Introduzione all'Elettronica Digitale: Hardware, Software e Componenti Fondamentali, Dispense di Informatica Medica

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INFORMATICA

ANALOGICO E DIGITALE

I computer sono strumenti digitali, la differenza fra analogico e digitale corrisponde fra rappresentazione continua e quella discreta di una grandezza, un apparecchio analogico restituisce il valore assoluto di ciò che misura, l'indicatore si ferma in un punto e quello è esattamente il valore misurato, una rappresentazione digitale avviene attraverso i numeri, tali indicazioni sono discontinue. L'elettronica digitale ha che fare con circuiti e sistemi che agiscono sfruttando due possibili stati di funzionamento, nei sistemi digitali i due diversi stati servono a rappresentare caratteri e simboli, nei sistemi numerici a due stati detti sistemi binari, le due cifre sono 1 e 0 e ciascuna di esse costituisce ciò che viene chiamato bit.

HARDWARE E SOFTWARE

Il compito di un calcolatore elettronico e di acquisire dati, memorizzarli e elaborarli e fornire in output i risultati, per fare ciò è necessario che sia dotato di due componenti: l'hardware e il software

• HARDWARE: e la parte tangibile di un computer ed è costituito da quell'insieme di risorse che cooperano affinché il computer possa memorizzare per un breve o lungo periodo i dati.
• SOFTWARE: e la parte intangibile di un computer ed è costituito da quell'insieme di istruzioni che, una volta eseguite dall'hardware produce i risultati per una determinata classi di problemi. Il software consente di gestire correttamente le risorse hardware, permettendo all'utente di utilizzarle in modo semplice senza preoccuparsi dei dettagli tecnici relativi ai passaggi a livello hardware.

SCHEMA GENERALE DI UN SISTEMA DI ELABORAZIONE DATI

Lo schema generale di un sistema di elaborazione di dati si individuano in 5 componenti essenziali:

• PROCESSORE o CPU: Central Processing Unit
• MEMORIA CENTRALE o RAM: Random Acces Memory
• DISPOSITIVI DI INPUT/OUTPUT (I/O) o periferiche
• MEMORIA DI MASSA
• PROGRAMMI I primi quattro punti rappresentano l'hardware, mentre il quinto e il software. Un calcolatore digitale è suddiviso in due sottosistemi principali:
• SOTTOSISTEMA CENTRALE: composto da processore e memoria centrale
• SOTTOSISTEMA PERIFERICO o I/O: che permette l’interazione del calcolatore e ambiente esterno includendo:
• Unità di input per immettere dati da elaborare
• Unità di output per visualizzare o stampare altri risultati
• Unità di memoria di massa per memorizzare permanentemente i dati Il processore esegue le istruzioni dei programmi gestendo sia calcoli che controlli logici (es:confronto tra dati) collabora con la RAM per garantire l'esecuzione dei programmi

MEMORIA CACHE

La memoria cache è una memoria veloce integrata nel processore, utilizzata per memorizzare i dati più frequentemente usati dalla CPU. Questo riduce il tempo di accesso ai dati e migliora le prestazioni complessive del sistema. La cache funziona tenendo a portata di mano i dati più utilizzati. Quando il processore ha bisogno di un'istruzione o di un dato, lo cerca prima nella cache. Se non lo trova, lo richiede alla memoria centrale (RAM). In fase di input, la cache carica non solo i dati richiesti, ma anche altri dati correlati, per future richieste. In fase di output, i dati vengono memorizzati nella cache e successivamente trasferiti nella RAM quando necessario.

MEMORIA BUFFER

La memoria buffer è una memoria temporanea utilizzata per migliorare le prestazioni dei dispositivi di Input/Output, come stampanti, modem, masterizzatori e tastiere. A differenza della memoria cache, che si trova tra la RAM e il processore, la memoria buffer è situata tra il processore e i dispositivi di Input/Output. La sua funzione è simile a quella della cache, migliorando l'efficienza delle periferiche a cui è associata.

