La struttura di un computer Seconda parte

La memoria virtuale Soprattutto se sul computer è installata poca RAM si corre il rischio di esaurirla se si aprono troppi programmi contemporaneamente

Con la memoria virtuale, quello che il computer fa è controllare nella RAM le aree che non sono usate frequentemente e spostarle sul HardDisk. In questo modo la memoria viene liberata e possono essere caricate nuove applicazioni

Questi spostamenti dalla RAM all'Hard disk avvengono in modo automatico senza che l'utente se ne accorga nemmeno. Usando la memoria virtuale quindi è come se si avesse memoria illimitata, anche se in realtà se ne possiede solamente una piccola parte.

Se non si ha una RAM sufficiente, il sistema operativo sarà costretto continuamente a spostare informazioni avanti ed indietro tra la memoria RAM e l'Hard Disk. Questa operazione è chiamata trashing ed è quella che può rallentare il PC.

La memoria cache Fra il microprocessore e la memoria centrale RAM vi è interposta un’altra memoria detta cache

Le CPU, veloci e potenti, hanno bisogno di accedere a grandi quantità di dati per massimizzare le loro prestazioni. Se una CPU non riesce a leggere i dati di cui ha bisogno, si ferma ed aspetta! Le moderne CPU con velocità di diversi gigahertz possono richiedere ed elaborare grandissime quantità di dati. Il problema è che dovrebbero esistere delle RAM spropositate (sia in termini di capacità che di costi) per poterli contenere tutti

I progettisti hanno risolto questo problema mediante il tiering, ovvero usando piccole quantità di memoria costosa e quantità più grandi di memoria di costo ristretto.

Anche con BUS più grandi e più veloci, il tempo che la CPU impiega per leggere i dati dalla memoria è sempre spropositato se confrontato col tempo di elaborazione degli stessi di cui è capace la CPU stessa.

Le memorie cache sono state create proprio per questo motivo, per far si che i dati più usati dalla CPU siano immediatamente accessibili senza dover compiere tutto il tragitto dalla memoria alla CPU. Questo viene realizzato costruendo una piccola quantità di memoria direttamente sulla CPU.

Si tratta di una quantità variabile da 2 a 64 KB e viene detta cache primaria o cache di livello 1.

La cache secondaria o cache di livello 2 risiede invece su una memoria collocata vicino alla CPU e connessa direttamente ad essa.

Altre memorie di massa La PENDRIVE o CHIAVETTA USB

E' un dispositivo d’archiviazione dati portatile che si può collegare ad ogni porta USB del computer. E’ molto più comoda di un CD o DVD in quanto occupa meno spazio ed è più compatta ed è  più veloce e ha molta più memoria di un FLOPPY DISK ormai in disuso. Come memoria supportata va dai 512 mb e arrivano fino ad un massimo di 64 GB per il momento, ma quest’ultima è difficile da trovare in commercio per i costi elevati.

Informazioni generali Nella chiave USB i dati sono memorizzati in una memoria flash contenuta al suo interno. La capacità è limitata unicamente dalla densità delle memorie flash impiegate, con il costo per megabyte che aumenta rapidamente per alte capacità. A febbraio 2010 la chiave di maggior capacità disponibile sul mercato era il modello DataTraveler 310 da 256 Gb prodotto dalla Kingston Technology .

Struttura interna connettore USB chip di gestione del protocollo USB pin per test industriali memoria flash quarzo dell'oscillatore LED di funzionamento interruttore per il blocco della scrittura spazio per una seconda memoria flash

Pro e contro Nello scaricamento e caricamento di dati la chiavetta USB è il supporto con il minore ingombro (sta in tasca) più veloce: supera in velocità di lettura e scrittura i CD-ROM e DVD-ROM, ma è più lento delle componenti interne del computer (memoria cache, RAM e Hard Disk). Altro vantaggio è la sua versatilità, infatti nessun sistema operativo moderno richiede l'installazione di driver per riconoscere le chiavi USB. Un aspetto negativo è il fatto che dopo un lungo periodo di utilizzo, la memoria presente nella chiavetta potrebbe perdere dati. Questo dipende dalla specifica memoria e dal suo grado di data retention. In questo caso basta formattare la chiavetta per riavere l'affidabilità originaria.

