Introduzione all'Informatica: Concetti Fondamentali e Componenti di un Calcolatore | Appunti di Fondamenti di informatica

Informatica: scienza e tecnica che tratta l’elaborazione automatica dei dati e dei procedimenti di calcolo.

Calcolatore: macchina elettronica in grado di gestire automaticamente informazioni, eseguendo operazioni

su dati forniti in input, per ottenere risultati emessi come dati in uscita (output).

Programma: insieme di istruzioni che possono essere eseguite da un elaboratore elettronico

Programmatore: figura professionale che si occupa di realizzare le applicazioni, scrivendo le istruzioni

sotto forma di linee di codice basate su specifici linguaggi di programmazione.

Software: programma o insieme di programmi in grado di funzionare su un elaboratore. Si divide in tre

categorie:

1. Software di base o di sistema: indispensabile al funzionamento del dispositivo

2. Software applicativo: Programma utilizzato per risolvere problemi specifici (es.

Word che ci permette di scrivere).

Firmware: Software registrato in una memoria particolare del computer o in una periferica, esso contiene le

istruzioni basilari per la vita dell’elaboratore. Un esempio è il “BIOS” che il computer esegue all’avvio.

Hardware: tutto ciò che in un computer si riconosce fisicamente (periferiche, parti elettroniche e

meccaniche ecc.). Si divide anch’esso in due tipi:

1. Hardware interno (CPU, disco fisso, scheda madre ecc.);

2. Hardware esterno (tastiera, mouse, monitor).

Multitasking: Il multitasking informatico (detto time-sharing durante le sue prime fasi di sviluppo) è il

processo in cui più programmi vengono eseguiti in contemporanea dal computer.

Per molto tempo è stato relegato solo in mainframe di fascia alta e non disponibile nei PC ma, con

l’evolversi della tecnologia, si è sviluppato ed è diventato disponibile in tutti i PC. Dal 2011 è disponibile

anche su smartphone e tablet.

I vecchi computer o quelli con un solo processore non sono realmente multitasking, limitandosi a passare

rapidamente e in modo impercettibile da un’applicazione all’altra, mentre quelli con più processori sono del

tutto multitasking dato che ogni programma viene eseguito da un processore diverso.

La memoria del sistema e la quantità di memoria occupata dai programmi limitano il multitasking.

Multithreading: la capacità di un computer di eseguire più processi diversi di un programma, ogni processo

diverso del programma viene definito thread. (es. Su word abbiamo un thread per visualizzare la grafica, un

thread per leggere la sequenza dei tasti che l’utente digita, un thread per eseguire il controllo ortografico in

background). Per un singolo processo vengono usati più thread per più funzionalità. Avere un sistema

operativo multithreading ha dei vantaggi su:

Reattività: consente al programma di continuare l’esecuzione anche se una parte di esso è bloccata o sta

eseguendo un’operazione complessa.

Condivisione delle risorse: la memoria e le risorse del processo sono condivise dai thread a cui

appartengono.

Nel caso di un’architettura multiprocessore ogni thread può esere eseguito in parallelo su un diverso

processore.

Tra multitasking e multithreading nel sistema operativo ci sono varie differenze:

1. Nel multitasking il sistema consente di eseguire più programmi e attività in contemporanea; nel

multithreading il sistema esegue più thread di uno o più processi in contemporanea.

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Informatica : scienza e tecnica che tratta l’elaborazione automatica dei dati e dei procedimenti di calcolo. Calcolatore : macchina elettronica in grado di gestire automaticamente informazioni, eseguendo operazioni su dati forniti in input , per ottenere risultati emessi come dati in uscita ( output ). Programma : insieme di istruzioni che possono essere eseguite da un elaboratore elettronico Programmatore : figura professionale che si occupa di realizzare le applicazioni, scrivendo le istruzioni sotto forma di linee di codice basate su specifici linguaggi di programmazione. Software : programma o insieme di programmi in grado di funzionare su un elaboratore. Si divide in tre categorie:

Software di base o di sistema : indispensabile al funzionamento del dispositivo
Software applicativo : Programma utilizzato per risolvere problemi specifici (es. Word che ci permette di scrivere). Firmware : Software registrato in una memoria particolare del computer o in una periferica, esso contiene le istruzioni basilari per la vita dell’elaboratore. Un esempio è il “ BIOS ” che il computer esegue all’avvio. Hardware : tutto ciò che in un computer si riconosce fisicamente (periferiche, parti elettroniche e meccaniche ecc.). Si divide anch’esso in due tipi:
Hardware interno (CPU, disco fisso, scheda madre ecc.);
Hardware esterno (tastiera, mouse, monitor). Multitasking : Il multitasking informatico (detto time-sharing durante le sue prime fasi di sviluppo) è il processo in cui più programmi vengono eseguiti in contemporanea dal computer. Per molto tempo è stato relegato solo in mainframe di fascia alta e non disponibile nei PC ma, con l’evolversi della tecnologia, si è sviluppato ed è diventato disponibile in tutti i PC. Dal 2011 è disponibile anche su smartphone e tablet. I vecchi computer o quelli con un solo processore non sono realmente multitasking, limitandosi a passare rapidamente e in modo impercettibile da un’applicazione all’altra, mentre quelli con più processori sono del tutto multitasking dato che ogni programma viene eseguito da un processore diverso. La memoria del sistema e la quantità di memoria occupata dai programmi limitano il multitasking. Multithreading : la capacità di un computer di eseguire più processi diversi di un programma, ogni processo diverso del programma viene definito thread. (es. Su word abbiamo un thread per visualizzare la grafica, un thread per leggere la sequenza dei tasti che l’utente digita, un thread per eseguire il controllo ortografico in background). Per un singolo processo vengono usati più thread per più funzionalità. Avere un sistema operativo multithreading ha dei vantaggi su: Reattività : consente al programma di continuare l’esecuzione anche se una parte di esso è bloccata o sta eseguendo un’operazione complessa. Condivisione delle risorse : la memoria e le risorse del processo sono condivise dai thread a cui appartengono. Nel caso di un’architettura multiprocessore ogni thread può esere eseguito in parallelo su un diverso processore. Tra multitasking e multithreading nel sistema operativo ci sono varie differenze:
Nel multitasking il sistema consente di eseguire più programmi e attività in contemporanea ; nel multithreading il sistema esegue più thread di uno o più processi in contemporanea.

Nel multitasking la CPU deve passare da piu programmi in modo che appaia che più programmi sono eseguiti allo stesso tempo; nel multithreading la CPU deve passare tra più thread per far sembrare che tutti i thread siano eseguiti contemporaneamente.
Nel multitasking vengono usate memoria e risorse separate per ogni programma; nel multithreading ogni processo condivide memoria e risorse. Struttura di un calcolatore : Un calcolatore è un sistema composto da processori, memorie e dispositivi di input/output (I/O) collegati tra loro. Questa organizzazione è detta bus oriented. Un bus è un insieme di connessioni elettriche (fili) parallele che trasportano le informazioni da un componente all’altro. Gli elaboratori si differenziano in base alla velocità di elaborazione, alla capacità di memoria, alla tipologia dei processori, al costo e agli impieghi tipici. Tra le categorie di elaboratori abbiamo :

