STRUTTURA DI UN ELABORATORE

La struttura interna di un computer contiene come parti fondamentali:

La CPU( Central Processing Unit ovvero Unita Centrale di Processo) o microprocessore, dispositivo elettronico che coordina tutte le funzioni che si svolgono all'interno del computer;

la memoria centrale in cui risiedono programmi e dati;

le memorie di massa costituite da supporti magnetici, ottici o magneto-ottici, di forma diversa come i dischi magnetici( hard disk o floppy disk), nastri magnetici, dischi ottici( CD-ROM o DVD), dischi magneto-ottici;

le unità di ingresso, ovvero quei dispositivi attraverso i quali l'operatore può immettere dati e programmi nella memoria;

le unità di uscita, cioè dispositivi atti a presentare all'operatore i risultati delle elaborazioni svolte.

La memoria centrale presente all'interno del sistema è di tipo elettronico( ovvero costituita con dispositivi elettronici come BJT o MOSFET).

Questa memoria è generalmente di due tipi base:

1. RAM, su cui è possibile sia scrivere che leggere i dati; questa memoria è di tipo volatile, ovvero perde i dati con lo spegnimento del sistema;

2. ROM, da cui è possibile solamente leggere i dati; è di tipo non volatile in quanto conserva le informazioni anche con il sistema non alimentato.

Le memorie di massa, di grossa capacità, contengono inizialmente i dati da elaborare e i programmi, generalmente di dimensioni ragguardevoli. I programmi e i dati, contenuti nelle memorie di massa, sono poi trasferiti, quando debbono essere elaborati, nella memoria centrale. Durante l'elaborazione dei dati, operata per mezzo dei programmi, spesso viene richiesta l'immissione nel sistema di dati aggiuntivi che vengono forniti all'elaboratore attraverso un'unità d'ingresso( normalmente una tastiera). Al termine dell'elaborazione, o a volte in fasi intermedie, i risultati vengono portati all'esterno su un'unità di uscita( normalmente il video o la stampante) o registrati sulle unità di massa. Si possono schematicamente raggruppare i sistemi di elaborare nelle seguenti categorie in base alle possibilità di utilizzazione:

1. i mainframe sono grossi sistemi di elaborazione mentre i minicomputer sistemi di capacità ridotta rispetto ai mainframe;
2. le workstation possono essere considerate sistemi specializzati per svolgere particolari funzioni( per esempio workstation per automazione della fase di progetto detta CAD, per grafica, per lo sviluppo del software);
3. i server sono sistemi( per lo più di tipo minicomputer ma anche personal con particolari caratteristiche), che operano nell'ambito di un collegamento di rete tra computer e che forniscono ad altri sistemi ad essi collegati, client, servizi specifici.

IL PERSONAL COMPUTER

Accanto ai grossi sistemi di elaborazione dati si sono diffusi in maniera sempre più capillare i così detti Personal Computer, ovvero dei sistemi che pur essendo di minimo ingombro offrono al singolo utente notevoli possibilità di elaborazione, sicuramente uguali se non addirittura superiori a quelle dei grossi elaboratori delle precedenti generazioni. Il personal computer fa la sua prima apparizione intorno al 1975. Nel 1980 sono presenti sul mercato alcuni tipi di PC dotati di memorie di massa costituite da dischi magnetici flessibili( floppy disk) e che usano come linguaggio di programmazione ad alto livello il BASIC. Sono dotati di microprocessore, con bus dati a 8 bit2. Alla fine del 1981 compare sul mercato il primo PC, realizzato dalla IBM, dotato della CPU 8088, prodotta dall'INTEL, con bus esterno a 8 bit ed interno a 16 bit. Con tale evento i PC subiscono un salto di qualità. Da questo momento si susseguono numerosi modelli con sempre maggiori potenzialità, prodotti, oltre che dalla IBM, anche da altre case costruttrici, tutti basati sulla famiglia di processori 8088/86, denominata iAPXnn. Abbastanza diffusi sono anche i PC, con processori PowerPC G3 della MOTOROLA-ibm-apple, detti Power Macintosh, prodotti dall'APPLE. Nel seguito si farà riferimento, in particolare, ai PC che utilizzano processori del tipo iAPXnn( famiglia 8088/86). In un Personal Computer possono distinguersi, in modo sintetico, le seguenti parti:

CPU: denominata anche processore o microprocessore; presiede al controllo e allo svolgimento di tutte le operazioni che avvengono all'interno del computer sotto la supervisione di opportuni programmi. Il tipo di microprocessore presente in un computer determina la velocità e la potenza delle elaborazioni, e le istruzioni di base che esso è in grado di riconoscere. I moderni microprocessori contengono al loro interno anche il coprocessore matematico che funziona in sincronismo con la CPU, specializzato nello svolgimento di operazioni matematiche, e un certo quantitativo di memoria che lavora con la stessa velocità del processore, detta cache di primo livello.

Circuiti d'interfaccia: collegano le unità di ingresso e di uscita con il BUS della CPU.

Dispositivi d'ingresso e di uscita: nei casi più semplici sono costituiti dalla tastiera( input) e dal video ( output). Essi trasferiscono i dati dal mondo esterno verso la CPU e dalla CPU verso il mondo esterno.

Memoria centrale: in essa sono memorizzati i programmi, i dati intermedi delle elaborazioni e i dati finali. In generale la memoria di un calcolatore è costituita da memorie RAM a lettura e scrittura, e da memorie ROM che possono essere solamente lette. La programmazione delle ROM avviene all'atto della fabbricazione. Spesso le ROM sono sostituite con memorie di tipo EPROM o anche con memorie di tipo flash che possono essere riprogrammate direttamente senza toglierle dal circuito in cui sono inserite. In genere nella ROM è memorizzato il BIOS, ovvero una serie di programmi, scritti nel linguaggio base del processore, che interagiscono direttamente con l'hardware del sistema e che permettono l'avvio del computer in fase di accensione. Il BIOS è scritto su ROM, perchè deve rimanere memorizzato anche quando il computer è spento.

