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Architettura dei sistemi dielaborazione
corso di
Fondamenti dell’Informatica
Angelo Ciaramella
DMI-Università degli Studi di [email protected]
Michele Ceccarelli
Università del [email protected]
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Sommario
o Introduzioneo Che cosa è l’Informaticao Significato di Hardware e Softwareo Storia dei calcolatorio Introduzione alle architetture o Dispositivi Hardware
• All’interno del Case • Dispositivi di input• Dispositivi di output
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Informatica
o L‘Informatica è una scienza di tipo matematico che creasistemi per raccogliere, organizzare e conservare le informazioni in modo automatico. Il termine deriva da:
INFORmazione autoMATICA
o Lo scopo fondamentale di questa disciplina è quindi quello direalizzare le macchine, dette automi, capaci di eseguire le azioni necessarie alla risoluzione di un problema.
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Che cosa è un computer?
Che cosa è un computer?
Un computer è uno strumento per elaborare informazione.
Il computer lavora partendo da informazionein ingresso (l’input del processo di elaborazione), la elabora in base a una serie di regole (un programma), restituisce informazione in uscita (l’output del processo).
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Interazione uomo-macchina
programma (o algoritmo)
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Hardware-Software
Si considera un computer come un sistema formato dall’insieme di due componenti:
Hardware La macchina e le sue periferiche, i componenti elettronici e
meccaniche che costituiscono l’elaboratore. Costituiscono l’hardware: il processore, la memoria RAM,
il monitor, la tastiera,il mouse, ecc. ecc.
SoftwareQuello che fa funzionare l’hardware: trasforma la macchina
e le sue periferiche in un sistema di elaborazione dati.Sono Software: il Sistema Operativo,
i programmi applicativi, i driver.
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Hardware-Software
instruction set
software
hardware
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Categorie di computer
Personal Computer
Notebook (Portatile)
Workstation
Server
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Categorie di computer
o I Personal Computer sono sistemi monoutente. Generalmente non sono dotati di particolari sistemi di protezione essendo pensatiper l’uso da parte di una sola persona alla volta.
o Le Workstation possono essere utilizzate contemporaneamente da diversi utenti attraverso i "terminali". I terminali sono generalmente costituiti da un insieme di Video e Tastiera (a volte anche mouse) per colloquiare con il sistema centrale. I terminali non sono computer, sono periferiche input/output. L'uso di
o un computer attraverso i terminali prevede l’operazione di “login”(collegamento)tramite la convalida di Username e Password (Nome Utente e Parola Chiave).
o I Server sono computer che "forniscono dei servizi“generalmente fruibili attraverso altri computer ad essi collegati.
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Macchina di von Neumann
o Dope oltre 50 anni e nonostante l'evoluzione della tecnologia, l'elaboratore elettronico, inventato in realtà da Atanasoff, è ancora la cosiddetta "Macchina di Von Neumann" definita verso la fine degli anni'40 all'Istituto di studi avanzati diPrinceton da John Von Neumann.
o Le sue caratteristiche:- elettronica- digitale- a programma memorizzato
o L'idea di base è di memorizzare nella macchina non solo i dati, ma anche le istruzioni.
o Questo rende la macchina automatica e soprattutto generale (all-purpose) nel senso che l'elaborazione da eseguire non è predeterminata, ma dipende dal programma che inseriremo e utilizzeremo.
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Generazione di computer
1° generazione: costruzione di Eniac, una macchina di 180 metriquadrati, formata da 18.000 valvole e dal peso di 30 tonnellate. 2° generazione: i transistor sostituiscono le valvole rendendo i computer più veloci e più ridotti nelle dimensioni. 3° generazione: con gli anni '70 i transistor vengono sostituiti daicircuiti integrati al silicio, un materiale altamente conduttore, cheaumenta la velocità di calcolo, ma che occupa ancora minore spazio. 4° generazione: i primo chip (microprocessore) viene prodotto daIntel corp. nel 1971. Il piccolo chip è figlio di una tecnologia avanzatanata nella Silicon Valley, una zona arida della California, simbolodella moderna tecnologia informatica. Dal 1975 il mercato offrei primi computer accessibili a tutti (home computer). 5° generazione: il computer si evolve, fino a diventare uno strumentodi lavoro quotidiano (personal computer, PC), e a diventare cosìridotto da occupare lo spazio di un telefono cellulare o di un palmare, o fino ad essere integrato nella gestione di un'abitazione. Cresce, intanto, la velocità e la qualità dell'elaborazione, assieme a nuoveforme di memorizzazione o di unità di calcolo.
