Motherboard
Scheda principale del computer che contiene principalmente la CPU, slot per la RAM ( dove inserire i moduli DIMM ), i bus di comunicazione e altri connettori per controller dei dispositivi di I/O.
Bus
Il BUS è un sistema di comunicazione utilizzato per collegare la CPU, la memoria e i dispositivi I/O. (di solito + di uno)
Ogni bus interno è suddiviso in :
- bus dati (bidirezionale)
- trasmette informazioni tra componenti interne del computer
- bus indirizzi (unidirezionale)
- specifica la posizione esatta, dove i dati devono essere scritti o letti
- bus di controllo (bidirezionale) che si compone di segnali di controllo e sincronizzazione
- stabilire chi può trasmettere dati sul bus dati
- indicare il tipo di operazione (READ/WRITE)
- indicare dimensione dei dati trasmessi
- richiesta di interrupt
- etc..
Ogni dispositivo di I/O è costituito da due parti :
- controllore (scheda elettronica inserita spesso in uno slot della scheda madre)
- dispositivo stesso (es. lettore disco)
Funzionamento del controllore
Il controllore ( controller ) ha il compito di “governare” il proprio dispositivo e gestire il suo accesso al bus.
Supponiamo che un programma ha bisogno di dati dal disco :
- la CPU invia un comando al disco
- il controllore comunica con il dispositivo (es. cerca i dati sul disco ) e riceve i dati in forma seriale ( flusso di bit )
- controllore organizza questi bit in parole e li scrive direttamente in memoria senza passare dalla CPU → DMA ( Direct Memory Access )
- una volta che ha finito di scrivere in memoria, il controllore genera un interrupt per avvisare la CPU dell’operazione completata → procedura ISR ( Interrupt Service Routine ) :
- CPU interrompe quello che sta facendo ed esegue una routine speciale → gestore dell’interrupt
- verifica se ci sono stati errori
- comunica al OS che il trasferimento è terminato
- riprende il lavoro
Il bus non è però utilizzato solo dai controllori di I/O, ma anche dalla CPU e quindi un chip chiamato arbitro del bus stabilisce chi va prima. I dispositivi di I/O hanno la precedenza sulla CPU, siccome non possono aspettare ( perdiamo dati ). Se quindi un dispositivo richiede il bus, questo gli viene sempre concesso, rubando così dei cicli alla CPU → furto di cicli, che può rallentare le prestazioni. (vedremo come risolvere questo problema)
Bus ISA - EISA - PCI
L’utilizzo di un solo bus condiviso funzionava per i primi PC, siccome tutti i componenti erano bilanciati; ma con l’aumento della velocità della CPU, della memoria e del numero di dispositivi questo diventa un problema.
ISA
Il primo bus singolo era il bus ISA ( Industry Standard Architecture ) (nei primi PC IBM) che aveva :
- 8.33 MHz frequenza di clock
- 16.7 MB/s banda passante
EISA
Il suo successore fu il bus EISA ( Extended ISA ) che porto ad una banda di 33.3 MB/s ( doppio di ISA ).
PCI
Oggi il più popolare è il bus PCI ( Peripheral Component Interconnect ) - da Intel - con :
- 66 MHz frequenza di clock
- 528 MB/s banda passante
Nei PC moderni è utilizzato con il bus ISA per garantire la compatibilità con le periferiche più vecchie.
dove la CPU comunica con la memoria e con gli altri componenti tramite il bridge PCI ( collegamento diretto ad alta velocità ).
PCI Express
Non è un semplice aggiornamento ma una completa riprogettazione :
- comunicazione seriale point-to-point, dove ogni dispositivo ha una connessione alla CPU o a uno switch
- dati viaggiano in pacchetti, simile in una rete
- connessioni ( lane ) composte da coppie seriali da 1 bit, che possono essere combinate (x1,x2,x3 …) per aumentare la banda → banda scalabile (es. PCIe 3.0 ha una larghezza di banda di 16 GB/s ( x16 ))
Dispositivi Input/Output
L’interazione con il mondo esterno per i computer è essenziale. I dispositivi I/O possono raccogliere o rappresentare le informazioni in una forma comprensibile per gli essere umani.
Tastiere
Ci sono vari tipi di tastiere :
- economiche : usano semplici contatti meccanici
- qualità superiore : usano un foglio ( simile alla gomma ) sotto i tasti, una volta che il tasto è premuto viene chiuso un circuito stampato sotto.
- induzione elettromagnetica : la pressione del tasto crea una corrente rilevabile.
Ogni volta che un tasto viene premuto → genera un interrupt che allerta il OS di un evento hardware urgente → viene eseguita una routine del SO chiamata gestore dell’interrupt della tastiera, il suo compito è leggere il codice del tasto premuto ( 1 - 102 ). Anche quando viene rilasciato viene generato un interrupt, per far distinguere al SO pressioni brevi o lunghe.
