Insertion Force) per facilitarne la rimozione.
Ogni famiglia di microprocessori è dotata di un certo numero di piedini (fino a 478).
I microprocessori più recenti, oltre alle alette di raffreddamento, hanno una ventola per facilitare la dissipazione del calore.
Al microprocessore (noto anche con il nome di CPU) sono demandate tutte le funzioni di controllo ed esecuzione delle istruzioni che costituiscono i programmi da eseguire. È ovvio quindi che le sue caratteristiche influenzano pesantemente le prestazioni di un PC (anche se in realtà queste ultime dipendono anche dal software utilizzato – Sistema Operativo, BIOS, programmi – e dagli altri componenti hardware presenti).
La maggior parte dei PC utilizza microprocessori in grado di eseguire programmi le cui istruzioni sono compatibili con i microprocessori Intel della serie 80×86; esistono inoltre i microprocessori RISC (Reducted Instruction Set Computer). 
 

La frequenza del clock costituisce un’importante indicazione sulle prestazioni della CPU che risulta tanto più efficace quanto più è elevata la frequenza del clock.
Si tenga presente che per ogni CPU esiste un limite di frequenza che non deve essere superata per non incorrere in problemi tecnici dovuti al surriscaldamento o a fenomeni elettromagnetici.
Alcune operazioni vengono eseguite in un ciclo di clock, altre ne richiedono più di uno, ne segue che il numero di operazioni è inferiore al numero di oscillazioni dell’orologio.
La velocità della CPU si misura in MIPS (Millions Instructions Per Second), milioni di istruzioni per secondo.

Controller o chip set. È un insieme di chip (normalmente due, il NorthBridge e il SouthBridge) di supporto al microprocessore che consentono l’interfaccia del microprocessore con gli altri circuiti delle diverse schede, con le memorie, con l’hard disk. Un esempio per tutti: Intel 850.
Memoria ROM. Memoria di sola lettura, normalmente di tipo EEPROM (o Flash Memory), che contiene il BIOS (Basic Input Output System), cioè le istruzioni eseguite all’accensione del PC che precedono il caricamento del sistema operativo e permettono al microprocessore di riconoscere, inizializzare e diagnosticare i dispositivi hardware presenti.

Memoria Cache. Si trova all’interno del microprocessore (cache di primo livello o L1) come banchi di memoria alloggiati in appositi zoccoli (cache di secondo livello o L2).
Attualmente la dimensione della memoria cache arriva a 512 kByte e si tende a integrarla all’interno del microprocessore. Ha tempi di accesso nell’ordine di 10 miliardesimi di secondo.

Memoria principale o di sistema. Costituisce la memoria fisica che il microprocessore è in grado di vedere; è costituita da moduli DIMM, SIMM, DDR o RAMBUS alloggiati in appositi slot (zoccoli di espansione di memoria).
Il sistema riconosce automaticamente all’avvio la quantità di memoria presente.
I moduli DIMM sono costituiti da circuiti stampati con diversi integrati di memoria.
Un modulo SIMM può avere una capacità da 8 a 32 M Byte, mentre i moduli DIMM arrivano a capacità superiori (per esempio 512 MByte).
I moduli DDR e le memorie RAM-BUS, anch’essi di grande capacità, lavorano con prestazioni superiori rispetto alle memorie DIMM.
Ogni scheda madre può essere equipaggiata con diversi moduli di memoria a seconda delle esigenze. Attualmente si richiedono almeno 4 GByte di RAM.
Un particolare circuito del chipset, il controller della memoria, permette di interfacciare il microprocessore ai circuiti di memoria (infatti lavorano a velocità diverse). Un altro circuito, il controller DMA (Direct Memory Access) consente l’accesso diretto alla memoria: quando si rende necessario trasferire pacchetti o blocchi contigui di dati tra diverse zone della memoria o tra dispositivi di I/O e memoria o viceversa, non viene coinvolto il microprocessore, che continua ad eseguire altri compiti, senza occuparsi di questo tipo di operazioni.