MEMORIA DI MASSA

Le memorie di massa conservano i dati anche senza alimentazione elettrica, a differenza della memoria centrale (RAM). La memorizzazione su memorie di massa si basa su due aspetti fondamentali: la tecnologia di registrazione e il metodo di accesso ai dati. Tecnologie di registrazione

• MAGNETISMO: Utilizza superfici sensibili ai magneti per memorizzare dati come bit (1 o 0) in base alla magnetizzazione.
• OTTICA: Utilizza raggi laser per leggere dati memorizzati come microscopiche aree riflettenti o non riflettenti.
• ELETTRONICA: Utilizza memorie di semiconduttori, come le memorie flash, per memorizzare dati. Metodi di accesso ai dati:
• ACCESSO SEQUENZIALE: Richiede il passaggio attraverso tutte le locazioni di memoria precedenti per accedere a una specifica locazione (es. nastro magnetico).
• ACCESSO DIRETTO (CASUALE): Permette l'accesso diretto a una specifica locazione di memoria, indipendentemente dalla posizione (es. disco fisso). Le memorie di massa sono classificate in base a capacità, tempo di accesso e velocità di trasferimento dati. Non esiste una memoria di massa ideale, quindi si utilizzano diversi tipi di memorie per soddisfare varie esigenze.

DISCHI MAGNETICI

I dischi magnetici, come gli hard disk (HDD), erano la tipica memoria per salvare dati permanentemente. Tuttavia, con l'obsolescenza dei floppy disk, il termine "dischi magnetici" si riferisce quasi esclusivamente agli hard disk. Gli HDD tradizionali utilizzano piatti in rotazione e testine per leggere e scrivere dati, ma sono stati superati dalle unità a stato solido (SSD Solid-state drive), che non hanno componenti in movimento. Gli HDD hanno capacità variabili da 500 GB a diversi TB, ma il loro tempo di accesso e la velocità di trasferimento sono inferiori rispetto agli SSD.

DISCHI ALLO STATO SOLIDO

Le unità a stato solido (SSD) sono dispositivi di storage ad alta velocità ed efficienza energetica, che superano i tradizionali hard disk (HDD) in termini di prestazioni. Gli SSD non hanno parti mobili, il che li rende più resistenti alle vibrazioni, meno rumorosi, con un minore consumo di energia e una minore produzione di calore. Offrono tempi di accesso ai dati e velocità di lettura/scrittura superiori, e non sono influenzati dalla frammentazione dei dati. Tuttavia, gli SSD sono più costosi rispetto agli HDD e hanno un ciclo di vita potenzialmente inferiore, poiché ogni cella di memoria ha un numero limitato di scritture. Nonostante questi svantaggi, gli SSD stanno diventando sempre più popolari come principale soluzione di storage.

SISTEMI DI ARCHIVIAZIONE RIMOVIBILI

Nel corso del tempo, la necessità di trasportare dati ha portato alla diffusione di vari sistemi di archiviazione rimovibili. Il primo di questi è stato il floppy disk, ormai obsoleto. Altri esempi di memorie di massa rimovibili includono:

• NASTRI MAGNETICI O TAPE: sono supporti di memorizzazione ad accesso sequenziale, simili ai nastri musicali di una volta. Sono tipicamente lenti e non sono mai stati popolari nel mercato consumer a causa della disponibilità di sistemi ad accesso diretto. Tuttavia, nel mercato aziendale, i tape sono comunemente utilizzati per il backup dei dati.
• CD-ROM (Compact Disk Recordable): sono memorie di massa ad accesso diretto a tecnologia ottica, appartenenti alla famiglia WORM (Write Once Read Many). Possono essere scritti una sola volta e letti molte volte, con una capacità di circa 700 MB e un ciclo di vita di circa 100 anni. Esistono due tipi principali di CD:
  • CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory): Scrivibili una sola volta.
  • CD-RW (Compact Disk Read Write): Permettono più registrazioni e cancellazioni. Questi supporti sono utilizzati per memorizzare dati in modo permanente o riscrivibile.
• DVD: è nato come supporto ottico per la distribuzione di film in alta definizione. L'acronimo iniziale, Digital Video Disk, è stato cambiato in Digital Versatile Disk per riflettere la sua capacità di gestire più tipi di dati oltre ai video. I DVD hanno una forma simile ai CD, ma sono leggermente più spessi e possono contenere fino a 17 GB di dati, equivalenti a 26 CD standard.
• PEN DRIVE o MEMORIA FLASH USB: è un piccolo dispositivo mobile e removibile che si collega a una porta USB di un computer. Utilizza la memoria flash per archiviare dati, che possono essere facilmente trasferiti da un computer a un altro. Le pen drive sono leggere e possono essere attaccate a un portachiavi. Hanno diverse dimensioni e capacità, variando da centinaia di megabyte a qualche gigabyte. Quando collegata a un computer, il sistema operativo riconosce automaticamente l'unità, grazie alla funzione plug-and-play.