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Un po’ di storia
• Blaise Pascal(1623-1662)• Matematico• Inventò la prima macchina addizionatrice
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Un po’ di storia
• Gottfried Wilhelm, Freiherr vonLeibnitz (1646-1716)
• Inventò la prima macchina computazionale(1668)
• Introducce il sistema binario
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Un po’ di storia
• Wilhelm Schickard(1592-1635)• Introducce la prima macchina
moltiplicatice(1624) con accumulatori cilindrici
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Un po’ di storia
• Charles Babbage(1792-1871)• Macchina computazionale e
programma di controllo
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Un po’ di storia
• Hermann Hollerith(1860-1929)• Macchinaperforatrice di schede(1884), MIT
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Un po’ di storia
• John Louis von Neumann(1903-1957)• Primo computer programmabile con
memoria(1944)
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Un po’ di storia
• Alan Mathison Turing(1912-1954)• Definizione dellaMacchina di Turing
(1936)• Studi di crittografia (decifrare la macchina
Enigma nella II Guerra Mondiale 1938-42)
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Un po’ di storia
UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
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Un po’ di storia
IBM 360, 1964
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Un po’ di storia
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
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Il Personal Computer (PC)
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964Personal Computer (PC)
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Il Personal Computer (PC)
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
DISPOSITIVO DI OUTPUT: il monitor èil principale dispositivo di uscita. Permette al computer di comunicare con l’utente.
DISPOSITIVO DI INPUT: tastiera e mouse ci permettono di interagire con il computer, ad esempio inserire dati o impartire comandi.
MICROPROCESSORE: è il cuore del computer, esegue tutte le operazioni.
UNITA’ C: è l’unità di memoria principale del computer. Qui possiamo memorizzare i nostri documenti o altro
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Il case
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
La prima componente che incontriamo guardando un computer è la sua ‘scatola’ esterna, detta anche Case. In effetti, il paragone con una scatola non è affatto sbagliato: si tratta appunto di un contenitore, al cui interno si trovanole componenti fondamentali del computer.
Il Case
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Il case
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
Case:Involucro esterno con interruttorie led, sostegni perl'alloggiamento delle partielettroniche.Alimentatore: Serve per distribuire la correntealle altre parti del computer.Motherboard: Contiene la CPU e i vari dispositiviper il controllo.Hard Disk: Serve perl’immagazzinamento di dati e programmi.Connettivi di Input e Output: Porte per i dispositivi di iput-output
All’interno del Case
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La scheda madre (Matherboard)
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
All’interno del case, la prima componente che dovrebbe attirare la nostra attenzione è una vasta piastra piena di componenti elettroniche di tutti i tipi.
Si tratta della cosiddetta piastra madre (matherboard), la scheda che raccogliein maniera efficiente e compatta la maggior parte delle componentifondamentali di ogni computer: - il microprocessore, che costituisce il vero ‘cervello’ del computer,
- la memoria, - le porte di comunicazione- e così via.
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La scheda madre (Matherboard)
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
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La scheda madre (Matherboard)
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
1. North bridge del chipset: in genere questo componente è sormontato da un piccolo dissipatore di calore, in questo caso di colore verde, per via dell'elevata temperatura raggiunta durante il funzionamento
2. Slot memoria: dato che come riferimento nell'immagine è stata presa una scheda madre Socket370 per cpu Intel Pentium III e Celeron gli Slot memoria sono del tipo Dimm, per moduli memoriaSDRAM.