 

Memoria tampone. È un circuito che memorizza anche a PC spento informazioni relative alla configurazione hardware corrente del PC stesso, in modo che alla successiva accensione il microprocessore possa accedere velocemente a queste informazioni per rilevare nuovi componenti.
PIC: controllore programmabile delle interruzioni. Il PIC (Programmable Interrupt Controller) è un circuito che gestisce gli Interrupt: quando un dispositivo (tastiera, timer, ecc.) necessita di un intervento del microprocessore, questo deve interrompere il normale corso delle sue operazioni per gestire appunto queste interruzioni. Il PIC gestisce gli Interrupt, assegnando diversi livelli di priorità: ogni periferica ha un ingresso dedicato e un certo livello di priorità; gli ingressi sono chiamati IRQn: la porta parallela costituisce IRQ7 con priorità 0 (bassa), il timer – IRQ0, ha priorità 15, la più alta.

 

Orologio di sistema. Circuito che fornisce data e ora; ha una batteria che ne garantisce il funzionamento anche a PC spento.
Slot ISA. Sono connettori (ormai praticamente scomparsi) per schede di espansione conformi allo standard ISA: la comunicazione avviene tramite trasferimento in memoria a 8 o 16 bit, con velocità massima di trasferimento di 8 MHz; lo slot è diviso in due zone, una con 62 contatti per la comunicazione a 8 bit, l’altra con 18 contatti per la comunicazione a 16 bit. I segnali elettrici sono suddivisi in segnali dedicati all’indirizzamento, alla gestione degli Interrupt, al controllo DMA e all’alimentazione.
Slot PCI. Sono connettori più piccoli degli ISA, consentono l’alloggiamento di dispositivi conformi allo standard PCI, lavorano con trasferimento fino a 32 bit e sono sincroni (con un segnale di clock a 33 MHz) e consentono velocità massima di trasferimento di 133 MByte/s.
Slot AGP. Ha un numero maggiore di contatti rispetto al PCI e viene utilizzato per alloggiare singole schede di accelerazione grafica. Lavora con gruppi di 32 bit a 66 MHz, consente un trasferimento massimo fino a 532 MByte/s (necessita di opportuno controller).
Slot PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), ufficialmente abbreviato in PCIe, è uno standard di interfaccia d’espansione a bus seriale per computer, progettato per sostituire i vecchi standard PCI e AGP.
È basato su un trasferimento dei dati seriale, a differenza di quello parallelo del PCI, che semplifica il layout del circuito stampato delle schede madri ed è costituito da una serie di canali. Ciò consente una notevole modularità, in quanto possono essere aggregati più canali per aumentare la banda passante disponibile o per supportare particolari configurazioni, come ad esempio l’utilizzo di due o più schede video; inoltre la larghezza di banda di ciascun canale è indipendente da quella degli altri.
PCI Express è stato progettato per sostenere il sempre maggior fabbisogno energetico delle schede video di ultima generazione. Infatti, a differenza dello slot AGP, in grado di erogare un massimo di 50 Watt, la revisione 1.x di PCI-ex supporta carichi fino a 75 W, permettendo così di eliminare il connettore MOLEX dalle schede di fascia media e medio-bassa anche se è rimasto per tutte le altre.
Queste porte prodotte dalla Intel e che hanno debuttato nel 2004, presentano un’ampiezza di banda del Bus che raggiunge i 15,754 GB/s.

Connettore per la tastiera. Consente la comunicazione seriale con la tastiera. Utilizza un apposito controller.
Controller tastiera. È il circuito che esegue un programma per identificare i tasti premuti sulla tastiera.
Connettori IEEE 1394 Firewire. Consentono collegamenti seriali ad alta velocità di dispositivi esterni; è uno standard recente.
Connettori per comandi e segnalazioni. Sono i connettori per i led di indicazione, per l’interruttore di accensione e il pulsante di reset presenti sul pannello frontale del case.
Connettori IDE primario e secondario. Consentono il collegamento con dispositivi di memoria di massa con standard ATA o ATAPI (hard disk o CD Rom IDE). Hanno 40/80 connessioni elettriche; consentono ciascuno il collegamento di 2 dispositivi (uno master e l’altro slave).
Se è presente un controller apposito che rispetta lo standard UltraDMA/33 si può arrivare ad una velocità di trasferimento fino a 66 MByte/s.
Un connettore a parte è riservato alla connessione con il lettore floppy.
Il controllo dei dispositivi connessi a questi connettori è demandato a circuiti interni al chipset piuttosto che a controller dedicati.
Connettori SCSI. Sono connettori a 50 piedini che consentono il collegamento di dispositivi di memoria di massa conformi a questo stan­dard. Si può arrivare a collegare fino a 7 di­spositivi grazie ad un apposito controller (più veloce rispetto al controller IDE). 

