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Il computer: l'hardware

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  • 1. IL COMPUTER 1A cura di Jacques Bottel
  • 2. Che cos’è il computer? Il computer è un sistema hardware e software. Def. sistema Un sistema è un insieme di elementi che può essere considerato come un’unica realtà. Esempi di sistemi:  Sistema solare (sole + 8 pianeti )  Sistema scolastico (il Ministero, i diversi istituti scolastici) 2A cura di Jacques Bottel
  • 3. Hardware: l’architettura - 1 Lo schema rappresenta l’architettura di base di un calcolatore. PROCESSORE MEMORIA BUS 3A cura di Jacques Bottel
  • 4. Hardware: l’architettura - 2 Vediamo in dettaglio la funzione dei vari componenti:  il processore svolge i calcoli in binario (i numeri sono composti solamente da 0 e 1).  la memoria contiene i dati che devono essere elaborati  il bus (si legge “bas”) è un fascio di “fili” stampato sulla scheda madre che connette il processore con la memoria. 4A cura di Jacques Bottel
  • 5. Verifica se hai capito… Argomento: introduzione all’informatica e architettura di base di un calcolatore. Domande di verifica:  Che cos’è l’informatica?  Perché oggi l’informatica è così importante?  Che cos’è un computer?  Che cos’è un sistema? Fai alcuni esempi.  Qual è l’architettura di base di un elaboratore? Fai lo schema e scrivi a che cosa servono i componenti. 5A cura di Jacques Bottel
  • 6. La memoria RAM La memoria RAM si dice memoria centrale (o memoria primaria) perché è quella su cui opera il processore per elaborare i dati. 6A cura di Jacques Bottel
  • 7. La memoria di massa La memoria centrale si distingue dalla memoria di massa (o memoria secondaria) che è quella utilizzata per conservare i dati quando il computer è spento. 7A cura di Jacques Bottel
  • 8. Memoria casuale vs Memoria sequenziale La memoria RAM (Random Access Memory), come suggerisce il nome, è una memoria ad accesso casuale. Che cosa vuol dire? Il tempo per accedere a un dato qualsiasi non cambia. L’hard disk è una memoria ad accesso sequenziale. Che cosa vuol dire? Il tempo di accesso a un dato varia in base alla sua posizione nella memoria. 8A cura di Jacques Bottel
  • 9. Lo sapevate che… …un libro (o un quaderno) è una memoria ad accesso sequenziale? Infatti, per trovare l’argomento spiegato dal professore dovete sfogliare le pagine (ossia accedere alla memoria in maniera sequenziale). Il libro è una memoria analogica, ma è pur sempre una memoria (sì, perché contiene dei dati al suo interno!). Invece, le memorie ad accesso casuale sono solamente elettroniche. 9A cura di Jacques Bottel
  • 10. Gerarchia di memoria CACHE memoria centrale (RAM memoria secondaria (hard disk) V E L O C I T A C O S T O 10A cura di Jacques Bottel
  • 11. La memoria: unità di misura 1 TB = 210 GB ≈ 1000 GB [Hard disk] 1 GB = 210 MB ≈ 1000 MB [Memoria RAM] 1 MB = 210 KB ≈ 1000 KB [Memoria cache] 1 KB = 210 Byte ≈ 1000 Byte 1 Byte = 8 bit 1 bit = 1 o 0 (stato dei transistor) 11 C A P A C I T A A cura di Jacques Bottel
  • 12. Verifica se hai capito… Argomento: la memoria del calcolatore Domande di verifica:  Memoria centrale e memoria di massa. Spiega le differenze.  Memoria ad accesso casuale e memoria ad accesso sequenziale. Spiega le differenze.  Perché c’è la gerarchia di memoria?  450 MB a che cosa corrispondono? Fai le equivalenze tra le diverse unità di misura. 12A cura di Jacques Bottel
  • 13. Il processore: com’è fatto? Il processore è un sistema composto da:  Il package (in italiano “confezione”) è il supporto su cui vengono fissati tutti i componenti del processore  Piedini per comunicare con la scheda madre  Uno o più die (si legge “dai”), ognuno dei quali ha all’interno uno o più core integrati. Curiosità: i processori più potenti integrano sei core (processori exacore) o addirittura otto core (processori optocore)  Nei moderni processori è stata integrata anche la memoria cache 13A cura di Jacques Bottel
  • 14. Il processore: com’è fatto? Un processore visto da davanti e da dietro. piedini diecache L2 cache L2 14 package (di colore verde) A cura di Jacques Bottel
  • 15. Il processore: com’è fatto? 2 die 15 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 16. Il processore: com’è fatto? Un die del processore visto al microscopio. In questo caso il die ha all’interno due core (rettangolo rosso). Cache ALU 2 CORE 16 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!A cura di Jacques Bottel