SISTEMA OPERATIVO

Il sistema operativo è il software principale che gestisce le risorse hardware e software di un computer, permettendo l'esecuzione di programmi e l'interazione con l'utente. Funziona come un "vestito" che ogni computer deve "indossare" per operare efficacemente. I sistemi operativi si dividono in due categorie:

• MONOTASKING: che eseguono un solo task alla volta
• MULTITASKING: che eseguono più task contemporaneamente. I sistemi multitasking operano in modalità batch o interattiva. La modalità batch riduce i tempi di attesa della CPU pre-elaborando i dati, mentre la modalità interattiva permette all'utente di interagire in tempo reale con il computer.

MODELLO ONION SKIN

Il sistema operativo gestisce le risorse hardware e software del computer e utilizza il modello a buccia di cipolla, che lo divide in strati, ciascuno costituito da programmi che utilizzano le procedure degli strati sottostanti e possono essere utilizzati dagli strati successivi. Il modello Onion Skin schematizza un sistema operativo che virtualizza i dispositivi nei vari strati, rendendone l'uso più semplice per gli utenti. Il livello di astrazione dell'hardware aumenta man mano che ci si allontana dal centro del modello.

• PRIMO LIVELLO GESTORE DEL PROCESSORE: gli obiettivi principali sono:
  • slegare le particolarità hardware del processore che lo utilizzerà
  • realizzare il multitasking che verrà approfondito nel capitolo successivo
• SECONDO LIVELLO GESTORE DELLA MEMORIA: virtualizza la memoria centrale, nascondendone la capacità effettiva agli utenti. È composto da moduli che gestiscono la memoria centrale, permettendo a più programmi di condividerla. Questo livello introduce anche il concetto di memoria virtuale.
• TERZO LIVELLO LE PERIFERICHE VIRTUALI: I sistemi operativi devono interagire con varie periferiche di input/output. Questa interazione è gestita dai driver, componenti software che astraggono i dispositivi di input/output. Ogni dispositivo ha un driver che ne garantisce l'affidabilità e l'aggiornamento. I driver gestiscono errori e conflitti, utilizzando meccanismi come lo spooling per organizzare le operazioni in coda. I driver sono prodotti dai produttori delle periferiche.
• QUARTO LIVELLO FILE SYSTEM: gestisce la memorizzazione permanente dei dati. Esso crea file per memorizzare i dati e utilizza directory per organizzare i file in modo gerarchico. Fisicamente, i dati sono memorizzati in tracce, settori e cluster. Un file system alloca spazio in base ai cluster, che sono l'unità minima di memorizzazione. La frammentazione interna si verifica quando lo spazio all'interno di un cluster non è completamente utilizzato, mentre la frammentazione esterna si verifica quando i file sono memorizzati in cluster non contigui, causando un rallentamento delle prestazioni del computer. La deframmentazione può risolvere la frammentazione esterna.

• QUINTO LIVELLO INTERFACCIA UTENTE: le interfacce grafiche hanno reso l'uso dei computer più accessibile. I compiti principali di un'interfaccia grafica sono: rendere visibile l'organizzazione dei file, facilitare l'uso dei comandi del sistema operativo e l'avvio dei programmi applicativi.

SISTEMI OPERATIVI MONOTASKING

Un sistema operativo monotasking permette l'esecuzione di un solo programma alla volta, utilizzando tutte le risorse del computer per quel programma. Questo può portare a un sottoutilizzo delle risorse, come la memoria, il processore e le unità di input/output. Un esempio di sistema operativo monotasking è l'MS-DOS (Microsoft Disk Operating System).

SISTEMI OPERATIVI MULTITASKING

Il sistema operativo può far credere a un task di avere risorse dedicate, come processore, memoria e dispositivi di I/O, e può farlo per più task contemporaneamente. Il multitasking sfrutta al meglio le risorse disponibili, utilizzando i "tempi morti" delle operazioni di Input/Output per eseguire altre operazioni con la CPU.

IL TASK

Un sistema operativo multitasking può eseguire più processi o task contemporaneamente. Un task è un programma in esecuzione con due componenti: una statica (codice del programma) e una dinamica (stato interno, stato di avanzamento e priorità). La priorità può essere statica o dinamica, influenzando la velocità di esecuzione del task.