Porte seriali e loro connettori. Le schede madri di recente costruzione incorporano i connettori per le porte seriali con opportuni controller per le funzioni di comunicazione seriali (standard UART: Universal Asinchronous Receiver Transmitter), che in pratica effettuano conversioni parallelo-seriale e viceversa; i connettori si interfacciano con l’esterno con prese DIN9 o DIN25; è possibile trovare delle schede con porte seriali sugli slot ISA.
Le porte seriali sono identificate con le sigle COM 1, COM2, ecc. e permettono il trasferimento di dati a una velocità massima di 115,2 kbaud; lo standard utilizzato per la comunicazione seriale è il RS232.
Porte parallele e loro connettori. Attraverso questa porta, la trasmissione dati avviene in forma parallela, senza loro conversone in forma seriale; viene utilizzato un circuito interno al chipset per la supervisione del trasferimento dati. Consentono il collegamento con dispositivi quali scanner e stampanti mediante porte DIN25 femmine; le porte parallele sono identificate con le sigle LPT1, LPT2, ecc.
Porta seriale USB. Sui connettori USB sono presenti, oltre ai segnali per la comunicazione seriale USB, segnali per fornire alimentazione alle periferiche collegate (casse, modem, mouse, ecc.). Consente di collegare dispositivi con interfaccia USB; su un unico cavo possono essere collegate più periferiche. Lo standard USB 1.1 consente velocità fino a 12 Mbit/s; lo standard USB 2.0 velocità 40 volte superiori allo standard precedente, cioè fino a 480 Mbit/s; lo standard USB 3.1 consente velocità fino a 10Gbit/s.
Connettore porta giochi. Consente il collegamento con il joystick.
Connettore alimentatore. Consente di collegare l’alimentazione alla scheda madre.
Scheda video – scheda audio integrate. Contengono tutti i chip che costituiscono la scheda video o la scheda audio.
Schede di espansione. Le schede di espansione sono circuiti stampati con un certo numero di circuiti integrati; su un Iato presentano un connettore che dovrà essere inserito in uno degli slot della mother board e su un altro lato possono avere delle prese per la connessione con dispositivi esterni. In generale le schede di espansione svolgono funzioni non implementate dalla scheda madre e permettono di estendere le potenzialità della stessa.
Tra le schede che implementano le funzioni standard abbiamo:

• la scheda video, per l’interfacciamento tra mother board e monitor; può avere integrato un acceleratore grafico; oggi il sistema video più diffuso è il SuperVGA: lo schermo viene diviso in 1024 colonne per 768 righe per un totale di circa 800.000 pixel; inoltre un monitor può essere interlacciato e non interfacciato (nel primo caso per completare un’immagine bisogna fare due passaggi, mentre nel secondo basta una volta sola, evitando fenomeni di sfarfallio). Infine possiamo utilizzare un numero variabile di colori: a seconda dei bit usati per definire il colore di ogni pixel, potremo utilizzare dai 16 colori ai 16,8 milioni di colori;
• le schede per le porte seriali e parallele, che permettono connessioni con dispositivi esterni (stampanti, scanner, modem, ecc.)

Tra le schede non standard abbiamo, ad esempio, schede per l’accelerazione grafica, schede per l’interfacciamento verso dispositivi industriali (motori, PLC…), schede per l’acquisizione video, modem interni.

Abbiamo ancora schede con funzionalità particolari:

– schede per l’elaborazione di segnali;
– schede per l’acquisizione dati;
– schede di rete, per la connessione del PC ad una rete di computer;
– e molte altre.

Le schede si possono classificare quindi a seconda della loro funzionalità, oppure possono essere di input, di output o di input/output; inoltre possiamo avere schede con connettore ISA, PCI o AGP.
Le schede PCI permettono trasferimento a velocità maggiori ma in generale hanno costi superiori rispetto alle schede ISA.

Hard disk
L’hard disk o disco fisso, è un dispositivo di memoria di massa. Viene utilizzato per memorizzare in modo permanente le informazioni (dati e programmi), che rimangono memorizzate anche dopo lo spegnimento del PC. È costituito da più dischi di alluminio ricoperti da materiali ferromagnetico, da un certo numero di testine per la lettura e la scrittura delle informazioni e da un dispositivo di controllo (controller); i dischi ruotano attorno al loro asse e le testine, traslando radialmente, si posizionano su una particolare «zona» della superficie magnetizzabile.
Gli hard disk si differenziano per la loro capacità di memorizzazione, espressa in multipli di Byte (oggi si hanno comunemente HD da 120 GByte e oltre), dalla velocità di accesso ai dati (in lettura e in scrittura) e dalla tipologia del connettore, che collega l’hard disk alla mother board (IDE o SCSI).

