1.2 – Architettura dei sistemi di elaborazione

Obiettivi della lezione

• Comprendere i diversi tipi di computer: Esplorare le differenze tra supercomputer, mainframe, server, personal computer, laptop, tablet e smartphone.
• Analizzare l’architettura di un sistema di elaborazione: Studiare componenti come CPU, RAM, ROM, unità di memoria di massa e dispositivi di input/output.
• Apprendere le misure dei dati contenuti in memoria: Conoscere le unità di misura dei dati (byte, KB, MB, GB, TB) e la loro importanza.
• Esaminare i bus e le porte di comunicazione: Comprendere come funzionano i bus e le porte di comunicazione nel trasporto dei dati.
• Conoscere il processo di avvio del computer: Analizzare i passaggi chiave dell’avvio del computer.
• Introdurre la robotica e il mobile computing: Esplorare l’uso della robotica e dei dispositivi mobili nei vari settori.

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I tipi di computer

Nella seconda lezione, esploreremo i vari tipi di computer esistenti e come si differenziano in termini di capacità, utilizzo e architettura. I computer possono essere classificati in diverse categorie, tra cui:

• Supercomputer: Utilizzati per calcoli complessi e applicazioni scientifiche avanzate, i supercomputer sono progettati per eseguire trilioni di operazioni al secondo. Sono impiegati in simulazioni climatiche, ricerca nucleare e altri compiti intensivi di elaborazione dei dati.
• Mainframe: Grandi sistemi usati principalmente nelle grandi organizzazioni per gestire applicazioni e database critici. I mainframe sono conosciuti per la loro affidabilità, scalabilità e capacità di gestire un elevato numero di transazioni simultanee.
• Server: Computer che forniscono servizi ad altri computer su una rete. I server gestiscono applicazioni web, database, posta elettronica e altri servizi di rete, spesso funzionando in ambienti data center.
• Personal computer (PC): Computer utilizzati da singoli utenti per applicazioni generiche come navigare in internet, scrivere documenti e giocare. I PC possono essere desktop, che offrono potenza e aggiornabilità, o laptop, che offrono portabilità.
• Laptop e notebook: Versioni portatili dei PC, i laptop combinano portabilità con funzionalità avanzate, rendendoli ideali per l’uso professionale e personale in movimento.
• Tablet e smartphone: Dispositivi mobili utilizzati per molte delle stesse applicazioni dei PC, ma con maggiore portabilità. I tablet offrono schermi più grandi per un’esperienza multimediale migliorata, mentre gli smartphone combinano capacità di calcolo con funzionalità di comunicazione mobile.

Architettura di un sistema di elaborazione

L’architettura di un sistema di elaborazione è la struttura che definisce il modo in cui i componenti hardware e software di un computer interagiscono tra loro per eseguire operazioni. Analizzeremo i seguenti componenti chiave:

CPU (Central Processing Unit): Il cervello del computer che esegue istruzioni e processa dati. La CPU è composta da un’unità di controllo, che dirige le operazioni del computer, e da un’unità aritmetica-logica (ALU), che esegue operazioni matematiche e logiche. Si innesta nella scheda madre attraverso un apposito alloggio chiamato socket. Andiamo a vedere nel dettaglio i suoi componenti:

• Unità di controllo (Control Unit): Questo componente dirige e coordina tutte le attività della CPU. Decide quali istruzioni eseguire e in che ordine, preleva le istruzioni dalla memoria e le invia ai vari componenti della CPU per essere elaborate.
• Unità aritmetico-logica (ALU – Arithmetic Logic Unit): È la parte della CPU che esegue i calcoli matematici (come addizioni o moltiplicazioni) e le operazioni logiche (come confronti tra numeri).
• Registri (Registers): Sono piccole memorie molto veloci all’interno della CPU che conservano temporaneamente i dati e le istruzioni che la CPU sta elaborando.

