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Sistemi Hardware. Ing. Giuseppe Cisci 20102 Concetti Fondamentali ► Hardware Tutto ciò che è tangibile, cioè tutte l’insieme dei dispositivi elettronici.

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1 Sistemi Hardware

2 Ing. Giuseppe Cisci Concetti Fondamentali ► Hardware Tutto ciò che è tangibile, cioè tutte l’insieme dei dispositivi elettronici e meccanici che costituiscono l’elaboratore ► Software L’insieme dei programmi che permettono di gestire sia l’elaboratore che le informazioni

3 Ing. Giuseppe Cisci Tipi di computer ► Mainframe Grossi sistemi aziendali, vengono utilizzati contemporaneamente da un elevato numero di utenti mediante “terminali” ► Minicomputer Piccoli mainframe ► Network Computer Possono funzionare solo se connessi a un mainframe/minicomputer mediante una rete ► Personal Computer (PC) ► Laptop Computer Di dimensioni ridotte e con la possibilità di essere alimentato a batteria

4 Ing. Giuseppe Cisci Cosa fa un computer? ► Elabora informazioni ► Informazioni sotto forma di dati digitali, che possono cioè avere solo due valori (0,1), chiamati bit ► I bit sono raggruppati in gruppi di 8 chiamati byte

5 Ing. Giuseppe Cisci Cosa fa un computer? ► Per elaborare le informazioni il computer esegue programmi ► I programmi sono delle sequenze di istruzioni elementari che specificano quali operazioni devono essere eseguite

6 Ing. Giuseppe Cisci Hardware ► Unità Centrale di Elaborazione (CPU) ► Memoria ► Unità di Input e di Output CPU memoria Dispositivi di I/O bus

7 Ing. Giuseppe Cisci Il bus ► I componenti comunicano scambiandosi segnali elettrici attraverso serie di conduttori che costituiscono il bus ► Il bus è suddiviso in  Bus Indirizzi  Bus Dati  Bus di controllo ► Il bus ha subito diverse evoluzioni. Attualmente si utilizza un bus parallelo chiamato PCI ► L’evoluzione è il PCI express che è un bus seriale attualmente utilizzato per la comunicazione con le schede video

8 Ing. Giuseppe Cisci La CPU ► Il suo compito è quello di eseguire i programmi ► Questi sono una sequenza di istruzioni elementari (operazioni aritmetiche, operazioni logiche, spostamenti di dati da una posizione ad un’altra)

9 Ing. Giuseppe Cisci La CPU ► Unità Aritmetico Logica (ALU) ► Unità di controllo (CU) ► Registri CPU ALU CU registri

10 Ing. Giuseppe Cisci ► Unità Aritmetico Logica (ALU) ► Esegue le operazioni aritmetiche e logiche ► Unità di controllo (CU) ► Comanda e sincronizza l’esecuzione delle operazioni ► Registri ► Vi vengono depositati temporaneamente i dati oggetto delle operazioni

11 Ing. Giuseppe Cisci Esempio di elaborazione 5. Trasferimento del risultato dalla CPU alla memoria MEMORIA CPU Trasferimento istruzione dalla memoria alla cpu 2. Traduzione del codice istruzione 3. Trasferimento dei dati oggetto dell’istruzione dalla memoria alla CPU 4. Esecuzione dell’istruzione

12 Ing. Giuseppe Cisci IL segnale di clock ► Per sincronizzare le operazioni della CPU tra loro e con il resto del sistema si ricorre ad un segnale apposito ► Questo segnale è un onda quadra ► Quando il segnale passa dal valore basso al valore alto può essere svolta un’operazione ► Più elevata è la frequenza di clock e più operazioni possono essere eseguite in un secondo t

13 Ing. Giuseppe Cisci Prestazioni della CPU ► Dimensione del BUS  32 o 64 bit ► Frequenza di clock  numero di cicli eseguibili in un secondo  Si misura in GHz (1 GHz = 1 miliardo di cicli al secondo) ► Architettura MULTICORE  una struttura con più ALU e CU che lavorano in parallelo all’interno dello stesso microprocessore

14 Ing. Giuseppe Cisci La memoria La funzione della memoria è quella di immagazzinare : ► Dati ► Programmi

15 Ing. Giuseppe Cisci La memoria ► Memoria principale  Molto veloce ma di dimensioni contenute  Interagisce direttamente con la CPU ► Memoria secondaria o memoria di massa  In grado di immagazzinare in maniera permanente una grossa quantità di dati ma, inevitabilmente, più lenta della principale