Super calcolatori : ossia elaboratori progettati per ottenere potenze di calcolo piuttosto elevate. Sono dotati di più unità centrali e trovano utilizzo nei campi della meteorologia, della fisica, della chimica e in campo militare;
Mainframe : ossia elaboratori adatti ad alte prestazioni e a grandi moli di dati. Essi sono in grado di servire contemporaneamente migliaia di utenti connessi attraverso dei terminali e sono usati soprattutto nelle transazioni finanziarie, nei censimenti e nelle statistiche;
Minicomputer : ossia un elaboratore strutturato come il mainframe ma con meno processori, minor
potenza di calcolo e meno memoria. Viene, di solito, utilizzato da piccole e medie imprese;
Workstation/network computer : ossia un elaboratore che funziona in simbiosi con un server da cui preleva le applicazioni. Può essere usato solo se connesso ad una rete. Le applicazioni vengono sempre eseguite su computer locali, anche se questi non hanno capacità autonome di elaborazione;
PC e laptop , ossia elaboratori di uso generale e con dei costi ridotti;
PDA (personal digital assistent ), ossia un dispositivo di dimensioni ridotte, touchscreen e con un sistema operativo apposito. La CPU : (unità centrale di elaborazione) è formata dal microprocessore, l’elemento che caratterizza le prestazioni del PC. Il suo scopo è di eseguire programmi e gestire i componenti del computer. Il microprocessore è un componente formato da transistor e altri elementi che costituiscono i circuiti logici necessari al funzionamento dell’intero elaboratore. La CPU esegue una sequenza di istruzioni ricavate da una memoria esterna ad essa. La sequenza di operazioni per elaborare un’istruzione viene chiamata “instruction cycle” suddiviso in due cicli:

Fetch cycle : la CPU legge dalla memoria l’istruzione che deve essere eseguita
Execution cycle : divisa in vari passaggi: Decodifica dell’istruzione da eseguire Lettura degli operandi dell’istruzione Esecuzione dell’operazione. La Cpu si divide inoltre in tre unità fondamentali:

L’ALU , che svolge le operazioni aritmetiche e logiche;
I registri , a loro volta divisi in:
Registro contatore (PC o program computer);
Registro accumulatore (A);
Registro istruzione (IR).
Control unit , che esegue le istruzioni secondo il ciclo: prelievo, decodifica, esecuzione. Esecuzione di un’istruzione Ricorda: MAR (memory address register) MDR (memory data register)

Evoluzione della CPU Originariamente la CPU era composta da un solo core, con l’avanzare della tecnologia i transistor diventarono sempre più piccoli, fino quando non avanzò spazio nelle CPU per integrare un nuovo core oltre a quello presente: nacquero coì i processori multicore, che avrebbero davvero rivoluzionato le performance dei processori sia dei PC che degli smartphone e tablet. Il core può essere definito come un cervello, e più core abbiamo a disposizione, maggiori sono le prestazioni. I processori Core i7 sono dotati di 4 core così come i Core i5. I Core i3 ne hanno invece 2 come i Pentium. I processori Core i7 e i Core i3 hanno però l’Hyper threading , che non è presente sui Core i5 e i Pentium. L’Hyper threading è una tecnologia in grado di raddoppiare il numero dei core disponibili, ma lo fa in maniera virtuale. Questa tecnologia non è indispensabile poiché fa guadagnare al massimo il 10% di potenza in più, ma può essere utile in alcune situazioni in cui abbiamo bisogno di più thread. Questa tecnologia solitamente è disponibile nelle CPU Intel Core i7 di fascia alta. Il turbo boost è una funzione che permette di aumentare per un periodo di tempo le prestazioni della CPU. Per valutare le prestazioni di un microprocessore abbiamo delle unità di misura:

MHz : indicano il ritmo interno di lavoro del microprocessore e non specificano quanti cicli occorrono per eseguire le varie istruzioni.
MIPS : indicano il numero di istruzioni al secondo che il microprocessore può eseguire.
Benchmark (banco di lavoro): con esso si misurano le prestazioni di un sistema. Con i primi due parametri si misurano le prestazioni del solo microprocessore; con il terzo si misurano le prestazioni del sistema. BUS : è un canale che permette a periferiche e componenti del sistema di dialogare tra loro. Esistono diversi tipi di BUS, in base ai tipi di dati che trasportano: BUS Dati, BUS Indirizzi, BUS di controllo. Un solo BUS può collegare tra loro più dispositivi. Possiamo avere BUS Paralleli e BUS Seriali. Motherboard : La scheda madre è la scheda elettronica principale che raccoglie tutti i circuiti elettronici e i collegamenti di interfaccia tra i vari componenti principali del PC, compresi i bus di estensione e le interfacce verso le periferiche esterne. Essa è responsabile della corretta trasmissione e temporizzazione di molte centinaia di segnali diversi, tutti ad alta frequenza e sensibili ai disturbi, tra processore e periferiche interne e viceversa. Tra le interfacce troviamo:
Interfaccia Seriale : consente il trasferimento dei dati tra il disposi/vo di ingresso/uscita al computer un bit alla volta;
Interfaccia Parallela : il trasferimento dei dati avviene un byte alla volta (vengono trasmessi contemporaneamente in parallelo, su otto fili diversi, otto bit);
Interfaccia usb (universal serial bus): è il nuovo standard di interfaccia seriale che ha una maggiore velocità di trasferimento, consente di collegare più dispositivi a cascata, e consente la connessione e configurazione di nuove periferiche anche a computer funzionante (plug & play). Le memorie Con il termine memoria in genere si intende la memoria centrale di un elaboratore in cui si trovano i dati ed i programmi del calcolatore. La memoria di un calcolatore è simile ad un enorme casellario, dove ogni casella contiene un’informazione e dove ogni casella è referenziabile tramite il suo indirizzo. Una casella di memoria viene detta “cella” ed è la più piccola unità indirizzabile ed è costituita da un insieme di bit (8- 16 - 32 - 64). Il contenuto di una cella di 8 bit viene chiamato byte. Per le unità di misura della memoria abbiamo:

BYTE : viene usato come unità BIT : viene usato come unità di misura di misura della memoria. nella trasmissione delle informazioni. Tipologie di memorie La memoria si divide poi in varie tipologie:

RAM (Random Access Memory ), ossia la memoria di lettura/scrittura usata nei calcolatori per contenere istruzioni e dati da elaborare; a seconda dell'architettura può essere "statica" (SRAM) o "dinamica" (DRAM).
ROM (Read-Only Memory ), che contiene le istruzioni necessarie per avviare il computer; I moduli SIMM (Single In-Line Memory Module) sono stati utilizzati a partire dalle schede madre in moduli a 30 contatti ma si sono evoluti fino a 72. Oggi non sono più prodotti né utilizzati;
I moduli DIMM (Dual In-Line Memory Module) possono essere installati anche se hanno capacità differenti e sono di tipo SDRAM (Syncronous Dynamic Random Access Memory);
Cache : si tratta di una memoria molto piccola ma molto veloce che mantiene una copia dei dati a
cui si accede più frequentemente;
Hard Disk e Dischi SSD , sono memorie di massa e non volatili;
Dischi magnetici removibili (come i floppy disk);
CD, DVD, BLU-RAY , ossia memorie di tipo ottico incise da un laser. Negli Hard Disk i dati sono memorizzati su disco seguendo uno schema di assegnazionefisico ben definito: Le entità fisiche sono:
Piatto : superficie destinata alla memorizzazione dei dati
Traccia : gli anelli concentrici che compongono il piatto, essi sono numerati e ogni traccia ha un numero univoco
Cilindro: l’insieme di tracce alla stessa distanza dal centro presenti su tutti i dischi
Settore : ogni piatto è diviso in settori circolari, ovvero in spicchi radiali uguali
Testina : è presente su ogni piatto, essa fa accedere in scrittura o in lettura ai dati memorizzati sul piatto, la posizione della testina è in accordo con le altre sugli altri piatti. I dischi SSD sono una tipologia di memoria di massa basata su un semiconduttore, essi utilizzano memoria allo stato solido per l’archiviazione di dati, anziché supporti di tipo magnetico come nel caso dell’hard disk. I vantaggi dei dischi SSD sono:
la totale assenza di parti meccaniche in movimento
Tempi di accesso e archiviazione brevi
Non necessitano di eframmentazione
Maggior velocità di trasferimento dati e minori consumi durante le operazioni di lettura e scrittura. Gli svantaggi:
calo delle prestazioni generali nel tempo
ridotta capacità di archiviazione
Costo più elevato
Necessitano di aggiornamento firmware Dischi magnetici rimuovibili:
Floppy Disk : può contenere al massimo 1,4 MB
Lomega ZIP : può contenere fino a 250 MB
Lomega JAZ : può contenere fino a 2 GB Gli unici vantaggi sono l’economicità e la diffusione, i lati negativi invece sono la bassa capacità e la deteriorabilità.