FUNZIONALITÀ DEL MULTITASKING

L'attività di un task alterna l'uso del processore e delle unità di Input/Output. Le operazioni di Input/Output sono più lente a causa della natura meccanica dei supporti, mentre il processore, essendo elettronico, è molto veloce. Il task A segue queste fasi:

• Inizia l'elaborazione (CPU Burst).
• Esegue una fase di I/O.
• Prosegue con l'elaborazione.
• Esegue un'altra fase di I/O.
• Termina dopo aver elaborato le ultime istruzioni. Il task B esegue fasi:
• Inizia l’elaborazione CPU Burst
• Esegue una fase di I/O
• Termina dopo aver elaborato ancora le ultime istruzioni

possono essere analogici (valori continui) o digitali (valori discreti). La voce, ad esempio, è trasmessa come segnale analogico, mentre i dati possono essere trasferiti in binario o analogico tramite modem. Il segnale analogico può attenuarsi con la distanza, richiedendo amplificatori che aumentano anche il rumore. La trasmissione digitale crea un ambiente omogeneo, mentre quella analogica richiede traduttori analogico/digitali. Le reti possono essere classificate in base alla loro estensione:

• RETI PERSONALI (PAN): Personal Area Network
• RETI LOCALI (LAN): Local Area Network
• RETI METROPOLITANE (MAN): Metropolitan Area Network
• RETI GEOGRAFICHE (WAN): Wide Area Network

RETI PAN

Le personal area network permettono ai dispositivi di comunicare nello spazio fisico alla portata di una persona. Sono reti wireless a corto raggio che utilizzano bluetooth come standard tecnico per la trasmissione dei dati (es: computer connesso ad una periferica input/output o uno smartphone collegato agli auricolari). Le reti bluetooth adottano il paradigma master-slave, dove le unità di sistema (ad esempio, il PC) è il master che comunica con gli slave (come il mouse, il monitor e la tastiera).

RETI LAN

Una LAN (Local Area Network) è una rete digitale ad alta velocità che collega computer situati nello stesso edificio o su un unico suolo privato. Le LAN possono trasferire dati a velocità che vanno da 10/100 Mbps fino a Gbps e possono collegare migliaia di nodi. La comunicazione può avvenire in modalità punto a punto o broadcast. Le topologie di rete storiche includono:

• BUS: Connessione tramite una dorsale con cavi coassiali.
• ANELLO: Connessione in un anello chiuso con trasmissione unidirezionale.
• STELLA: Connessione tramite uno switch centrale, attualmente la più utilizzata. Nella topologia a stella, il malfunzionamento di un cavo interrompe solo la comunicazione tra lo switch e il computer collegato, mentre il resto della rete continua a funzionare. Lo switch è solitamente conservato in armadi chiusi a chiave per proteggerlo.

RETI MAN

Una MAN (Metropolitan Area Network) interconnette nodi su un'area geografica più ampia di una rete locale, utilizzando la trasmissione digitale. Il termine "Metropolitan" si riferisce alla possibilità di un'amministrazione comunale di trattare le strade come suolo privato, permettendo l'interconnessione di più reti locali con tecnologia LAN. Un esempio tipico è un'amministrazione comunale che collega in rete, tramite fibra ottica, tutti i propri uffici distribuiti nel territorio cittadino.

RETI GEOGRAFICHE

Nel momento in cui le distanze tra gli host iniziano a dilatarsi e/o, soprattutto, quando i nodi da collegare in rete sono divisi dal suolo pubblico, è necessario progettare una rete geografica. Dal punto di vista dell'utente, una WAN sembra funzionare come una LAN. Se una WAN è ben progettata non sembrerà esistere alcuna differenza tra una LAN ed una WAN a meno della diversa velocità; infatti, le reti geografiche sono caratterizzate da una velocità di trasferimento dei bit notevolmente inferiore rispetto alle LAN. I collegamenti WAN possono comprendere: linee telefoniche, cavi a fibre ottiche, trasmettitori a microonde, collegamenti via satellite,

sistemi coassiali di televisione via cavo. Visto che il costo di acquisto e la complessità dell'implementazione e manutenzione dei collegamenti WAN sono troppo elevati per la maggior parte delle società private, essi sono, pertanto, generalmente noleggiati dai fornitori di servizi. Tipicamente, infatti, in una WAN l'infrastruttura della

rete di comunicazione è di proprietà delle società di telecomunicazione.

RETI A COMUNICAZIONE DI CIRCUITO E DI PACCHETTO

La commutazione è l'insieme delle tecniche che permettono il funzionamento delle reti di telecomunicazioni. La commutazione di pacchetto è preferita nelle reti di computer per la sua rapidità, convenienza ed affidabilità, rispetto alla commutazione di circuito utilizzata nella rete telefonica.