  • 17. Il processore: come opera? Ma che cosa fa di preciso il processore? Il processore preleva i dati da elaborare dalla memoria, esegue l’elaborazione e spedisce indietro i risultati alla memoria. L’ALU (Arithmetic Logic Unit) è il componente del processore che svolge i calcoli. Nell’ALU sono implementati i seguenti operatori logici:  AND  OR  NOT 17A cura di Jacques Bottel
  • 18. Operatore AND Se entrambi i bit sono 1 (acceso) il risultato è 1, altrimenti 0. 18 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 A B A AND B A cura di Jacques Bottel
  • 19. Operatore OR Se ALMENO un bit è 1 (acceso) il risultato è 1, altrimenti 0. 19 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 A B A AND B A cura di Jacques Bottel
  • 20. Operatore NOT Inverte lo stato del transistor: 1 (acceso) diventa 0 (spento) e viceversa . 20 1 0 0 1 A NOT B A cura di Jacques Bottel
  • 21. I transistor Il processore (cache e ALU) è fatto di transistor (in italiano “transistore”, ma si usa quasi sempre solo la parola inglese). Ma che cos’è un transistor? L’interruttore, proprio come il transistor, ha due stati: ACCESO (1) e SPENTO (0). = 21A cura di Jacques Bottel
  • 22. I transistor: quanto sono grossi? Quanto è grosso un transistor? 22 nm (nanometri), ossia 22 milionesimi di millimetro, circa 2.000- 3.000 volte più piccoli di un capello umano, invisibile persino a un potente microscopio! Ma perché sono così piccoli? Semplice: per integrarne in gran numero nel die. Solo così si possono avere più core nel processore! 22 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 23. I transistor: quanti sono? Quanti sono i transistor integrati in un processore? Nella CPU Zambezi (8 core) sono 1.2 miliardi! Ad oggi, il processore con più transistor è Tukwila, prodotto da Intel per scopi scientifici. Prova a dire quanti ne ha… 23 OLTRE DUE MILIARDI!! SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 24. La legge di Moore “Il numero di transistor di un processore raddoppia ogni 18 mesi”. Con il progressivo avvicinarsi dei limiti fisici del silicio, il periodo di raddop- pio, una volta di 12 mesi, è passato a 18 e ora a 24 mesi. 24A cura di Jacques Bottel
  • 25. Il ciclo di clock I transistor non cambiano stato (1 o 0) tutti nello stesso momento: alcuni lo fanno un po’ prima, altri un po’ dopo. Dopo un certo tempo, quando si è sicuri che tutti i transistor hanno cambiato stato (altrimenti il risultato calcolato non sarebbe giusto!), può cominciare un’altra operazione. Dunque, un ciclo di clock è il tempo che impiega il processore per fare un’operazione. 25A cura di Jacques Bottel
  • 26. La frequenza del processore E quanto è questo tempo? Ad esempio, un processore da 1 GHz esegue 1 miliardo di operazioni al secondo, quindi il tempo per fare un’operazione è 1 miliardesimo di secondo! La frequenza del processore è data dalla formula: La frequenza è misurata in Hz. 26A cura di Jacques Bottel
  • 27. L’overclock Dal BIOS (il programma che ci permette di controllare la scheda madre) è possibile modificare la frequenza del processore:  Downclock → la frequenza viene ridotta; il processore è più lento perché svolge meno operazioni al secondo. Dunque, in pratica non ha senso fare un downclock.  Overclock → la frequenza viene aumentata; il processore è più veloce perché svolge più operazioni al secondo, ma dobbiamo tenere conto che… 27A cura di Jacques Bottel
  • 28. L’overclock: le conseguenze Conseguenze dell’overclock:  Non si ha più la certezza che tutti i transistor abbiano cambiato di stato, quindi il processore potrebbe essere inaffidabile, cioè “sbagliare” i calcoli.  La CPU o GPU produce più calore. Bisogna quindi usare un dissipatore di grosse dimensioni, altrimenti fonde!  A lungo andare il processore potrebbe non essere più affidabile o addirittura fondersi. 28 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 29. Curiosità: dissipatori normali Dissipatore passivo (senza ventola) Dissipatore attivo (con la ventola) 29 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 30. Curiosità: dissipatori per overclocking Dissipatore ad acqua (pompa acqua) Dissipatore ad azoto liquido (overclocking estremo) 30 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 31. Le prestazioni di un processore Senza fare dei test, è molto difficile capire tra due processori quale sia il più veloce: infatti, le prestazioni possono variare molto a seconda dei casi. Malgrado ciò, IN GENERALE è più veloce un processore:  Con un’alta frequenza (tanti GHz)  Con tanti core (dual core, quad core, exa core)  Con tanta cache (si evita di accedere alla memoria RAM che è più lenta!) 31A cura di Jacques Bottel