3. Socket 370: è il connettore della cpu, sul quale viene infilato il processore e serrato per mezzo dellaleva di serraggio
4. Slot AGP: connettore specifico per la scheda video.
5. Slot PCI: connettore per differenti tipologie di periferiche (schede video, controller SCSI, schede audio, ecc..).
6. Slot ISA. connettore per periferiche per il quale si sta assistendo ad un progressivo abbandono, nelle schede madri più recenti, in quanto non veloce e, pertanto, adatto all'impiego con le periferiche più moderne.
7. South bridge del chipset: è in genere sprovvisto, al contrario del north bridge, di dissipatore di calorededicato
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La scheda madre (Matherboard)
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
8. Connettori per i due canali EIDE e per il floppy drive, entrambi gestiti dal south bridge del chipset.
9. Due connettori per canali EIDE supplementari, gestiti dal controller EIDE opzionale installato su questa scheda madre.
10. Dip switchper la gestione manuale dei parametri di funzionamento del processore (frequenza di bus, moltiplicatori di frequenza, voltaggi di alimentazione).
11. Connettore di alimentazione ATX.
12. Porte parallela(sopra) e seriali (due, poste sotto).
13. Porte PS/2per tastiera e mouse, due porte USB.
14. Biosdella scheda madre, su zoccolo estraibile.
15. Chip del controller EIDEsupplementare.
16. Memoria tamponedella scheda madre.
17. Generatore di clock: questo chip fornisce la frequenza di bus utilizzata dalla scheda madre.
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La CPU
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o La prima e più importante componente della piastramadre è il microprocessore, ovvero la cosiddetta CPU(Central Processing Unit).
o Concretamente, comunque, la CPU è per così dire ‘incarnata’ dentro un microprocessore (magari insiemead alcune componenti aggiuntive)
o Nella maggior parte dei contesti i due termini possonoessere usati in maniera quasi intercambiabile
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La CPU
IBM 360, 1964
DEC PDP 8, 1964
o Tutti i dati e tutte le operazioni effettive di calcolo e operative sono diretti all'unità centrale, o microprocessore, formato da uno strato di silicio checompone un numero altissimo di transistor integrati.
o Alloggia in uno zoccolo (overdrive) che permette la suafacile rimozione per manutenzione o sostituzione.
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La CPU
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o La caratteristiche principali dei processori sono:
• il numero di informazioni che possono essere elaborate al secondo (ad es. modelli Pentium II, Pentium III e Pentium IV)
• la velocità di elaborazione (1.4 Ghz, 2.5 GHz, 3 GHz).
Processore Pentium 4 a 1.5 Ghz.
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I BUS
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o I bit che vanno avanti e indietro dai registri e sui quali lavorano l’unità di controllo e la ALU hanno naturalmente bisogno di canali attraverso cui viaggiare: si tratta dei bus
o La frequenza di funzionamento (o di clock) di un processore è ottenuta dal prodotto di due diverse componenti:
• Frequenza di bus
• Moltiplicatore di frequenza
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La memoria
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o Un’altra componente fondamentale della piastra madre è la memoria.
o La CPU ha bisogno di molta memoria esterna sulla qualeconservare (nel solito formato digitale!) i dati di lavoro, le struzioni dei programmi che sta eseguendo, e così via.
o Memoria interna, disponibile sulla piastra madre, e alla quale èdunque possibile accedere, in lettura e scrittura, in maniera molto veloce
o Memoria esterna alla piastra madre, sotto forma di dispositivi di memoria di massa come i floppy disk, i dischi rigidi, i CD-ROM, i DVD ecc.
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Memoria interna
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o Tutti i sistemi hanno una memoria organizzata in gerarchie
o Registri: la memoria più veloce. E’ localizzata sulla CPU.
o Cache Memory: viene usata come memoria temporanea per immagazzinare parte della memoria principale.
o Memoria principale: è chiamata Random Access Memory(RAM). Funziona solo a computer acceso e relativamente alla cache è lenta
o ROM (Readly Only Memory): può essere solo letta
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Memoria RAM
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o RAM (random access memory, memoria ad accesso casuale):
un “serbatoio” su cui è possibile scrivere e leggere informazioni, da parte dell'utente o del sistema.