16 Ing. Giuseppe Cisci Tipologie di memoria ► RAM (Random Access Memory) Memoria di tipo “volatile”, costituisce la memoria principale ► ROM (Read Only Memory) Memoria di sola lettura, “non volatile”. Viene utilizzata per contenere le informazioni necessarie all’avvio del computer (BIOS) ► Cache Di dimensioni ridotte ma molto veloce è posizionata all’interno della CPU. Contiene le informazioni che vengono scambiate più spesso con la RAM

17 Ing. Giuseppe Cisci RAM ► La memoria può essere immaginata come un contenitore con tanti “cassetti” ► In ogni “cassetto” è contenuta un’informazione sotto forma di byte

18 Ing. Giuseppe Cisci RAM ► Random Access Memory  Memoria ad accesso casuale (per distinguerla dalle memorie ad accesso sequenziale dove il tempo di accesso dipende da dove il dato è posizionato). ► Il tempo di accesso è indipendente da dove è immagazzinato il dato. ► Consente rapide operazioni di lettura/scrittura. ► È una memoria volatile, cioè perde i dati immagazzinati quando viene tolta l’alimentazione

19 Ing. Giuseppe Cisci Evoluzione della RAM ► SRAM  Static RAM  sono molto veloci  consumano poco e dissipano poco calore  Occupano una notevole porzione del chip in silicio su cui sono realizzate  Solitamente sono utilizzate per realizzare memorie cache

20 Ing. Giuseppe Cisci Evoluzione della RAM ► DRAM  Dynamic Random Access Memory  Costi ridotti e elevata densità per superficie di chip utilizzato  Come svantaggio risultano più lente  Tendono a perdere il bit immagazzinato che va periodicamente ricaricato -> REFRESH. Da questa necessità deriva il termine dinamica che caratterizza questo tipo di memoria

21 Ing. Giuseppe Cisci Evoluzione della RAM ► SDRAM  Synchronous DRAM  Si differenzia dalla DRAM normale per il fatto che l'accesso è sincrono, ovvero governato dal clock. ► DDR SDRAM  Double Data Rate  L’accesso alla memoria avviene sia durante il fronte di salita del clock che su quello di discesa  Funzionano quindi a velocità doppia rispetto alle altre

22 Ing. Giuseppe Cisci Prestazioni della memoria ► Capacità Si misura in Byte e nei suoi multipli KiloByte 1KB = 1024 Byte MegaByte 1MB = 1024 KByte GigaByte 1GB = 1024 MByte ► Velocità Ossia tempo medio affinché un dato possa essere letto/scritto in memoria (attualmente frequenza max 667 MHz, ossia circa 1,5 ns)

23 Ing. Giuseppe Cisci Memorie di Massa ► Hard Disk Hard Disk Hard Disk ► Flash memory ► Floppy disk ► CD-ROM CD-ROM ► DVD-ROM DVD-ROM ► Dischi rimovibili (Zip Disk) ► Nastro magnetico

24 Ing. Giuseppe Cisci Hard Disk ► Il disco rigido è formato da: ► Uno o più piatti in alluminio (in alternativa vetro) ricoperti da materiale ferromagnetico ► Una o più testine in grado di leggere e modificare i valori del campo magnetico nelle diverse zone del disco ► Un motore che mette in rotazione il disco.

25 Ing. Giuseppe Cisci Hard Disk motore piatti testina

26 Ing. Giuseppe Cisci Hard Disk ► I dati vengono memorizzati sul disco dalle testine che magnetizzano (bit 1) o meno (bit 0) parti specifiche del disco stesso ► Le testine non hanno nessun contatto fisico con i piatti durante il normale funzionamento, ma planano sul cuscino d'aria formato dalla rapida rotazione dei piatti grazie al loro profilo aerodinamico. ► Quando l'hard disk è spento le testine vengono parcheggiate in una zona adibita a tale scopo, la landing zone, oppure in alcuni modelli vengono parcheggiate fuori dal disco in un apposito supporto di plastica.

27 Ing. Giuseppe Cisci ► I dati sono organizzati in  Tracce  zone concentriche  Settori  spicchi radiali  Cluster (o blocchi)  intersezioni tra tracce e settori  Le tracce di diversi piatti che si trovano alla stessa distanza dal centro formano un cilindro

28 Ing. Giuseppe Cisci traccia settore cluster

29 Ing. Giuseppe Cisci Caratteristiche ► Capacità  Attualmente intorno ai 2 TB ( 2000 GB) ► Velocità di rotazione dei piatti  5400 rpm ( minori consumi e minor calore prodotto)  7200 rpm Maggiore velocità si traduce in un più rapido accesso ai cluster dove sono contenuti i dati Esistono versioni meno diffuse a e giri al minuto

