Il computer: l'hardware

1. IL COMPUTER
1A cura di Jacques Bottel

2. Hardware: l’architettura - 1
Lo schema rappresenta l’architettura di base di un
calcolatore.
PROCESSORE MEMORIA
BUS
2A cura di Jacques Bottel

3. 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.
3A cura di Jacques Bottel

4. 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.
4A cura di Jacques Bottel

5. 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.
5A cura di Jacques Bottel

6. 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.
6A cura di Jacques Bottel

7. 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.
7A cura di Jacques Bottel

8. 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.
8A cura di Jacques Bottel

9. Gerarchia di memoria
CACHE
memoria centrale (RAM
memoria secondaria (hard disk)
V
E
L
O
C
I
T
A
C
O
S
T
O
9A cura di Jacques Bottel

10. 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)
10
C
A
P
A
C
I
T
A
A cura di Jacques Bottel

11. 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.
11A cura di Jacques Bottel

12. 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
12A cura di Jacques Bottel

13. Il processore: com’è fatto?
Un processore visto da davanti e da dietro.
piedini
diecache L2
cache L2
13
package
(di colore verde)
A cura di Jacques Bottel

14. 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
14A cura di Jacques Bottel

15. Operatore AND
Se entrambi i bit sono 1 (acceso) il risultato è 1,
altrimenti 0.
15
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
A B A AND B
A cura di Jacques Bottel

16. Operatore OR
Se ALMENO un bit è 1 (acceso) il risultato è 1,
altrimenti 0.
16
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
A B A AND B
A cura di Jacques Bottel

17. Operatore NOT
Inverte lo stato del transistor: 1 (acceso) diventa 0
(spento) e viceversa .
17
1
0
0
1
A NOT B
A cura di Jacques Bottel

18. 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).
=
18A cura di Jacques Bottel

19. 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!
19
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

20. 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…
20
OLTRE DUE MILIARDI!!
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

21. 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.
21A cura di Jacques Bottel

22. 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.
22A cura di Jacques Bottel

23. 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.
23A cura di Jacques Bottel

24. 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…
24A cura di Jacques Bottel

25. 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.
25
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

26. Curiosità: dissipatori normali
Dissipatore passivo
(senza ventola)
Dissipatore attivo
(con la ventola)
26
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

27. Curiosità: dissipatori per overclocking
Dissipatore ad acqua
(pompa acqua)
Dissipatore ad azoto liquido
(overclocking estremo)
27
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

28. 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!)
28A cura di Jacques Bottel

29. 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
29A cura di Jacques Bottel

30. 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.
30
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

31. 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?
31A cura di Jacques Bottel

32. SATA
La scheda madre - 1
32A cura di Jacques Bottel
PROCESSORE MEMORIA
NORTHBRIDGE
SOUTHBRIDGE PCI-E
bus FSB
USB

33. La scheda madre - 2
33A cura di Jacques Bottel

34. 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.
34A cura di Jacques Bottel

35. La ROM
Il BIOS è memorizzato nella ROM (Read-Only Memory), una
particolare memoria che si trova sulla scheda madre.
35A 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?

36. Impostare la frequenza
Dal BIOS è possibile modificare la frequenza del
processore.
36A 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

37. Esempio di overclock
FSB = 200 Mhz
m = 5
Fprocessore = 200x5 = 1.000 MHz
37A 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!

38. 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.
38A cura di Jacques Bottel

39. 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)
39A cura di Jacques Bottel

40. Esempi di periferiche
Alcune periferiche interne ed esterne…
tastiera
pen drive stampante
scheda video
40A cura di Jacques Bottel

41. 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”
41A cura di Jacques Bottel
Interfacce:
 PATA (obsoleto)
 SATA 1.5, 3, 6 Gbit
 SAS 3, 6, 12 Gbit (server)
Dimensione

42. Esploriamo l’hard disk…
42A cura di Jacques Bottel
Testina
Chip di
controllo
Piatto

43. 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).
43A cura di Jacques Bottel
Possono avere prestazioni molto diverse,
quindi, se dovrete comprarne uno, fate molta
attenzione alla velocità di lettura/scrittura!

44. Esploriamo l’SSD…
44A cura di Jacques Bottel
Chip di
memoria
Alimentazione
elettrica
Interfaccia
SATA

45. 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
45A cura di Jacques Bottel

46. Le periferiche di input
Le periferiche di input consentono di immettere dati
nel computer.
46
 Tastiera
 Mouse
A cura di Jacques Bottel

47. Le periferiche di input
 Scanner
 Webcam / microfono
47A cura di Jacques Bottel

48. Le periferiche di output
Le periferiche di output consentono al computer di
comunicare dati con l’esterno.
48
 Monitor
 Stampante
A cura di Jacques Bottel

49. 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
49A cura di Jacques Bottel

50. Memorie removibili
 Schede di memoria
Le schede di memoria vengono utilizzate soprattutto
nelle macchine fotografiche digitali (schede SD) e
negli smartphone (schede micro-SD).
50A cura di Jacques Bottel

51. 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
51A cura di Jacques Bottel

52. 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.
52A cura di Jacques Bottel

53. TIPI DI COMPUTER
53A cura di Jacques Bottel

54. 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.
54A cura di Jacques Bottel

55. 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.
55A cura di Jacques Bottel

56. 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.).
56A cura di Jacques Bottel

57. 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.
57A cura di Jacques Bottel

58. E-book: attenzione ai formati!
EPUB - Formato aperto molto diffuso,
compatibile con la quasi totalità dei
dispositivi.
58
A cura di Jacques Bottel
AZW - Formato proprietario di Amazon,
compatibile solo con i lettori Kindle.

59. Tipi di computer: il tablet
I tablet sono computer mobile. Oggi sono in rapida
diffusione.
59A cura di Jacques Bottel

60. 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.
60A cura di Jacques Bottel

61. Tipi di computer: il notebook
Notebook, comunemente chiamato “portatile”, è oggi il
computer più diffuso.
61A cura di Jacques Bottel

62. 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”.
62A cura di Jacques Bottel

63. Apple: il desktop, un oggetto di design
iMac Mac mini
63
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

64. 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.
64A cura di Jacques Bottel

65. Tipi di computer: la workstation
La workstation viene utilizzata in lavori che richiedono
molta potenza. Esempi: progettazione CAD, grafica,
montaggio foto e video.
65A cura di Jacques Bottel

66. 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.
66A cura di Jacques Bottel

67. 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.
67A cura di Jacques Bottel

68. Curiosità: uomo vs computer
Anno 1997: Deep Blue, un supercomputer progettato da
IBM, sfida Garry Kasparov, campione del mondo di scacchi
68
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

69. Curiosità: uomo vs computer
Kasparov perde 1-2 contro Deep Blue.
69
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

70. 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?
70
SOLO LEGGERE, NON STUDIARE!
A cura di Jacques Bottel

71. 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.
71A cura di Jacques Bottel

72. E ora che avete capito…
memorizzate!
72A cura di Jacques Bottel