Ciclo di dati
Dynamic RAM (DRAM)
SDRAM (Syncrhronous DRAM):
Rambus
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Memoria ROM e BIOS
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o E’ necessario però che sulla piastra madre sia presente, a disposizione della CPU, anche una parte di memoria non volatile, contenente una serie di informazioni fondamentali per ilfunzionamento del computer.
o Le informazioni su quali siano i dispositivi presenti sulla piastramadre, e su come comunicare con essi.
o Si tratta del cosiddetto BIOS, Basic Input-Output System.
o La memoria non volatile che conserva questi dati è in genereconsiderata memoria a sola lettura, o memoria ROM (Read Only Memory)
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Memoria di massa
DEC PDP 8, 1964
o Gli attuali PC dispongono di dispositivi di memoria che permettono di conservare tutti i programmi e tutti i dati che desideriamo avere a nostra disposizione
o Disco Rigido (HD), floppy disk, CD-ROM, DVD, nastri e cartucce di vario tipo
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Il file
DEC PDP 8, 1964
o Sulla memoria di massa i dati sono memorizzati sotto forma di file
o Un file è una quantità di memoria scritta in forma binaria utilizzata dal sistema informatico
o Un file esiste perchè ne viene definita la grandezza, il nome e la posizione all'interno del sistema di gestione dei file (filesystem)
o Il filesystem permette la registrazione di diversi file nello stesso supporto, e di file con lo stesso nome in posizioni diverse
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Il floppy disk
o Il supporto magnetico del floppy disk (dischetto) interagisce con una testina di lettura-scrittura all'interno del suo drive (lettore)
o Un piccolo buffer di memoria all'interno del lettore scambia i dati in entrata ed in uscita con il computer
Lettore floppy
Floppy disk(dischetto)
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Il floppy disk
o Entrambi i lati del supporto sono utilizzabili, divisi in cerchi concentrici (tracce), ognuna divisa in settori a formare pezzi di 512 byte detti cluster.
o Il disco viene protetto da un involucro di plastica e di metallo, e deve essere inserito ogni volta in un lettore per essere usato;
o Una protezione a finestrella posta nell'angolo difende fisicamente il supporto dall'azione di scrittura della testina (protezione del floppy), permettendone la sola lettura
o Il supporto floppy deve subire un format (preparazione formale) per accogliere i dati dei file;
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Il lettore ZIP
o Si tratta di un grosso floppy disk (più robusto e piùcostoso) che supera la barriera di 1,4 Mb di dimensione; esistono diversi formati, da 100, 120, 200 e 250 Mb. Necessita di un lettore dedicato, e solo alcuni lettori possono utilizzare i dischi più piccoli. Viene soprattutto impiegato nei casi in cui occorre registrare grossi file oppure per contenere in un unico posto un gruppo di file la cui grandezza totale non può risiedere in un floppy tradizionale.
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L’Hard Disk
o L’ Hard Disk (HD): serve per immagazzinare i dati e i programmi, i quali restano memorizzati anche a computer spento.
o Le caratteristiche principali di un HD sono la capienza (quantitàdi dati che può contenere) che si esprime sempre in Mb o in Gb(Miliardi di caratteri) e la velocità di trasferimento (espressa in millisecondi).
Diversi tipi di Hard Disk
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L’Hard Disk
Caratteristiche di un HD
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L’Hard Disk
o Negli hard disk i dati sono scritti sulla superficie di un disco, chiamato piatto, in forma magnetica;
o La testina, una per ogni faccia del piatto,permette discrivere i dati senza però che avvenga un contattofisico tra le due parti
o I dati memorizzati nell'hard disk sono organizzati per cilindri, tracce e settori: i cilindri sono tracceconcentriche poste sulla superficie del piatto, e ognitraccia è divisa in settori.