• COMMUTAZIONE DI CIRCUITO: Dedicata a un solo tipo di trasmissione (es. telefonata), garantisce sicurezza e affidabilità, ma non è adatta alle reti di computer.
• COMMUTAZIONE DI PACCHETTO: I dati vengono suddivisi in pacchetti, ciascuno con indirizzo mittente e destinatario. I pacchetti seguono il miglior percorso possibile e vengono riassemblati dal sistema operativo del computer ricevente. È efficiente e permette la condivisione del canale trasmissivo tra più host. Internet e le reti LAN Ethernet utilizzano la commutazione di pacchetto con protocolli TCP/IP, dove ogni computer ha un indirizzo IP.

ARCHITETTURE CLIENT-SERVER E PEER-TO-PEER

I servizi di rete si dividono in due categorie: peer-to-peer (P2P) e client-server.

• PEER-TO-PEER(P2P): Gli host sono paritetici e possono fornire e fruire dei servizi reciprocamente. Non ci sono server dedicati o livelli gerarchici tra i computer, che sono tutti uguali e definiti peer. Ogni utente decide quali risorse condividere attraverso la rete.
• CLIENT-SERVER: Esistono server che forniscono i servizi e client che li utilizzano. Gli host hanno funzioni diverse, con i server che memorizzano dati e applicazioni accessibili dai client. Esempi comuni includono software gestionali basati su database e il Web. I concetti di client/server e peer-to-peer si riferiscono ai servizi utilizzabili in rete, non alla rete stessa. Un utente può utilizzare entrambi i servizi contemporaneamente, dotandosi dei dispositivi e software appropriati
• Client/server: Ruolo centrale del server che fornisce servizi e del client che li richiede. Garantisce ordine e controllo.
• Peer-to-peer (P2P): Maggiore libertà e controllo per gli utenti, ma può causare caos e problemi di gestione.
• Esempi: Un knowledge worker può utilizzare sia servizi client/server che P2P contemporaneamente, a seconda delle necessità e delle applicazioni utilizzate.

STORAGE IN RETE

In un ambiente stand-alone, lo storage è limitato al disco fisso del computer. In rete, invece, è possibile utilizzare apparati di storage non fisicamente collegati alla postazione. Con l'aumento della quantità di dati da salvare, sono nate tecnologie che aggregano singole unità disco per creare infrastrutture senza limiti fisici di spazio di memorizzazione e con costi di gestione ridotti.

CLOUD COMPUTING

Il cloud computing è un modello che consente di accedere a risorse di calcolo configurabili (reti, server, storage, applicazioni e servizi) tramite una rete. Queste risorse sono fornite da un provider e possono essere rapidamente scalate e fornite on demand. I dati e le applicazioni risiedono su server remoti collegati via Internet, non su server locali. Il passaggio dal modello client/server al cloud sta trasformando l'ICT, rendendo Internet un'estensione dei computer. Il cloud computing permette l'accesso a software, storage e altre risorse di elaborazione indipendentemente dalla posizione fisica, con pagamento basato sull'uso

SICUREZZA

La sicurezza informatica è definita come l’insieme di tecniche e misure organizzative per proteggere i

sistemi informatici e i dati da accessi non autorizzati, modifiche, distruzioni o divulgazioni. La

sicurezza può essere:

• SICUREZZA PASSIVA: insieme di strumenti di tipo difensivo ossia quel complesso di soluzioni il

cui obiettivo è impedire che utenti non autorizzati possano accedere a risorse, sistemi,

impianti, informazioni e dati di natura riservata

• SICUREZZA ATTIVA: insieme di tecniche e strumenti mediante i quali le informazioni e i dati di

natura riservata sono resi intrinsecamente sicuri proteggendo gli stessi dalla possibilità che un

utente non autorizzato possa accedervi sia dalla possibilità che un utente non autorizzato

possa modificarli.

La sicurezza deve garantire disponibilità (accesso continuo ai dati), integrità (protezione da

alterazioni) e riservatezza (limitazione dell’accesso) , protezione da attacchi esterni, errori umani e

malfunzionamenti hardware/software, da minacce di furto di password (phishing, social engineering),

attacchi come sniffing, keylogging, spoofing, malware (virus, spyware, ransomware, trojan).

Gli strumenti di protezione che vengono utilizzati sono i firewall che blocca traffico non autorizzato e

malware, autenticazione cioè l’i dentificazione utenti tramite credenziali, anche con autenticazione

multifattoriale, crittografia che può essere simmetrica (una sola chiave condivisa) e asimmetrica

(coppia di chiavi pubblica e privata), cyber risk che include perdite economiche dovute a eventi

accidentali o dolosi (attacchi hacker, furti di dati, guasti tecnici. La sicurezza è un processo continuo,

che richiede lavoro, educazione e livelli multipli di protezione, l a componente umana è spesso l’anello

debole.