  • 32. Come vengono prodotti i processori? I chip vengono “stampati” sul wafer (ovviamente non sono i biscotti!) grazie a un processo chiamato litografia, poi vengono tagliati e fissati sul package. Un wafer 32A cura di Jacques Bottel
  • 33. Le sfide della tecnologia Ecco le sfide che gli ingegneri dovranno vincere nei prossimi decenni:  Difficoltà ad aumentare la frequenza del processore (i GHz): ridurre le correnti parassite e miniaturizzare i transistor è sempre più difficile!  Oltre i 16-32 core, l’aumento del numero dei core, anche se possibile a livello tecnologico, in pratica non darà più miglioramenti in termini di velocità. 33 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 34. Verifica se hai capito… Argomento: il processore Domande di verifica:  Come è fatto un processore? Spiega i diversi componenti.  Come opera un processore?  Che cos’è un transistor? Che cosa dice la legge di Moore?  Che cos’è il ciclo di clock? Spiega anche che cos’è l’overclock.  In generale, da che cosa sono influenzate le prestazioni di un processore?  Che cos’è la litografia? 34A cura di Jacques Bottel
  • 35. SATA La scheda madre - 1 35A cura di Jacques Bottel PROCESSORE MEMORIA NORTHBRIDGE SOUTHBRIDGE PCI-E bus FSB USB
  • 36. La scheda madre - 2 36A cura di Jacques Bottel
  • 37. Il BIOS ll BIOS (Basic I/O System) è il programma che controlla la scheda madre. Esso include informazioni di base molto importanti:  L’ora  La lingua  La frequenza del processore  L’ordine delle periferiche con cui fare l’avvio del sistema operativo. 37A cura di Jacques Bottel
  • 38. La ROM Il BIOS è memorizzato nella ROM (Read-Only Memory), una particolare memoria che si trova sulla scheda madre. 38A cura di Jacques Bottel Semplice: perché l’hard disk è una periferica, non fa parte dell’architettura di base del computer e può essere sostituito in qualsiasi momento. Perché il BIOS non è memorizzato nell’hard disk?
  • 39. Impostare la frequenza Dal BIOS è possibile modificare la frequenza del processore. 39A cura di Jacques Bottel Dato che la frequenza del bus FSB è prefissata, per modificare la frequenza del processore dobbiamo necessariamente agire sul moltiplicatore m. Downclock → decremento m, la frequenza viene ridotta Overclock → incremento m, la frequenza viene aumentata SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! Fprocessore = FSB x m
  • 40. Esempio di overclock FSB = 200 Mhz m = 5 Fprocessore = 200x5 = 1.000 MHz 40A cura di Jacques Bottel Facciamo un overclock… FSB = 200 Mhz m = 6 [incremento il moltiplicatore di 1 unità] Fprocessore = 200x6 = 1.200 MHz [overclock di 200 MHz] NB. Dobbiamo però sostituire il dissipatore, altrimenti il processore fonde! SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
  • 41. Verifica se hai capito… Argomento: la scheda madre Domande di verifica:  Che cos’è il BIOS? Perché è importante?  Descrivi l’architettura della scheda madre. 41A cura di Jacques Bottel
  • 42. Hardware: le periferiche Tutti i componenti che non fanno parte dell’architettura di base del calcolatore vengono chiamati periferiche (appunto perché stanno in periferia). Le periferiche possono essere collegate alla scheda madre (periferiche interne) o a una porta esterna (di solito USB) 42A cura di Jacques Bottel
  • 43. Esempi di periferiche Alcune periferiche interne ed esterne… tastiera pen drive stampante scheda video 43A cura di Jacques Bottel
  • 44. Periferiche interne: l’hard disk L’hard disk è la memoria di massa del computer, cioè mantiene i dati quando il computer è spento. L’hard disk è l’unico componente meccanico rimasto nei computer moderni (tutti gli altri sono elettronici). Form factor:  3.5”  2.5”  1.8” 44A cura di Jacques Bottel Interfacce:  PATA (obsoleto)  SATA 1.5, 3, 6 Gbit  SAS 3, 6, 12 Gbit (server) Dimensione
  • 45. Esploriamo l’hard disk… 45A cura di Jacques Bottel Testina Chip di controllo Piatto
  • 46. L’hard disk del futuro: l’SSD È l’evoluzione degli hard disk:  memoria ad accesso casuale, quindi più veloce rispetto all’hard disk che è una memoria ad accesso sequenziale  più resistente agli urti (importante soprattutto nei computer portatili e dispositivi mobile). 46A cura di Jacques Bottel Possono avere prestazioni molto diverse, quindi, se dovrete comprarne uno, fate molta attenzione alla velocità di lettura/scrittura!