La memoria flash

La memoria flash è una memoria a stato solido cioè una memoria costituita da dispositivi elettronici miniaturizzati su una barretta di semiconduttore per cui è non volatile: non perde i dati se non è alimentata

La memoria flash, trattandosi di memoria a stato solido, non presenta alcuna parte mobile quindi è piuttosto resistente alle sollecitazioni e agli urti, inoltre è estremamente leggera e di dimensioni ridotte. La memoria flash è particolarmente indicata per la trasportabilità, proprio in virtù del fatto che non richiede alimentazione elettrica per mantenere i dati e che occupa poco spazio. È infatti molto usata nelle fotocamere digitali, nei lettori di musica portatili, nei cellulari, nei pendrive (chiavette), nei palmari, nei moderni computer portatili e in molti altri dispositivi che richiedono un'elevata portabilità e una buona capacità di memoria per il salvataggio dei dati.

I dischi a stato solido Un'unità a stato solido o drive a stato solido, in sigla SSD (dal corrispondente termine inglese solid-state drive), talvolta impropriamente chiamata disco a stato solido, è una tipologia di dispositivo di memoria di massa che utilizza memoria a stato solido (in particolare memoria flash) per l'archiviazione dei dati.

Un disco a stato solido confrontato con un hard disk

Altre informazioni Il termine "disco a stato solido" è improprio perché all'interno dell'SSD non c'è nessun disco, né di tipo magnetico né di altro tipo. L'utilizzo della parola "disco" deriva dal fatto che questa tipologia di dispositivo di memoria di massa svolge la medesima funzione del più datato disco rigido e viene quindi utilizzato in sostituzione di esso.

Le unità a stato solido si basano sulla memoria flash di tipo NAND per l'immagazzinamento dei dati, ovvero sfruttano l'effetto tunnel per modificare lo stato elettronico di celle di transistor; per questo essi non richiedono parti meccaniche e magnetiche (dischi, motori e testine), portando notevoli vantaggi per la sicurezza dei dati.

La totale assenza di parti meccaniche in movimento porta diversi vantaggi, di cui i principali sono: rumorosità assente; minore possibilità di rottura; minori consumi durante le operazioni di lettura e scrittura; tempo di accesso ridotto: si lavora nell'ordine dei decimi di millisecondo; il tempo di accesso dei dischi magnetici è circa 50 volte maggiore, attestandosi invece sui 5 millisecondi; maggiore resistenza agli urti; minore produzione di calore;

A fronte di una maggiore resistenza agli urti e a un minor consumo, le unità a stato solido hanno due svantaggi principali: Entrambi i problemi sembrano però destinati a risolversi in futuro. Le nuove tecnologie stanno portando memorie flash in grado di garantire durata pari o superiore a quella di un disco rigido tradizionale e attualmente i produttori dichiarano 140 anni di vita con 50 GB di riscritture al giorno su un'unità da 250 GB. Il costo di questa tecnologia inoltre sta lentamente scendendo, facendo facilmente presagire una futura sostituzione dei dischi tradizionali con unità a stato solido.

Il BIOS Sappiamo che il computer non possiede alcuna forma di intelligenza Tutto quello che sa fare deriva dai programmi che sono registrati sul suo hard disk Anche compiti come la gestione della tastiera, del video, del mouse, ecc. sarebbero impossibili da eseguire se il PC non possedesse il sistema operativo

Se non vi fosse un sistema operativo installato sul hard disk il computer sarebbe completamente inerte

Ma per caricare il sistema operativo dal hard disk il microprocessore dovrebbe sapere come si fa Anche questo è un compito che gli deve essere spiegato il Basic Input-Output System o BIOS è un insieme di routine software, generalmente scritte su ROM, FLASH o altra memoria RAM non volatile, che fornisce una serie di funzioni di base per l'accesso all'hardware e alle periferiche integrate nella scheda madre da parte del sistema operativo e dei programmi.

A partire dall'introduzione dei primi IBM PC XT e compatibili nell'agosto del 1981, è il BIOS che ha il compito di dare i primi comandi al sistema durante la fase di avvio, detta boot process. In questa fase, dopo i controlli preliminari sulla funzionalità dei componenti fondamentali (interrupt, RAM, tastiera, dischi, porte), per sapere come inizializzare correttamente le periferiche presenti il BIOS legge alcuni parametri (come l'ora e la data correnti) da una piccola memoria RAM tamponata, cioè mantenuta alimentata anche a PC spento da una batteria, del tutto separata dalla RAM principale del computer.

Il BIOS è il firmware del computer, dal momento che è una parte integrante dell'hardware, pur essendo composto da istruzioni software. Prima del 1990 il BIOS veniva memorizzato su una o più ROM, non riprogrammabili.

Man mano che la complessità è aumentata, di pari passo con la necessità di aggiornamenti, si è diffusa la memorizzazione del firmware BIOS prima su EPROM, poi su EEPROM o flash memory così da permettere un rapido aggiornamento anche da parte dell'utente finale. La presenza di BIOS aggiornabili anche dall'utente, permette di ottenere ad esempio il supporto per CPU più aggiornate o dischi fissi più capienti.