Schermi piatti LCD ( Liquid Crystal Display )
I primi schermi dei computer usavano tubi catodici ( come le televisioni ), aumentando il consumo energetico. I schermi LCD a cristalli liquidi sono stati sviluppati per computer portatili e poi sono diventati standard.
Sono costituiti da molecole organiche viscose che si possono muovere come in un liquido ma hanno una struttura spaziale simile ad un cristallo. In assenza di campo elettrico le molecole sono allineate, quando invece viene applicato un campo elettrico, l’allineamento cambia, alterando le proprietà ottiche ( es. l’intensità della luce ).
Video RAM
La maggiore parte degli schermi richiedono un refresh per aggiornare l’immagine circa 60-100 volte al secondo (60/100 Hz cicli al secondo), accedendo continuatamente ad una memoria specializzata ( VRAM ) che si trova nel controller video e che memorizza le immagini in forma di bitmap.
La VRAM contiene almeno una bitmap per l’immagine corrente, ma due sono meglio per facilitare il passaggio da una immagine all’altra ( es. animazioni o video ).
Ogni pixel è rappresentato da 3 byte, ciascuno dei quali rappresenta l’intensità dei colori primari RGB ( Red-Green-Blue ).
Per la larghezza di banda abbiamo diversi fabbisogni:
- full HD, 25 fps → 6.2 MB/frame x 25 fps = 155 MB/s (banda minima)
- 60 fps → 372 MB/s
Siccome la larghezza di banda minima è più alta della capacità del bus ( EISA o PCI 132 MB/s ), per collegare la scheda video alla CPU è necessario un bus specifico → AGP ( Accelerated Graphics Port ) oppure è sufficiente il bus PCIe ( standard oggi ).
Mouse
In passato i computer erano utilizzati da esperti che li costruivano o da programmatori specializzati, attraverso una interfaccia a riga di comando - CLI. Con la diffusione dei computer c’era bisogno di una interfaccia grafica che risultava più facile da usare per gli utenti non esperti - interfaccia point-click .
È nata cosi’ l’esigenza di poter interagire con gli elementi sullo schermo, quindi nel tempo sono stati realizzati 3 tipi di mouse :
- Trackball - meccanico : dove c’è una pallina di gomma che sporge dal fondo, che muovendosi fa girare due rulli orientati perpendicolarmente ( asse x e y ), che sono collegati ad dei potenziometri ( resistenze variabili ). Misurando quindi la variazione di resistenza, il calcolatore determina di quanto si è mosso il mouse lungo ciascun asse.
- Ottico :
dove un LED o Laser illumina la superficie sottostante e una minuscola fotocamera ( 18x18 pixel ) scatta foto della superficie a velocità elevatissime ( circa 1000 al secondo ) e riesce, grazie alle imperfezioni tra una foto e l’altra, a comprendere il movimento del mouse. - Opto-Meccanico : dove c’è una pallina che muove due assi perpendicolari e che ruotando interrompo il fascio di luce e la rivelazione della distanza percorsa nelle due direzioni ( x e y ).
Ma come fa il computer a comprendere il movimento? Ogni volta che il mouse si muove di una certa distanza, invia al computer una sequenza di byte (spesso 3) :
- 1° byte : spostamento lungo asse X
- 2° byte : spostamento lungo asse Y
- 3° byte : stato dei pulsanti quindi un software ogni volta che riceve questi dati, aggiorna la posizione del cursore e quando l’utente clicca, il software sa esattamente dove si trova il cursore.
Stampanti
Una stampante è un dispositivo di uscita che permette di trasferire su carta dei documenti elettronici.
Esistono vari tipi :
- laser ( monocromatiche e a colori )
- a getto d’inchiostro ( monocromatiche e a colori )
- a matrice ( monocromatiche o bi-cromatiche )
Inoltre esistono le stampanti professionali ad alta qualità :
- ad inchiostro solido
- a getto di cera
- a sublimazione
Stampanti Laser
Il cuore delle stampanti laser è un tamburo [ o cilindro ] rotante che all’inizio di ogni ciclo di stampa, viene caricato elettrostaticamente fino a 1000 Volt. La superficie del tamburo è rivestita di un materiale fotosensibile [ che reagisce alla luce ]
La scrittura dell’immagine avviane così :
- un laser emette un raggio di luce
- questo raggio di luce viene riflesso da uno specchio ottagonale rotante che riflette la luce su tutta la lunghezza del tamburo
- questo raggio viene modulato [ acceso o spento ] per “disegnare” l’immagine da stampare. Le zone colpite perdono carica elettrica
- il tamburo ruota ed attrae sulla linea della polvere nera (toner) elettrostaticamente sensibile.