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IL file system
o Fondamentale per un computer è l'archiviazione delle informazioni, tale da permettere la registrazione, la lettura, la sovrascrittura (o sostituzione) e la cancellazione
o Questa archiviazione è detta filesystem (organizzazione del file) e si basa su una suddivisione logica dell'archivio totale
o Il punto principale è la radice (root) su cui si innestano le directory (cartelle)
o Una cartella può contenere file (archivio), oppure altre cartelle
o Ogni cartella e ogni file possiedono un nome che li distingue all'interno del filesystem
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IL CD-ROM
o Una categoria ormai diffusissima è quella rappresentata dai CD(Compact Disk) -ROM
o L’informazione è scritta e conservata su un supporto ottico
Lettore CD-ROM
CD-ROM
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IL CD ROM
o Il supporto ottico lo possiamo pensare a minuscole ‘tacche’ incise sulla superficie del disco da un raggio laser (quello dell’apparato di scrittura, o masterizzatore)
o Le “tacche” vengono in seguito lette dal raggio laser del lettore
o Si tratta di una procedura del tutto analoga a quella usata nel caso dei Compact Disk musicali
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IL DVD
o Il formato DVD (Digital Video Disk) è uno standard per la realizzazione di supporti di memorizzazione con capacità fino 17 Gb
o Occorre un lettore dedicato (compatibile comunque con i supportiCD-ROM)
o Viene impiegato soprattutto per la realizzazione di filmati e per la versione digitale di filmati, oppure per operazioni di copia e di trasferimento file
Lettore DVD
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I connettori di input-output
o I connettori di input output presenti sulla scheda madre sono raffigurati nell'immagine, da sinistra verso destra abbiamo:
• due porte PS/2 per, rispettivamente, tastiera (in basso) e mouse (in alto);
• due porte USB• due porte seriali (di colore blu, una di fianco all'altra) • la porta parallela • i tre pin jack per segnali di line out (per altoparlanti), line in
(sorgenti audio in ingresso) e microfono in ingresso, sopra i quali si trova la porta joystick.
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La scheda video
o La scheda video ha il compito di spedire i segnali del Computer al Monitor per la visualizzazione.
o Le applicazioni multimediali piùrecenti - e soprattutto i giochi particolarmente ‘affamati’ di grafica ricca e dettagliata -richiedono infatti la generazione e l’aggiornamento continuo delle immagini inviate allo schermo.
Scheda Video
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La scheda sonora
o Scheda sonora: permette di registrare e di ascoltare suoni di tipo digitale, e di creare un ambiente di lavoro multimediale;
o Attraverso la scheda sonora e grazie ad un programma particolare, è possibile rendere il computer in grado di ascoltare i comandi dell'utente (riconoscimento vocale) e di "parlare" in modo umano (sintesi vocale).
Scheda Sonora
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Il modem
o Modem: un dispositivo che modula/demodula i segnali della porta seriale per comunicare dati digitali attraverso un sistema analogici.
o Serve a connettere due computer diversi, oppure per accedere ad Internet tramite il telefono.
o Ci sono due tipi di modem: esterno ed interno (connessione PCI)
Modem esterno
Modem interno
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La scheda di rete
o La scheda di rete (network interface): alloggiata nella scheda madre, aumenta le espansioni del sistema integrandolo in una sovrastruttura di rete, permettendo l'accesso a risorse esterne e condividendo le proprie con altri sistemi. Deve essere impiegata assieme ad un protocollo di comunicazione.
Scheda di rete
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Dispositivi di input
Dispositivi di input
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La tastiera
o Il dispositivo di input più vicino all'operatore-utente di un computer, la tastiera, è formato da un gruppo di tasti.
o Ogni tasto è associato ad una lettera, ad un numero, ad un segno grafico oppure ad una funzione
o Questi sono soltanto dei codici standard che il computer riconosce, anche se l'utente li riconosce solo come caratteri.
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La tastiera
o Esistono diverse codifiche dei caratteri:
• La codifica ASCII (American Standard Code for InformationInterchange) definisce 128 caratteri, mentre la codifica Extendedriconosce 255 caratteri
• La codifica Unicode definisce 65536 caratteri.
• La tastiera non riproduce tutti i codici, ma solo una parte: ci sono solo 103 tasti nel formato QWERTY (dalle lettere della prima riga alfabetica), alcuni con funzioni particolari e non codificati per la visualizzazione.