30 Ing. Giuseppe Cisci Hard Disk ► Bus di trasferimento dei dati  EIDE – ATA (detto anche P-ATA) ► Trasferimento dei dati in parallelo ► Velocità massima di trasferimento dei dati 133 MByte/s  Serial ATA (SATA) ► Trasferimento dei dati seriale ► Velocità di trasferimento dei dati fino a 6 Gbit/sec ossia 750 MByte/sec (difficilmente raggiungibile su dischi commerciali a causa del collo di bottiglia nell’accesso ai dati)

31 Ing. Giuseppe Cisci CD-ROM e DVD ► I CD (Compact Disc), a differenza degli hard disk, sono delle memorie di massa su supporto ottico ► I DVD (Digital Versatile Disk) sono una evoluzione dei CD in grado di immagazzinare una maggiore quantità di dati e con un più veloce trasferimento degli stessi ► Un laser è in grado di leggere se sul disco è stato inciso un incavo (pit) oppure è presente una zona piatta (land) e li intrepreta come bit assegnando il valore 1 oppure 0

32 Ing. Giuseppe Cisci Caratteristiche Tecniche ► CD ROM  Capacità 700 MB  Max Velocità di trasferimento dati 7,8 MB/s (52x) ► DVD  Capacità 4,7 GiB (miliardi di Bytes) = 4,37 GB  Max Velocità di trasferimento dati 21,13 MB/s (16x)

33 Ing. Giuseppe Cisci Dispositivi di Input ► Tutti i componenti hardware che forniscono dei dati in ingresso al sistema ► Principali dispositivi  Tastiera  Mouse  Touch Pad  Scanner  Tavolette Grafiche  Microfoni  Web Cam

34 Ing. Giuseppe Cisci Dispositivi di Output ► Tutti i dispositivi hardware che trasferiscono all’esterno le informazioni elaborate dal sistema ► Principali dispositivi  Monitor  Stampante  Plotter  Altoparlanti  Videoproiettori

35 Ing. Giuseppe Cisci Scheda Video ► Necessaria per “alleggerire” il lavoro della CPU ► Elabora l’immagine che deve essere visualizzata sul monitor ► Indispensabile per elaborare le animazioni 3D ► Prestazioni  Risoluzione (numero di pixel che è in grado di elaborare)  Numero di colori  Frequenza di aggiornamento dell’immagine

36 Ing. Giuseppe Cisci Scheda Audio ► Elabora i segnali elettrici che devono essere inviati agli altoparlanti e converte in segnali digitali quelli provenienti dal microfono ► Può essere considerata contemporaneamente dispositivo di Input e di Output

37 Ing. Giuseppe Cisci Porte di comunicazione ► Servono per il collegamento dei dispositivi esterni  Seriale  Parallela  USB  Firewire

38 Ing. Giuseppe Cisci Porta seriale ► I dati vengono trasferiti in serie, un bit dopo l’altro. ► Velocità di trasmissione 9600 bit/sec ► Ormai superata a causa della sua lentezza

39 Ing. Giuseppe Cisci Porta parallela ► Trasferisce 8 bit in parallelo ► Utilizzata prevalentemente su stampanti e scanner ► Velocità di trasferimento max 1,2 Mbit/s

40 Ing. Giuseppe Cisci USB ► Universal Serial BUS ► standard di comunicazione seriale che consente di collegare diverse periferiche ad un computer ► Il sistema USB consiste in un singolo gestore e molte periferiche collegate da una struttura ad albero attraverso dei dispositivi chiamati hub ► Supporta fino ad un massimo di 127 periferiche per gestore (nel computo vanno però inclusi anche gli hub e il gestore stesso) ► Corrente massima erogabile 500 mA

41 Ing. Giuseppe Cisci Velocità USB ► USB 1.01,5 Mbit/s ► USB Mbit/s  Noto anche come 2.0 Full Speed ► USB Mbit/s  Noto anche come 2.0 High Speed

42 Ing. Giuseppe Cisci Connettori USB Connettore tipo AConnettore tipo B Connettore mini A e mini B Connettore micro USB

43 Ing. Giuseppe Cisci La scheda madre ► Mother Board o Main Board ► Funge da supporto meccanico ed elettrico ai diversi componenti che costituiscono un calcolatore ► In particolare il collegamento elettrico tra i diversi componenti ► In essa sono allocati il BUS e le interfacce

44 Ing. Giuseppe Cisci Scheda Madre

45 Ing. Giuseppe Cisci Componenti della scheda madre ► CPU Socket CPU Socket CPU Socket ► ROM(BIOS, RAM CMOS, Batteria) ► Chipset Chipset  Northbridge  Southbridge ► Slot RAM Slot RAM Slot RAM ► Il Bus ► Interfacce di I/O (seriale, parallela, USB, firewire, PS/2 per mouse e tastiera) Interfacce di I/O Interfacce di I/O ► Interfacce per i dischi (EIDE, SATA) Interfacce per i dischi Interfacce per i dischi