Stampanti ad impatto a matrice
Questo tipo di stampanti “colpiscono” fisicamente il foglio per creare l’immagine.
Utilizzano una testina che contiene una matrice di aghi, che possono essere incrementati ( numero di aghi ) per una qualità di stampa migliore oppure passando più volte le linee di stampa ( overlapping ).
Svantaggi :
- monocromatiche ( solo bianco-nero ) ( normalmente )
- rumorose
- lente
- bassa qualità grafica
Vantaggi :
- economiche
- nastro durevole, siccome si usura meno rispetto alle cartucce
- possono creare più copie
Vengono infatti utilizzate per stampare report o liste molto grandi, ricevute e scontrini.
Stampanti a getto d’inchiostro ( inkjet )
Queste stampanti funzionano come quelle ad impatto, dove una testina mobile, che contiene le cartucce di inchiostro, scorre orizzontalmente lungo la carta, mentre l’inchiostro viene spruzzato da piccoli ugelli.
Ci sono due diverse tecnologie :
- piezoelettrica ( usate da Epson ) : hanno un particolare cristallo che si deforma leggermente ( dipende dalla tensione data ), forzando l’uscita dell’inchiostro
- termica ( usate da Canon/HP ) ( o stampanti a BubbleJet ) : contengono una piccola resistenza che viene riscaldata, aumentando la temperatura dell’inchiostro che lo spinge fuori. Qui le goccioline sono più piccole dalla piezoelettrica
Queste stampanti sono economiche, silenziose e hanno una buona qualità ma sono lente e utilizzano le cartucce che sono costose.
Apparati per le telecomunicazioni
Oggi quasi tutti i pc sono collegati alla rete Internet, grazie a dei dispositivi che permettono il collegamento, attraverso ( in molti casi ) la linea telefonica.
Modem
Il problema è che una linea telefonica non è adatta a trasmettere i segnali binari che sono di genere di questo tipo :
e quindi quando sono trasmessi subiscono distorsioni, provocando errori di trasmissione. Invece un segnale della forma sinusoidale e con una frequenza che varia tra 1000-2000 Hz - detto portante - subisce distorsioni accettabili. Dato che però una sinusoide perfetta oscilla sempre e non cambia nel tempo ( non ci da informazioni nuove ), è necessario variare l’ampiezza ( in foto (b) ), la frequenza ( in foto (c) ) o la fase ( in foto (d) ) della sinusoide, in questo modo è possibile trasmettere una sequenza di 1 o 0 :
Questo processo è chiamato modulazione e i dispositivi che “sanno” farlo si chiamano Modem ( MOdulator DEModulator ).
- modulazione d’ampiezza ( foto (b) ) : si usano 2 diverse tensioni per rappresentare rispettivamente i valori 0 e 1 . Se infatti ci mettiamo ad ascoltare si sentirebbe rumore per 1 e nulla per 0.
- modulazione di frequenza ( foto (c) ) : la tensione rimane costante, ma la frequenza cambia in corrispondenza dei valori 1 o 0.
- modulazione di fase ( foto (d) ) : quando i dati devono passare da 0 a 1 la fase viene invertita di 180° e viceversa.
Digital Subscriber Line - DSL
La tecnologia DSL è stata introdotta per superare le limitazioni dei modem che andavano a 56 Kbps e dovuto dal fatto che la linea telefonica fu progettata per trasmettere la voce umana.
Infatti il cavo che collega l’utente abbonato alla compagnia ( local loop ), di solito viene limitato a 3000 Hz ( abbastanza per sentire la voce ) per un filtro impostato dalla compagnia.
In verità la larghezza di banda reale del local loop dipende dalla sua lunghezza e infatti può raggiungere 1.1 MHz con distanze di pochi km.
Questa è proprio la novità della tecnologia DSL, offrendo molte offerte che poi la più popolare è divenuta l’ADSL ( Asymmetric DSL ) .
Asymmetric Digital Subscriber Line - ADSL
È l’approccio più comune e quello che in pratica viene fatto in pratica è suddividere il local loop in 256 canali indipendenti di 4312.5 Hz l’uno :
- canale 0 è usato per il servizio telefonico tradizionale POTS ( Plain Old Telephone Service )
- canali 1-5 non sono utilizzati e servono a dividere la voce dai dati
- 2 canali sono utilizzati per il controllo del traffico di uscita ( upstream ) e per il traffico di entrata ( downstream )
- 250 canali restanti sono a disposizione per la trasmissione dei dati
Una ADSL corrisponde quindi a 250 modem.
Si chiama “asymmetric” siccome, dato che la maggior parte degli utenti scarica più dati di quanti ne trasmetta, molti fornitori allocano 80-90% della larghezza di banda per il downstream ( canale di ingresso ).