 

Parametri di un disco rigido
Capacità: quantità totale di dati memorizzabile (misurabile in GigsByte o in TeraByte).
Data rate: numero di byte trasferibili nell’unità di tempo (valori tipici sono nell’ordine dei 5-40 MB/s).
Tempo di accesso: tempo che intercorre fra la richiesta di un dato e la fornitura del primo byte (valori tipici vanno da 10 a 20 ms).

 

Struttura di un disco rigido
Uno o più dischi sono connessi fra loro da un perno rotante (mosso da un motore ad alta precisione – passo passo).
Ogni disco è registrabile su entrambe le facce. Per ogni superficie vi è una testina in grado di leggere/scrivere su di essa.
Tutte le testine sono connesse fra loro da un braccio mobile.

 

Le superfici dei dischi
Ogni superficie registrabile di un disco rigido è suddivisa in tracce, ovvero, in circonferenze concentriche:

Le tracce
Ogni traccia di una superficie registrabile di un disco rigido è ulteriormente suddivisa in porzioni chiamate settori.
Un settore (tipicamente della dimensione in grado di contenere 256-512 byte) è la porzione di superficie più piccola che una testina può leggere/scrivere con un’unica operazione.
La formattazione di un disco segna fisicamente l’inizio e la fine di ogni settore in modo che le testine li possano localizzare.
Cilindri di un disco rigido
Le tracce corrispondenti (ovvero, aventi la stessa distanza dal perno) sulle diverse superfici registrabili di un disco rigido costituiscono un cilindro.
Quindi per la specifica di un particolare settore, abbiamo bisogno di tre parametri:
cilindro su cui è posizionato il settore,
superficie del cilindro su cui è posizionato il settore,
settore all’interno della traccia.

Lettura/ scrittura su disco rigido
Ogni operazione di lettura/scrittura su disco rigido è composta dai seguenti passi:
spostamento delle testine sul cilindro corrispondente (il tempo impiegato è noto come seek time),
attivazione della testina della superficie corretta (quella su cui si trova il settore),
rotazione del disco finché il settore corretto non si trovi sotto la testina (il tempo impiegato è noto come latency time),
trasferimento dei dati dal disco (lettura) oppure verso il disco (scrittura).
Tempo di accesso = seek time + latency time.

Lettore CD Rom
È un dispositivo presente ormai in tutti i PC; permette la lettura dei CD Rom e dei normali CD audio. I CD hanno una capacità di memorizzazione elevata, molto maggiore di un semplice floppy disk; vista la dimensione dei programmi che vengono oggi comunemente utilizzati, i CD sono diventati il supporto standard per il trasporto delle informazioni.

Masterizzatori
Dispositivi che permettono la scrittura e/o la riscrittura di informazioni su CD. Si dividono in masterizzatori che permettono la semplice scrittura di informazioni e in masterizzatori che permettono anche la riscrittura delle stesse (utilizzando particolari supporti). Permettono di memorizzare fino a 700 MB di informazioni su un singolo disco. 

Lettori DVD Rom
Sono i lettori dei recenti dischi DVD, utilizzati per memorizzare grandi quantità di dati come ad esempio interi film.

Masterizzatori DVD
Dispositivi che permettono la scrittura di dischi DVD, che hanno una capacità di memorizzazione che può arrivare ad 8 GB su singolo supporto. 

Il CD è un disco dello spessore di 1,2 mm composto dai seguenti strati:

• uno strato di policarbonato trasparente su cui, lungo una spirale che parte dal centro del disco, vi è una successione di zone piatte e di rientranze (bumps) incise con un procedimento di stampatura;
• un foglio sottile di alluminio che riflette la luce, uno strato di materiale acrilico di protezione, l’etichetta. 

  

CD: principio di funzionamento
Un raggio laser viene proiettato verso lo strato di policarbonato (dal lato opposto all’etichetta) seguendo la spirale.
Viene misurata la quantità di luce riflessa che varia a seconda se viene colpita una rientranza (interpretata come 0) oppure una zona piatta (interpretata come 1).
Spesso, per ragioni di affidabilità, un 1 viene codificato come il passaggio da una rientranza ad una zona piatta e lo 0 come la mancanza di tale passaggio.