46 Ing. Giuseppe Cisci ► La scheda madre può integrare anche dispositivi come ► Scheda audio ► Scheda video ► Scheda di rete e i relativi connettori esterni

47 Ing. Giuseppe Cisci Northbridge ► È il circuito integrato che connette il processore con la memoria RAM e con i bus di espansione principali (PCI, PCI express e AGP); ► I modelli più recenti incorporano anche le interfacce ATA e/o SATA per gli hard disk, che sono i componenti più critici per le prestazioni di un personal computer. ► È l'elemento più importante del chipset e il suo buon funzionamento è cruciale per la stabilità e la velocità della macchina.

48 Ing. Giuseppe Cisci Southbridge ► è il secondo componente del chipset e il suo compito è quello di gestire tutte le interfacce a bassa velocità ► è connesso al north bridge tramite il bus di espansione e gestisce  le porte seriali e parallele,  l'interfaccia per la tastiera e il mouse,  l'interfaccia Ethernet,

49 Ing. Giuseppe Cisci Il MODEM ► MOdulatore/DEModulatore ► Ha lo scopo di adattare i segnali digitali gestiti dall’elaboratore affinché possano essere convogliati sulla rete telefonica ► Risulta quindi essere contemporaneamente dispositivo di Input e di Output

50 Ing. Giuseppe Cisci La rete telefonica ► Esistono due tipi fondamentali di rete:  PSTN (Public Switched Telephone Network) è la linea voce (analogica) che collega normalmente i telefoni  PSDN (Public Switched Data Network) è una linea digitale che consente solo il traffico di dati e non della voce

51 Ing. Giuseppe Cisci Il MODEM ► A seconda della linea telefonica utilizzata il MODEM consente di trasferire i dati a differenti velocità  MODEM per linea telefonica standard: 56 Kbit/sec  MODEM per linea ISDN: circa 128 Kbit/sec  MODEM per linea ADSL: inizialmente 640 Kbit/sec, attualmente si raggiungono velocità di 20 Mbit/sec (le linee ISDN e ADSL sono linee dati di tipo digitale )

52 Ing. Giuseppe Cisci La scheda di rete ► Anche questo dispositivo svolge contemporaneamente sia funzioni di Input che di Output ► Il suo compito è quello di consentire il collegamento a una rete di computer ► Esistono diverse tipologie: 10, 100, 1000, dove il numero indica la velocità massima di comunicazione espressa in Mbit/sec.

53 Ing. Giuseppe Cisci Reti informatiche ► In generale sono costituite da due o più computer in grado di comunicare tra loro ► Sono suddivise in due tipi fondamentali:  LAN (Local Area Network)  reti locali  WAN (Wide Area Network)  reti geografiche

54 Ing. Giuseppe Cisci Vantaggi nell’utilizzo di una rete ► Condivisione delle risorse ( stampanti, sistemi di archiviazione dati, etc. ) ► Condivisione delle informazioni ► Posta elettronica ► Supporto a distanza

55 Ing. Giuseppe Cisci Reti LAN ► Sono caratterizzate dall’essere collocate in uno spazio “limitato” ( coinvolgono i computer all’interno di uno stesso edificio o al massimo di edifici adiacenti ).

56 Ing. Giuseppe Cisci LAN - Ethernet ► È la tipologia di collegamento utilizzata correntemente

57 Ing. Giuseppe Cisci LAN - Ethernet ► I computer sono collegati attraverso i seguenti dispositivi:  Schede di rete (all’interno dei PC)  Cavi di rete denominati UTP (Unshielded Twisted Pair)  HUB oppure SWITCH (Concentratori) ► Questi ultimi collegati ai PC tramite i cavi di rete, permettono il passaggio delle informazioni da un computer all’altro.

58 Ing. Giuseppe Cisci LAN - Ethernet

59 Ing. Giuseppe Cisci HUB ► Svolge la funzione di concentratore ► I dati ricevuti su una porta vengono inoltrati su tutte le altre ► Questo provoca uno spreco di banda e ne limita l’utilizzo al collegamento di un massimo di 8 PC ► Hanno il vantaggio di essere economici

60 Ing. Giuseppe Cisci SWITCH ► A differenza degli HUB leggono il pacchetto di dati oggetto dello comunicazione e lo instradano solo verso il PC di destinazione ► Questo risulta in una migliore gestione della banda ► Di contro sono più costosi


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