RAM (Random Access Memory): Memoria volatile che memorizza temporaneamente i dati per un accesso rapido. La RAM è essenziale per le prestazioni del sistema, poiché consente di accedere rapidamente ai dati e ai programmi attivi.

ROM (Read-Only Memory): Memoria non volatile che contiene istruzioni di avvio e firmware. La ROM mantiene i dati anche quando il computer è spento, fornendo istruzioni critiche per l’avvio del sistema.

Unità di memoria di massa: Hard disk e SSD utilizzati per l’archiviazione a lungo termine dei dati. Gli hard disk offrono grandi capacità di archiviazione a costi inferiori, mentre gli SSD offrono velocità di accesso ai dati significativamente più rapide.

• Hard Disk Drive (HDD): L’HDD utilizza piatti magnetici rotanti per memorizzare i dati. Questi piatti sono coperti da un materiale magnetico e ruotano ad alta velocità. Una testina di lettura/scrittura si muove sopra i piatti per leggere e scrivere dati.
  • Quando i dati vengono scritti, la testina magnetizza piccole aree del piatto in modo che rappresentino bit di dati (0 e 1).
  • Durante la lettura, la testina rileva la magnetizzazione delle aree per decifrare i dati.
  • Ha grandi capacità di archiviazione, ma è più lento rispetto agli SSD perché deve muovere meccanicamente i piatti e la testina.

• Solid State Drive (SSD): L’SSD non ha parti mobili, quindi è molto più veloce. Utilizza chip di memoria flash (celle di memoria) per memorizzare i dati.
  • I dati vengono immagazzinati in celle che mantengono la loro carica elettrica, anche quando l’alimentazione è spenta.
  • Quando il computer richiede un dato, il controller dell’SSD accede direttamente alla cella specifica, il che rende il processo molto più veloce rispetto alla ricerca su un disco magnetico.
  • Velocità molto più elevate, tempi di accesso rapidissimi e maggiore affidabilità rispetto agli HDD, ma con un costo per gigabyte generalmente più alto.

• USB Flash Drive (Chiavetta USB): Le chiavette USB utilizzano anche memorie flash, simili agli SSD. La differenza principale è che le chiavette USB sono dispositivi rimovibili e portatili.
  • All’interno, ci sono chip di memoria flash che immagazzinano dati elettronicamente.
  • L’interfaccia USB consente al dispositivo di essere collegato e letto o scritto direttamente da un computer.
  • Sono piccole, economiche e facili da trasportare, ma la velocità e la capacità sono generalmente inferiori rispetto a un SSD.

• Dischi Ottici (CD, DVD, Blu-ray): I dischi ottici memorizzano i dati usando fossette (pits) e pianure (lands) su una superficie riflettente.
  • Un laser legge i dati riflettendo luce sulla superficie del disco. Quando la luce colpisce una fossetta, si riflette in modo diverso rispetto a una pianura, rappresentando bit di dati (0 e 1).
  • Per scrivere i dati, nei dischi registrabili, un laser “brucia” piccole fossette sulla superficie del disco.
  • Questi supporti sono meno usati oggi per l’archiviazione, ma sono ancora utilizzati per la distribuzione di software, film e musica. La capacità varia: un CD può contenere circa 700 MB, un DVD fino a 4,7 GB e un Blu-ray fino a 25 GB o più.

Dispositivi di input/output: Tastiera, mouse, monitor, stampante, ecc. Questi dispositivi consentono agli utenti di interagire con il computer e di ricevere output visivi e stampati.

La misura dei dati contenuti in memoria

Le unità di memoria sono calcolate in potenze di 2 a causa del funzionamento interno dei computer, che operano in binario.

Bit (b): La più piccola unità di dati nel sistema binario. Può essere 0 o 1.

Byte (B): Composto da 8 bit. È l’unità di base utilizzata per rappresentare i dati.