 

 

CD-ROM
I Compact Disk realizzati con il procedimento di stampatura descritto vengono detti CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory).
Infatti essi, una volta usciti dalla fabbrica, non sono più modificabili e possono soltanto essere solamente letti.

CD-R
I CD-R (Compact Disk – Recordable) sono dei CD scrivibili tramite i cosiddetti “masterizzatori”, che sfruttano un procedimento chimico.
In un CD-R fra lo strato di alluminio e il policarbonato vi è uno strato composto da un materiale fotosensibile (dye).
Inizialmente lo strato di materiale fotosensibile è trasparente e quindi la luce del laser lo attraversa e viene riflessa dallo strato di alluminio.
Se un laser di una certa intensità e frequenza colpisce lo strato fotosensibile, la porzione colpita si annerisce permanentemente, divenendo opaca (burned) e non lasciando più passare la luce. In questo modo le zone annerite codificano degli 0 e le zone rimaste trasparenti degli 1.
I masterizzatori hanno due laser:
uno di bassa potenza per leggere (senza alterare lo strato fotosensibile),
uno di maggiore potenza per “bruciare” lo strato fotosensibile.
Il procedimento di masterizzazione è irreversibile: una volta annerita una zona non può tornare allo stato trasparente iniziale.

 

 

CD-RW
Un CD-RW (Compact Disk – ReWritable) consente di usare uno stesso disco per più di una masterizzazione.
Al posto dello strato di materiale fotosensibile dei CD-R, vi è uno strato di un composto a base di argento, antimonio, tellurio e indio, noto come PCC (Phase Change Compound).
Il PCC ha la caratteristica di essere trasparente allo stato solido e opaco allo stato liquido.
Per cristallizzare (rendere solida) o liquefare una zona dello strato di PCC, è sufficiente portarla alla temperatura di 200º C o 600º C rispettivamente per un certo tempo.
Nei masterizzatori ciò avviene tramite il laser.
Una volta cristallizzato o liquefatto, il PCC mantiene lo stato anche se viene meno la fonte di calore.
Dato che per cambiare lo stato di una zona dello strato di PCC ci vuole un certo tempo, il procedimento di scrittura di un CD-RW è più lento rispetto a quello di un normale CD-R.

 DVD-ROM
Un DVD (Digital Versatile Disk) è costruito impiegando gli stessi materiali dei CD e seguendo lo stesso principio: l’informazione viene codificata mediante un alternarsi di rientranze e zone piatte.
Tuttavia la spirale in un DVD è più stretta (740 nm invece di 1.600 nm) ed è possibile avere più strati di policarbonato, separati da strati metallici riflettenti o parzialmente riflettenti.
Analogamente a CD-ROM, DVD-ROM significa DVD – Read Only Memory.

Tipologie di DVD-ROM
A seconda del numero di strati di policarbonato presenti si hanno i seguenti tipi di DVD-ROM:

• single-sided, single layer: analogo ad un CD-ROM; tuttavia la spirale più stretta consente di memorizzare fino a 4,7 GB invece di 700 MB;
• single-sided, double layer: 2 strati di policarbonato separati da uno strato di materiale dorato semitrasparente: sono misurabili 4 diverse intensità di luce riflessa (2 per le rientranze e zone piatte dello strato interno e 2 per le rientranze e zone piatte dello strato esterno); consente di memorizzare fino a 8,5 GB;
• double-sided, double layer: 4 strati di policarbonato (2 per lato); questo tipo di DVD-ROM non ha quindi etichetta e consente di memorizzare fino a 17 GB.

 

Scheda audio
E una scheda, normalmente PCI, che converte segnali audio in forma digitale e byte in segnali audio.
Permette di acquisire dei segnali (ha dunque delle prese di input per microfono o audio mono/stereo) e la loro riproduzione (uscite per cuffie o uscite audio amplificate per altoparlanti).
Le schede audio, all’atto dell’acquisizione di un segnale, ne effettuano un campionamento ad una particolare frequenza che può essere impostata dall’utilizzatore; inoltre ciascun campione può avere una certa risoluzione. Hanno di solito un generatore di suoni MIDI che permette di generare brani musicali in modo autonomo.
Le schede madri recenti hanno normalmente la scheda audio integrata.