La scheda madre o motherboard La scheda madre è il cuore del PC

In essa trovano il loro alloggiamento: Il processore La memoria RAM Il BIOS I controller dei dischi Il chipset

I bus I vari componenti installati sulla motherboard per comunicare sono collegati da canali costituiti da piste di rame sulla scheda che consentono il passaggio dei segnali elettrici Degli slot consentono di inserire dispostivi sulla scheda mediante semplice pressione

IL CPU socket La prima cosa che troviamo è uno zoccolo in cui inserire il processore

Il socket è dotato di una ventolina di raffreddamento per impedire che il processore si surriscaldi. Il calore eccessivo rende i dispositivi elettronici inaffidabili

Poi abbiamo i chip che contengono il BIOS

Abbiamo poi gli slot per alloggiare la RAM

Abbiamo poi il chipset

l'insieme di chip di una scheda madre che si occupano di smistare e dirigere il traffico di informazioni passante attraverso il Bus di sistema, fra CPU, RAM e controller delle periferiche di input/output In generale, uno specifico chipset è progettato per una determinata famiglia di processori e, qualora debba occuparsi anche della gestione della memoria, anche per una specifica tecnologia di RAM

La qualità di un chipset dipende sia dalle funzionalità che supporta sia dalla sua capacità di far scorrere i dati tra la CPU e i sottosistemi alla massima velocità e con il minimo ritardo ; naturalmente anche il chipset ha una sua "velocità" che viene misurata in MHz come nel caso dei processori e dipende dalla sua architettura e dalla tecnologia implementata in esso.

Per molti anni, Intel ha continuato ad utilizzare la suddivisione del chipset in due chip principali; nella maggior parte dei casi è presente un chip dedicato alle interfacce ad alta velocità (come il controller della memoria RAM) e un altro chip che supporta tutte le altre interfacce di I/O.

Questa configurazione viene schematizzata graficamente collocando la CPU in cima, il chip di comunicazione con grafica e memoria sotto la CPU e il chip con le interfacce di I/O più in basso. Per questo motivo i due chip del Chipset hanno preso il nome di Northbridge (ponte Nord) e Southbridge (ponte Sud).

Connessioni esterne Sulla scheda madre vi è anche un frontalino per la connessione di dispositivi esterni come l’ingresso della tastiera, segnali audio , ecc.

Porte ATA o IDE Le porte ATA consentono il collegamento di hard disk e unità come il lettore dvd

La connessione avviene mediante dei cavi piatti

Porte SATA Esistono anche le porte SATA

Il Serial ATA (abbreviazione dell'inglese "Serial Advanced Technology Attachment"), in sigla SATA, è una interfaccia per computer generalmente utilizzata per connettere hard disk o drive ottici (masterizzatori e/o lettori di DVD, CD, ecc.)

Il Serial ATA è l'evoluzione dell'ATA (anche conosciuto come IDE), rinominato Parallel ATA (PATA) in seguito alla nascita del Serial ATA in modo da evitare fraintendimenti, rispetto al quale il Serial ATA presenta tre principali vantaggi: maggiore velocità, cavi meno ingombranti e possibilità di hot swap.

Hot swap Significa che le specifiche Serial ATA prevedono la possibilità di inserimento hot (a caldo), cioè senza necessità di togliere l'alimentazione al personal computer, tuttavia alcuni controller non implementano questa funzione, spesso a causa di limitazioni presenti nel BIOS.

Ha naturalmente bisogno di un cavetto apposito

Il generatore di clock

I vari componenti di un computer, per poter dialogare, devono sincronizzarsi fra di loro cioè devono accordare le velocità a cui lavorano Per far questo hanno bisogno di una sorta di orologio che scandisca il tempo

Si tratta di un circuito detto oscillatore che genera una serie di impulsi regolari che dettano la velocità dei dispositivi

Per esprimere la velocità del clock e di conseguenza di componenti come il microprocessore si usa l’Hertz Un Hertz rappresenta un impulso al secondo 1 KHz (kilohertz) sono 1000 hertz cioè 1000 impulsi al secondo 1 MHz (megahertz)sono un milione di Hertz cioè un milione di impulsi al secondo 1 GHz (Gigahertz) sono un miliardo di impulsi al secondo Tale velocità prende anche il nome di frequenza

I microprocessori viaggiano a velocità intorno ai 3 gigahertz mentre i bus usano velocità inferiori dell’ordine delle centinaia di MHz Gli ultimi microprocessori che necessitano di frequenze così elevate hanno un loro clock interno