Le caratteristiche di un monitor basate sulla risoluzione sono:

Full HD : possiedono una risoluzione di 1920x1080 pixel, ideale per giocare. Per questa tipologia di schermi Ë consigliato un monitor di dimensioni comprese tra 21 e 27 pollici, in modo tale da non dare problemi agli occhi. Si trova sul mercato ad un buon prezzo.
2K : hanno una risoluzione di 2560x1440 pixel e vengono consigliati per lavori di grafica su immagini e video. Anche in questo caso vi Ë una dimensione standard da rispettare, dai 27 pollici in poi.
4K : conosciuti come schermi “ultra HD” e sono i più moderni in commercio. La loro risoluzione Ë di 3840x2160 pixel e sono ideali sia per il gaming che per lavori di grafica. Uno schermo 4K deve essere sempre associato ad un computer dotato di processore e scheda video di un certo livello, altrimenti non possiamo sfruttare queste caratteristiche. Le dimensioni consigliate sono dai 28 pollici in poi. I monitor usano vari tipi di connettori per essere collegati ai computer. Tra i connettori troviamo: Ingresso VGA (video graphics array). Questo tipo di connessione veicola un segnale analogico, particolarmente soggetto a disturbi e interferenze e con una pulizia dell’immagine non ottimale. Altra limitazione di questa connessione è data dal fatto che veicola solo e unicamente segnale video, in nessun modo audio. Ingresso DVI (digital visual interface). Questo tipo di connessione è stata introdotta nel 1999 ed è presentesu tutti i computer. Ne esistono vari tipi:
DVI-A , che trasporta solo segnali analogici compatibili con lo standard VGA;
DVI-D , che veicola solo segnali di tipo digitale e può essere single o dual link;
DVI-I , che veicola segnali sia digitali che analogici. Ingresso HDMI (high definition multimedia interface). Questa connessione può trasportare solo un segnale digitale, sia audio che video, ed è in costante evoluzione. Stampanti : periferica in grado di trasferire su carta i dati forniti da un PC. Le sue caratteristiche sono:
Interfaccia: il tipo di collegamento al computer (wireless, USB)
Formato della carta : dimensione, spessore, tipo di supporti di stampa
Numero di colori primari : ovvero quanti inchiostri posso utilizzare e quanti colori posso riprodurre (monocromatica, tricromia, quadricromia, esacromia)
Risoluzione massima : il numero di punti stampabili sulla carta
Velocità : il numero di pagine che puÚ stampare per secondi. Ogni stampante ha delle tipologie di stampa :
Ad impatto : la stampa avviene mediante la pressione di aghi su nastri inchiostrati posti tra questi e la carta. (lente e rumorose)
A getto d’inchiostro : una schiera di centinaia di microscopici ugelli spruzzano minuscole gocce di inchiostro sulla carta durante lo spostamento del carrello (a colori, silenziose e abbastanza veloci)
A laser : mediante un raggio laser viene creata l’immagine da stampare attraverso il toner (inchiostro in polvere). Sono molto veloci silenziose e hanno un’ottima definizione. Il plotter è una periferica specializzata nella stampa su grande formato. Il modem è un dispositivo elettronico che rende possibile la comunicazione di più sistemi informatici utilizzando un canale di comunicazione composto tipicamente da un doppino telefonico. Ha funzione dimodulazione/demodulazione per consentire il trasferimento di informazioni digitali su mezzi di comunicazione analogici. Per consentire la connessione ad una rete informatica si utilizza una scheda di rete , un’interfaccia digitale che viene inserita all’interno di un PC, di una stampante, router ecc.

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