La quantità di dati che un computer può memorizzare e processare è misurata in unità come byte, kilobyte (KB), megabyte (MB), gigabyte (GB) e terabyte (TB). È fondamentale comprendere queste misure per valutare la capacità di archiviazione e la potenza di calcolo di un sistema.

• Byte (B): L’unità di base della memoria.
• Kilobyte (KB): 1 KB = 1.024 B = 2¹⁰ B
• Megabyte (MB): 1 MB = 1.024 KB = 2²⁰ B
• Gigabyte (GB): 1 GB = 1.024 MB = 2³⁰ B
• Terabyte (TB): 1 TB = 1.024 GB = 2⁴⁰ B
• Petabyte (TB): 1 PB = 1.024 TB = 2⁵⁰ B

Comprendere queste unità è essenziale per determinare le dimensioni dei file, la capacità di memoria e le esigenze di archiviazione.

I bus e le porte di comunicazione

I bus sono percorsi di comunicazione che trasportano dati tra i componenti interni di un computer, come la CPU, la RAM e le unità di memoria di massa. Esistono diversi tipi di bus, tra cui:

• Bus dati: Trasporta i dati tra i componenti del computer.
• Bus indirizzi: Trasporta le informazioni sugli indirizzi di memoria.
• Bus di controllo: Trasporta i segnali di controllo e di sincronizzazione tra i componenti del computer.

Le porte di comunicazione, invece, permettono il collegamento di dispositivi esterni, come USB, HDMI e Ethernet, facilitando il trasferimento di dati e la connessione a reti e periferiche.

Le periferiche di un PC sono dispositivi esterni che si collegano al computer per fornire input o output, o per estendere le sue capacità. Per collegare queste periferiche al computer, vengono utilizzati vari standard, che definiscono la modalità di connessione, comunicazione e interazione tra il computer e il dispositivo. Ecco una panoramica dei principali standard per le periferiche di un PC:

USB (Universal Serial Bus)

L’USB è uno degli standard più comuni e ampiamente utilizzati per collegare periferiche a un PC. Esistono diverse versioni:

• USB 1.1: Supporta velocità fino a 12 Mbps.
• USB 2.0: Ha aumentato la velocità fino a 480 Mbps.
• USB 3.0 e 3.1: Supportano velocità fino a 5 Gbps e 10 Gbps, rispettivamente.
• USB 3.2 e USB4: Forniscono velocità ancora più elevate fino a 40 Gbps.

Esempi di periferiche: Tastiere, mouse, stampanti, dischi rigidi esterni, webcam.

Bluetooth

Bluetooth è uno standard di comunicazione wireless a corto raggio utilizzato per collegare dispositivi senza fili. Utilizzato principalmente per dispositivi portatili, il Bluetooth permette la connessione senza l’uso di cavi, con un raggio di trasmissione tipico che varia da 10 a 100 metri.

Esempi di periferiche: Cuffie, tastiere wireless, mouse wireless, altoparlanti portatili.

Wi-Fi (Wireless Fidelity)

Il Wi-Fi è un altro standard di comunicazione wireless, principalmente utilizzato per la connessione a reti locali e a Internet. Tuttavia, molte periferiche supportano anche il Wi-Fi per trasmettere dati senza l’uso di cavi, specialmente dispositivi come stampanti e scanner.

Esempi di periferiche: Stampanti Wi-Fi, scanner Wi-Fi, telecamere di sicurezza.

HDMI (High-Definition Multimedia Interface)

HDMI è uno standard per la trasmissione di video e audio ad alta definizione. È ampiamente utilizzato per collegare monitor, proiettori e TV a computer e altre apparecchiature elettroniche.

Esempi di periferiche: Monitor, TV, proiettori.

VGA (Video Graphics Array)

Il VGA è un vecchio standard di interfaccia analogica per la trasmissione di segnali video. Anche se superato dai nuovi standard digitali come HDMI e DisplayPort, il VGA è ancora utilizzato su alcuni dispositivi più vecchi.