Scheda di acquisizione video
Permettono l’acquisizione di immagini, trasformando segnali analogici in segnali digitali.
Abbiamo schede PAL e NTSC, utilizzate per acquisire segnali generati da prese di videoregistratori o da videocamere amatoriali, schede per digitalizzare immagini da videocamere professionali e schede per il collegamento di telecamere analogiche o digitali su bus ISA o PCMCIA o porta parallela (ad esempio webcam per videoconferenze su Internet).

Schede di comunicazione
Sono utilizzate per il collegamento tra di loro di 2 o più PC, in modo che possano scambiarsi informazioni. I PC possono essere connessi utilizzando diversi supporti fisici (cavi coassiali, doppini telefonici, trasmissioni telefoniche, ecc.). La scheda di comunicazione permette il collegamento del PC al mezzo trasmissivo: abbiamo quindi schede di rete o schede modem (meglio note come modem interni).
Il compito della scheda di comunicazione è quello di gestire correttamente lo scambio dati tra le unità connesse (sincronizzazione, correzione degli errori); la comunicazione normalmente è di tipo seriale.

Connettori «esterni»
Sul retro del case abbiamo:

– presa per la tastiera (di tipo PS/2 o altri);
– presa per il mouse;
– presa per la porta parallela (stampante, ecc.);
– presa di alimentazione.

Dispositivi esterni
Tastiera
Dispositivo di input, presente in ogni PC, permette di interagire con la macchina mediante la pressione di tasti o di combinazioni di tasti.
Abbiamo tasti con funzioni di tipo «alfanumerico», che permettono di inviare un carattere al sistema e tasti con funzioni particolari di controllo (tasti Invio, Esc, Ctrl, Alt, ecc.).
La tastiera di solito è suddivisa in diverse sezioni:

– tastierino numerico, a destra;
– tasti per lo spostamento del cursore;
– tasti alfanumerici e speciali;
– tasti funzione.

La tastiera standard ha 102 tasti, che possono assumere funzioni differenti a seconda della nazione in cui la stiamo utilizzando.

Mouse
Il mouse è un dispositivo di puntamento standard, che permette una facile interazione con le risorse del computer: è infatti sufficiente spostarlo su un tappetino detto mouse pad, per muovere corrispondentemente un cursore sul monitor e premere uno dei tasti per impartire un comando al sistema. I mouse sono dispositivi seriali; possono avere 2 o 3 tasti (sinistro, centrale e destro), possono avere una rotella posta superiormente e altri tasti laterali, possono avere un meccanismo di movimento costituito da una sferetta che tocca dei microinterruttori e sposta conseguentemente il cursore oppure possono essere ottici, per cui la movimentazione del cursore avviene grazie alla posizione di alcuni sensori ottici, possono essere cordless e quindi non avere cavi di collegamento ma trasmettere informazioni a radiofrequenza.
I dispositivi di puntamento dei notebook sono costituiti dal trackball o dal touchpad; il trackball è una sfera posizionata immediatamente sotto alla tastiera che viene fatta ruotare e sposta il cursore e il touchpad è una zona rettangolare sensibile al tatto sulla quale lo scorrimento di un dito o di una punta di matita provoca lo spostamento del cursore sul video. Abbiamo poi due tasti che hanno le stesse funzioni dei pulsanti di un mouse tradizionale. 

 

Altri dispositivi di input sono:

• lo scanner, consente di acquisire immagini o di leggere testi scritti. Mediante software è possibile il riconoscimento ottico dei caratteri tipografici e trasformare, per esempio, una pagina di una rivista, in documento testo;
• la penna ottica, serve per leggere il codice a barre formato da segmenti verticali e si usa, per esempio, nei centri commerciali per leggere i dati riguardanti i prodotti: descrizione del prodotto, prezzo, Iva ecc.
• il joystick, consente di controllare oggetti in movimento sul video e viene usato nei videogiochi.