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La tastiera
o È possibile utilizzare i tasti in modo
• normale (il tasto viene premuto e rilasciato, mentre il carattere viene accettato dal computer)
• ripetuto (il tasto viene premuto continuamente e viene inviata una serie di caratteri uguali)
• combinato (un tasto è premuto continuamente, e contemporanementeoppure immediatamente dopo, basta che il primo tasto sia ancora premuto, viene premuto un secondo tasto, per la generazione di un codice diverso da quello che si ottiene senza la pressione del primo tasto)
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La tastiera
o Si notano quattro zone di lavoro: alfanumerica, simile ad una macchina da scrivere (in colore giallo); la zona di controllo del cursore, per lo spostamento del cursore e dei caratteri sullo schermo (in colore arancione); la zona numerica (o tastierinonumerico) per inserire i numeri e i simboli matematici (in colore celeste); la zona dei tasti-funzione, per usi speciali (zona verde, blu, viola). Alcuni led luminosi indicano l'attività del tastierinonumerico, del maiuscolo o l'inserimento del blocco schermo.
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Il mouse
o Il muose fornisce un accesso alle zone di manipolazione dati, attraverso un cursore movibile (spesso freccia)
o Il Mouse riproduce il movimento grazie ad una pallina ruotante ed a tre sensori di movimento.
o Il mouse possiede almeno due tasti (tasto destro e sinistro), configurabili a specchio per l'utente mancino, che aumentano l'interazione con i programmi.
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Il mouse
o Viene detto • click la pressione del tasto sinistro del mouse• click destro la pressione del tasto destro• click e tieni la pressione continua • doppio click una doppia pressione veloce del tasto
o Nei modelli più recenti è presente anche una rotellina che aiuta l'utente nella visualizzazione delle informazioni
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Lo scanner
o Sfrutta un sensore analogo ad una fotocopiatrice, capace di convertire la luce in un impulso elettrico analogico, e successivamente in una forma digitale (immagine digitalizzata o scansionata).
o Si collega ad una porta parallela o USB, oppure su un sistema SCSI
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Penna ottica
o Utile soprattutto nei progetti di grafica, consente di interfacciare l'utente con uno strumento più preciso.
o Può essere impiegata su una tavola speciale di puntamento, oppure direttamente sullo schermo.
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Dispositivi di output
Dispositivi di output
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Il monitor
o Il monitor è una periferica di output: visualizza lo stato del Computer e dei programmi.
o Le dimensioni si misurano in pollici dal piccolo 14" al grande 24”
o Nel caso di un computer portatile avremo invece a che fare con uno schermo a cristalli liquidi delle dimensioni generalmente comprese fra i 12" e i 17".
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Il monitor
o La risoluzione in un monitor è intesa come la dimensione dell'immagine visualizzata espressa dal numero di punti che ne costituiscono la larghezza e l'altezza
o Dire che un monitor ha una risoluzione di 640x480 punti vuol dire, in pratica, che l'immagine sarà formata da 640x480=307200 punti su di un rettangolo con base pari a 640 punti ed altezza pari a 480 punti
o In commercio ci sono unità con dimensioni variabili tra i 15" e i 24“ in genere (leggi 15 pollici e 24 pollici)
o E’ bene ricordare che la dimensione di un monitor viene intesa come la lunghezza in pollici misurata lungo la sua diagonale
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Il monitor
o La frequenza verticale, meglio nota come refresh rate, espressa in Hz (Hertz), indica il numero di volte che nel tempo pari ad 1 secondo l'immagine a video viene completamente ridisegnata
o Questo è il parametro che può caratterizzare lo sfarfallio del monitor se non adeguato alla risoluzione impostata.
o L'analisi di queste frequenza deve essere coadiuvata dallaconoscenza delle caratteristiche della scheda video.
o Negli ultimi anni si stanno diffondendo monitor a cristalli liquidi anche per l’uso con computer da tavolo, in alternativa ai monitor tradizionali.
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La stampante
o L’altro fondamentale dispositivo di output è la stampante.
o Le tecnologie fondamentali sono tre:
• stampanti ad aghi• stampanti laser• stampanti a getto d’inchiostro
o La qualità delle stampanti è talmente migliorata nel tempo da relegare a un mercato molto specializzato i cosiddetti plotter, stampanti grafiche a ‘pennini’ utilizzate per la progettazione e il disegno architettonico.
Stampante laser
Stampante a gettod’inchiostro