Esempi di periferiche: Monitor CRT, vecchi proiettori.

Ethernet (RJ-45)

Ethernet è uno standard per la connessione di un computer a una rete cablata, solitamente attraverso un cavo Ethernet. Viene principalmente utilizzato per fornire connessioni stabili e veloci alle reti locali (LAN).

Esempi di periferiche: Stampanti di rete, dispositivi NAS (Network Attached Storage), router.

L’avvio del computer

L’avvio del computer, o booting, è il processo attraverso il quale un computer carica il sistema operativo e i componenti necessari per iniziare a funzionare. Questo processo coinvolge diversi passaggi chiave:

1. Accensione del computer: L’utente preme il pulsante di accensione, attivando l’alimentazione.
2. BIOS (Basic Input/Output System): Il BIOS esegue un POST (Power-On Self Test) per verificare il funzionamento dell’hardware.
3. Caricamento del bootloader: Il BIOS cerca un dispositivo di avvio (come un hard disk o un SSD) e carica il bootloader.
4. Caricamento del sistema operativo: Il bootloader carica il sistema operativo nella RAM.
5. Avvio del sistema operativo: Il sistema operativo si avvia e presenta l’interfaccia utente, consentendo all’utente di iniziare a utilizzare il computer.

La robotica

La robotica è un campo che combina informatica, elettronica e meccanica per creare macchine capaci di eseguire compiti autonomi o semi-autonomi. I robot sono utilizzati in molteplici settori, tra cui:

• Produzione industriale: Robot che eseguono operazioni di assemblaggio, saldatura e imballaggio.
• Medicina: Robot chirurgici che assistono i chirurghi in operazioni precise e minimamente invasive.
• Esplorazione spaziale: Robot e rover che esplorano ambienti extraterrestri, raccogliendo dati e campioni.

Mobile computing

Il mobile computing si riferisce all’uso di dispositivi portatili, come smartphone e tablet, per eseguire compiti che un tempo richiedevano computer desktop. Questo settore è in rapida espansione grazie ai progressi nella connettività wireless, nelle batterie e nei processori mobili. I dispositivi mobili offrono numerose applicazioni, tra cui:

• Comunicazione: Email, messaggistica istantanea e videochiamate.
• Navigazione: Mappe e GPS per la navigazione e il tracciamento delle posizioni.
• Intrattenimento: Giochi, streaming video e social media.
• Produttività: Applicazioni per la creazione di documenti, fogli di calcolo e presentazioni.

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Esercitazioni pratiche

1. Classificazione dei tipi di computer:
   • Identificare e descrivere i vari tipi di computer (supercomputer, mainframe, server, PC, laptop, tablet, smartphone) con esempi pratici.
2. Analisi dell’architettura del computer:
   • Smontare un PC per identificare e descrivere i componenti hardware principali (CPU, RAM, ROM, hard disk, SSD, dispositivi di input/output).
3. Calcolo delle capacità di memoria:
   • Esercizi di conversione tra byte, KB, MB, GB e TB per comprendere la capacità di memoria dei dispositivi di archiviazione.
4. Studio dei bus e delle porte di comunicazione:
   • Simulare il funzionamento dei bus dati, indirizzi e controllo, e l’utilizzo delle porte di comunicazione (USB, HDMI, Ethernet) attraverso software di simulazione.
5. Simulazione dell’avvio del computer:
   • Utilizzare software di simulazione per seguire i passaggi del processo di booting, dal POST all’avvio del sistema operativo.
6. Progetto di robotica di base:
   • Creare un semplice robot utilizzando kit di robotica educativa per comprendere i principi base della robotica.
7. Utilizzo di dispositivi mobili per compiti specifici:
   • Svolgere attività di comunicazione, navigazione, produttività e intrattenimento utilizzando tablet e smartphone per comprendere le potenzialità del mobile computing.

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Mappa concettuale