 

Dispositivi di output
I dispositivi di output sono tutti quei dispositivi che servono per comunicare all’esterno i risultati dell’elaborazione.
Il video è il dispositivo standard di uscita per la visualizzazione delle informazioni. Abbiamo monitor a CRT, cioè con tubo a raggi catodici e monitor LCD, cioè a cristalli liquidi. Il segnale elettrico fornito dalla scheda video viene convertito in una immagine; il funzionamento alla base dei monitor CRT è simile a quello dei normali televisori, sono ingombranti e di basso costo. I monitor LCD invece hanno dimensioni ridotte (spessore) ma costo elevato; sono i monitor utilizzati dai PC notebook.
Vediamo quali sono i parametri caratteristici di un monitor:

• dimensione dello schermo, espressa in pollici; è la misura della diagonale dello schermo (15″, 17″, 19″, e superiori);
• risoluzioni supportate, cioè dimensioni orizzontale e verticale della schermata visualizzata espresse in pixel. Il pixel (picture element) è la minima unità indipendente dell’immagine riprodotta.
• Esempi di risoluzione (orizzontale x verticale): 640 x 480, 1024 x 768, ecc.
• Ad esempio, a parità di dimensione fisica di un monitor, una risoluzione di 1024 x 768 permette una migliore definizione dell’immagine rispetto ad una risoluzione inferiore, ad esempio 800 x 600;
• frequenza massima di scansione orizzontale, espressa in kHz: è la velocità con cui vengono rinfrescati ed aggiornati i colori dei pixel di una riga;
• frequenza massima di refresh verticale: indica il numero di volte che l’intera immagine viene rinfrescata in un secondo. Ad una frequenza superiore ai 60 Hz (per una risoluzione di 640 x 480), l’occhio umano viene ingannato, per cui vede un’immagine senza farfallamento. Normalmente questa frequenza è di almeno 75 Hz. Le schede video che pilotano il monitor devono comunque supportare le caratteristiche descritte;
• la distanza tra due pixel (Dot Pitch) non dovrebbe superare i 0,28 mm.

 

La stampante è, dopo il video, il dispositivo di output più usato e consente di trasferire testi, immagini, grafici su un foglio di carta. Esistono molti tipi di stampanti che si distinguono una dall’altra per la tecnica con la quale riproducono i caratteri e per la velocità di stampa. Si possono distinguere principalmente in:

• stampanti a impatto: il carattere viene stampato mediante la pressione di aghi su un nastro inchiostrato interposto fra questi e la carta in modo simile alla macchina per scrivere.
  Queste stampanti possono avere da 9 a 24 aghi disposti all’interno della testina di stampa e ognuno di essi, quando premuto contro il nastro inchiostrato, disegna un punto sul foglio sottostante. Un carattere si ottiene dalla pressione degli aghi che, tracciando dei punti vicini uno all’altro, lo disegnano e quindi la qualità della definizione dipende dal numero dei punti. Le stampanti ad aghi possono stampare su fogli singoli o su moduli continui; un modulo continuo è formato dall’unione di più fogli perforati lateralmente in modo da consentire il trascinamento all’interno della stampante. Queste stampanti sono piuttosto lente e rumorose, ma diventano necessarie quando è richiesta la stampa su moduli continui;
• stampanti non a impatto: l’immagine viene stampata tramite impulsi di tipo elettrico, ottico o magnetico e quindi con un tratto continuo, ottenendo definizioni buone o molto buone e comunque superiori rispetto a una stampante ad aghi. I tipi più diffusi sono:

• a getto di inchiostro: così chiamate perché la stampa avviene attraverso un getto di piccolissime gocce di inchiostro proiettate sulla carta. Queste stampanti sono a colori, silenziose e abbastanza veloci.
• laser: mediante un raggio laser viene creata un’immagine della pagina da stampare e successivamente con un inchiostro in polvere (toner) viene stampata la pagina con un procedimento simile a quello usato con le fotocopiatrici. Queste stampanti sono silenziose, la loro definizione è molto buona, sono molto veloci e molto costose.
  Normalmente una stampante laser è utilizzata in una rete dove viene condivisa tra più computer. Le stampanti moderne possiedono una loro memoria interna che consente di memorizzare, a seconda della loro dimensione, un certo numero di pagine da stampare e disimpegnare così l’unità centrale di elaborazione.
• Il plotter è una stampante molto grande che consente la stampa su fogli di grandi dimensioni, viene utilizzato nel settore della grafica per realizzare cartelloni pubblicitari e grafici.

 I parametri che caratterizzano una stampante sono:

• massimo formato della carta (A3, A4);
• risoluzione (misurata in DPI – Dots Per Inch, numero di punti stampabili per pollice lineare);
• velocità di stampa (pagine/minuto o caratteri/secondo).

 

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