  • 47. Esploriamo l’SSD… 47A cura di Jacques Bottel Chip di memoria Alimentazione elettrica Interfaccia SATA
  • 48. Le porte Le porte esterne consentono di collegare al computer le periferiche esterne (TV, macchina fotografica digitale, scanner, stampante, ecc). Le principali porte sono:  Porta USB  Porta firewire (presente solo sui vecchi Mac)  VGA (analogica) e HDMI (digitale) per il monitor  Thunderbolt (presente sui nuovi Mac)  Porta Ethernet per collegare il cavo di rete 48A cura di Jacques Bottel
  • 49. Le periferiche di input Le periferiche di input consentono di immettere dati nel computer. 49  Tastiera  Mouse A cura di Jacques Bottel
  • 50. Le periferiche di input  Scanner  Webcam / microfono 50A cura di Jacques Bottel
  • 51. Le periferiche di output Le periferiche di output consentono al computer di comunicare dati con l’esterno. 51  Monitor  Stampante A cura di Jacques Bottel
  • 52. Memorie removibili Le memorie removibili sono tutte quelle memorie che sono “trasportabili”, consentono di portare con sé i dati.  pen drive (“chiavetta”)  Hard disk esterno 52A cura di Jacques Bottel
  • 53. Memorie removibili  Schede di memoria Le schede di memoria vengono utilizzate soprattutto nelle macchine fotografiche digitali (schede SD) e negli smartphone (schede micro-SD). 53A cura di Jacques Bottel
  • 54. Memorie removibili: CD e DVD A prima vista, CD (Compact Disk) e DVD (Digital Versatile Disk) sono uguali; cambia solo la capacità:  700 MB per i CD, di solito utilizzati per registrare musica  4.7 GB per i DVD single layer (8.5 double layer), di solito utilizzati per registrare film Ce ne sono di diversi tipi:  Registrabili: CD-R, DVD-R, DVD+R  Riscrivibili: CD-RW, DVD-RW e DVD+RW 54A cura di Jacques Bottel
  • 55. Verifica se hai capito… Argomento: periferiche e memorie removibili Domande di verifica:  Che cos’è una periferica? Fai alcuni esempi.  L’hard disk e l’SSD: illustra le differenze  A cosa servono le porte? Elenca le principali porte.  Che cos’è una periferica di input e output? Spiega e fai alcuni esempi.  Memorie removibili. A che cosa servono? Fai alcuni esempi.  CD e DVD: illustra le differenze. 55A cura di Jacques Bottel
  • 56. TIPI DI COMPUTER 56A cura di Jacques Bottel
  • 57. La portabilità e la mobilità Con il termine portatile si intendono tutti quei computer che sono trasportabili, ma devono essere usati da una postazione fissa (es. un tavolo). Esempi: notebook, netbook Con il termine mobile (si legge “mobaile”) si intendono tutti quei computer che possono essere usati ovunque, senza bisogno di elementi ausiliari. Esempi: il tablet o lo smatphone può essere usato in piedi, senza bisogno di appoggiarlo a un tavolo. 57A cura di Jacques Bottel
  • 58. Tipi di computer: i sistemi embedded I sistemi embedded (in italiano “sistemi integrati”), sono tutti quei sistemi che non hanno il sistema operativo,ma solo un programma molto semplice. 58A cura di Jacques Bottel
  • 59. Tipi di computer: lo smartphone Gli smartphone sono cellulari di grandi dimensioni che sono computer a tutti gli effetti: hanno il sistema operativo, connessione a Internet e si possono installare applicazioni (giochi, programmi, ecc.). 59A cura di Jacques Bottel
  • 60. Tipi di computer: l’e-book Gli e-book sono i libri digitali. È possibile sottolineare, fare a annotazioni proprio come se fosse un libro normale. Lo schermo di alcuni modelli è migliore della carta: non fa il riflesso! Grazie alla memoria interna è possibile avere con sé centinaia di libri in circa 500 g di peso. 60A cura di Jacques Bottel
  • 61. E-book: attenzione ai formati! EPUB - Formato aperto molto diffuso, compatibile con la quasi totalità dei dispositivi. 61 A cura di Jacques Bottel AZW - Formato proprietario di Amazon, compatibile solo con i lettori Kindle.