Memorie di massa: costituite da unità con dischi magnetici detti hard disk, drive per dischi flessibili( floppy disk) e ottici( CD-ROM) di diverso formato e con diversa capacità di memorizzazione. Le memorie di massa vengono normalmente utilizzate per memorizzare i programmi e grossi quantitativi di dati.

Alimentatore: fornisce le tensioni necessarie per alimentare tutte le parti presenti all'interno del PC.

Attualmente il mercato dei PC è orientato verso sistemi aperti, cioè dotati di una scheda interni, detta motherboard( piastra madre), che contiene i principali circuiti per il funzionamento del computer. Su tale scheda è presente anche una serie di connettori( detti slot di espansione) su cui vengono inseriti altri elementi necessari per ampliare la struttura del PC. Con tale sistema è possibile aggiornare determinati elementi senza tuttavia cambiare la piastra principale.

Sulle moderne motherboard sono situati i seguenti dispositivi:

la CPU, in cui è integrato sia il coprocessore matematica che la memoria cache di primo livello e nei nuovi processori anche quella di secondo livello;

un certo quantitativo di memoria veloce di tipo SRAM detta cache di secondo livello;

la memoria centrale di tipo SDRAM con tempi di accesso maggiori della SRAM ma meno costosa. Attualmente sono usate le memorie SDRAM dette DDR( Double data rate);

la memoria o di tipo ROM o, come si è detto, di tipo flash EEPROM, che permette di aggiornare il BIOS via software senza togliere il chip dalla piastra madre; 

la memoria RAM C-MOS e il real time clock con una piccola batteria tampone. Nella memoria C-MOS vengono memorizzate le informazioni di base del BIOS che possono essere modificate con il BIOS setup. Il real time clock è un dispositivo che aggiorna in continuazione, anche con il computer spento, la data e l'orario del sistema;

gli integrati di interfaccia del microprocessore con la memoria centrale, con il bus di espansione e con alcune periferiche di I/O( denominati chipset). Nei chipset sono integrate anche le funzioni di controllo dei drive( dispositivi elettronici-meccanici che presiedono al funzionamento dei dischi magnetici e ottici) e il supporto alla porta denominata USB alla quale possono essere collegati numerosi tipi di periferiche come la tastiera, le stampanti, ecc. L'USB sta sostituendo nei nuovi sistemi sia le porte seriali standard che quelle parallele;

un chip che contiene integrati i circuiti d'interfaccia di I/O( input/output) per la porta parallela, le porte di comunicazione seriali. Nei sistemi più vecchi le funzioni del chip input/output sono svolte da una scheda da inserire negli slot di espansione. Attualmente le funzioni di interfaccia per le porte di comunicazionivengono integrate direttamente nel chipset.

La CPU comunica con tutti gli altri elementi presenti sulla motherboard, tramite una serie di linee di cllogamento che nel loro insieme prendono il nome di BUS. Tali linee, in base ai tipi di segnale che trasferiscono all'interno del PC, vengono suddivise in tre gruppi distinti denominati: BUS dei DATI( DATA BUS), BUS degli INDIRIZZI( ADDRESS BUS) e BUS di CONTROLLO( CONTROL BUS). Ciascun tipo di BUS possiede caratteristiche ben distinte e svolge funzioni particolari. Il BUS DATI ,bidirezionale, permette di inviare le informazioni da elaborare dai dispositivi d'ingresso e dalla memoria, alla CPU, e viceversa. Sulle linee del BUS DATI viaggiano inoltre i codici delle istruzioni, provenienti dalla memoria, che la CPU deve di volta in volta eseguire. La CPU utilizza il BUS INDIRIZZI per indicare con quale indirizzo o con quale locazione di memoria debbano essere scambiati i dati in un determinato istante. Sul BUS di CONTROLLO invece transitano dei segnali, che la CPU utilizza per trasmettere  particolari comandi ai varidispositivi presenti nel sistema, o che le permettono di conoscere il loro stato.

Le linee dei BUS della CPU, opportunamente bufferrizzate, insieme con altre linee specifiche per le richieste di interrupt e per il controllo del DMA, sono portate su una serie di connettori, posti sulla piastra madre. I segnali presenti su questi connettori costituiscono il cosi detto BUS di ESPANSIONE del PC. Nei PC particolare importanza rivestono le funzioni d'interrupt e di DMA. La richiesta d'interrupt è svolta dalle periferiche collegate al PC che, attraverso linee dedicate del BUS di CONTROLLO, inviano un segnale alla CPU, interrompendo le normali funzioni che essa sta in quel momento svolgendo, per richiedere una scambio di dati. Le linee di richiesta d'interrupt sono denominate IRQ0/IRQ15. Alcune di esse sono dedicate a particolari funzioni e quindi non sono disponibili per le periferiche. Normalmente ogni periferica deve utilizzare una linea d'interrupt diversa, per non creare conflitti nel sistema.

E denominata DMA la tecnica con cui alcune periferiche scambiano direttamente i dati con la memoria senza farli transitare attraverso la CPU. Il BUS di espansione permette di variare rapidamente la configurazione hardware del sistema, aggiungendo nuove schede. Tra queste si elencano quelle per il controllo del monitor( video) e della gestione delle relative rappresentazioni grafiche, le schede audio, le veloci schede SCSI( leggere scasi) particolarmente indicate per il collegamento di hard diskveloci, di scanner, di sistemi di masterizzazione per la scrittura di dischi ottici.