  • 62. Tipi di computer: il tablet I tablet sono computer mobile. Oggi sono in rapida diffusione. 62A cura di Jacques Bottel
  • 63. Tipi di computer: il netbook I netbook sono piccoli computer portatili, utili soprat- tutto per navigare in Internet, controllare la posta elettronica e utilizzare programmi da ufficio. Oggi tendono a perdere terreno a favore dei tablet. 63A cura di Jacques Bottel
  • 64. Tipi di computer: il notebook Notebook, comunemente chiamato “portatile”, è oggi il computer più diffuso. 64A cura di Jacques Bottel
  • 65. Tipi di computer: il desktop replacement Il desktop replacement è un computer a metà strada tra un desktop e un notebook (si chiamano anche desknote), in pratica è un “desktop portatile”. 65A cura di Jacques Bottel
  • 66. Apple: il desktop, un oggetto di design iMac Mac mini 66 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 67. Tipi di computer: il desktop Desktop. Computer da scrivania ormai utilizzato quasi soltanto negli uffici e dai videogiocatori. Qualche anno fa questo era il computer più diffuso. 67A cura di Jacques Bottel
  • 68. Tipi di computer: la workstation La workstation viene utilizzata in lavori che richiedono molta potenza. Esempi: progettazione CAD, grafica, montaggio foto e video. 68A cura di Jacques Bottel
  • 69. Tipi di computer: il server Server. Sono computer progettati per rimanere accesi 24 ore al giorno. Di solito ospitano i dati di un ufficio o un’organizzazione che sono condivisi tra tutti gli impiegati. 69A cura di Jacques Bottel
  • 70. Tipi di computer: il supercomputer Super computer, utilizzati a scopo scientifico (previsioni del tempo, simulazioni di uragani, ecc.) Occupano stanze enormi perché hanno migliaia di processori! Curiosità: sul sito http://www.top500.org/ puoi vedere la classifica dei 500 supercomputer più potenti al mondo. 70A cura di Jacques Bottel
  • 71. Curiosità: uomo vs computer Anno 1997: Deep Blue, un supercomputer progettato da IBM, sfida Garry Kasparov, campione del mondo di scacchi 71 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 72. Curiosità: uomo vs computer Kasparov perde 1-2 contro Deep Blue. 72 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 73. Curiosità: uomo vs computer Alcune considerazioni:  Prima della sfida vera e propria, Kasparov non ha mai giocato partite di allenamento contro il suo avversario Deep Blue.  Il software di Deep Blue fu migliorato tra una partita e l’altra studiando le mosse di Kasparov, altrimenti molto probabilmente avrebbe vinto l’uomo.  Non si capisce che cosa sia successo all’ultima partita: Kasparov si è ritirato dopo aver fatto un erroraccio e, soprattutto, poteva vincere in poche mosse!  L’IBM non ha accettato la rivincita. Forse temeva di perdere? 73 SOLO LEGGERE, NON STUDIARE! A cura di Jacques Bottel
  • 74. Verifica se hai capito… Argomento: tipi di computer Domande di verifica:  Elenca diversi tipi di computer e illustra brevemente le differenze.  Che cosa significa portabile e mobile? Spiega e fai alcuni esempi. 74A cura di Jacques Bottel
  • 75. E ora che avete capito… memorizzate! 75A cura di Jacques Bottel