1.3 Dentro la scatola

Le componenti chiave dei calcolatori sono i dispositivi di ingresso (come tastiera e mouse) e i dispositivi di uscita (come schermo e stampanti).
Il flusso di ingresso fornisce dati al calcolatore, mentre quello di uscita corrisponde al risultato dell'elaborazione inviato all'utente. Alcuni dispositivi, come reti e dischi, gestiscono sia un flusso di ingresso che uno di uscita.

• Anatomia di un mouse

  La versione meccanica di un mouse consiste di una grossa sfera montata in maniera tale da fare contatto con un paio di rotelle, una posizionata lungo l'asse X e l'altra lungo l'asse Y. Queste rotelle sono connesse a contatori meccanici, oppure fanno muovere una ruota dotata di fessure attraverso la quale un diodo a emissione di luce (LED, Light Emitting Diode) invia un raggio ad un sensore luminoso. In entrambe le soluzioni i movimenti del mouse fanno ruotare la grossa sfera, che fa muovere la rotella sull'asse X o quella sull'asse Y, o ambedue, a seconda che il mouse sia spostato in direzione verticale, orizzontale o diagonale. Benchè ci siano molte modalità di gestione per questi dispositivi di puntamento, nella sostanza gli spostamenti di ciascuna rotella incrementano o decrementano alcuni contatori posti da qualche parte nel sistema. I contatori servono a registrare di quanto il mouse sia stato spostato ed in quale direzione.

• Attraverso il vetro

  Sfruttando la stessa tecnologia del televisore, un video a scansione basato su un tubo a raggi catodici (CRT, Cathode Ray Tube) scandisce un'immagine una linea alla volta, da 30 a 75 volte al secondo. A questa frequenza di rinfresco (Refresh Rate) non si percepisce alcuno sfarfallio sullo schermo.
  L'immagine è composta da una matrice di elementi, o pixel, che può essere rappresentata come una matrice di bit, chiamata bitmap. A seconda della dimensione dello schermo e della risoluzione, la matrice del video varia in dimensione da 512x340 a 1560x1280 pixel. Il video più semplice ha un bit per pixel, consentendo così che questo sia bianco o nero; nei video che supportano 256 sfumature di bianco e nero, vi sono 8 bit per pixel. Un video a colori può usare 8 bit per ciascuno dei tre colori fondamentali (rosso, verde e blu: RGB), per una equivalente di 24 bit per pixel, permettendo la visualizzazione di milioni di colori diversi.
  I calcolatori portatili usano spesso video a cristalli liquidi (LCD, Liquid Crystal Display) al posto dei CRT. In questo modo si ottiene un video sottile ed a basso consumo. La principale differenza sta nel fatto che il pixel di un LCD non è una sorgente di luce. Un tipico LCD è formato da molecole a forma di bastoncino immerse in un liquido, le quali formano un'elica intrecciata che devia la luce che colpisce lo schermo. Tipicamente, la luce proviene da una sorgente posta dietro lo schermo. Quando viene applicata una corrente, i bastoncini si allineano e non deviano più la luce. L'LCD a matrice attiva possiede un piccolo interruttore in corrispondenza di ogni pixel per controllare con accuratezza la corrente e produrre così immagini più nitide. Il supporto hardware per la grafica in un calcolatore consiste principalmente in un buffer di aggiornamento della scansione (frame buffer), che memorizza la bitmap.
  L'immagine che dev'essere rappresentata sullo schermo è memorizzata nel frame buffer e, per ciascun pixel, il corrispondente vettore di bit è inviato all'elettronica di controllo del video grafico alla frequenza di aggiornamento.
  Lo scopo della bitmap è quello di rappresentare fedelmente ciò che compare sullo schermo.

• Aprendo la scatola

  Innanzitutto è possibile vedere una scheda di sottile plastica verde coperta da dozzine di piccoli rettangoli grigi o neri. La scheda madre compare verticalmente sul fondo, con un'unità per la gestione del floppy disk e l'alimentatore sulla sinistra.
  I piccoli rettangoli sulla scheda madre contengono dei dispositivi denominati circuiti integrati o chip. La scheda è composta da tre parti: la parte di connessione con i dispositivi di I/O, la memoria ed il processore. I dispositivi di I/O sono collegati attraverso le due ampie schede attaccate perpendicolarmente alla scheda madre.
  La memoria è il luogo nel quale i programmi sono memorizzati durante la loro esecuzione. Ciascuna scheda di memoria contiene 8 circuiti integrati. Per quanto concerne la memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory) oggi ne vengono usate varie per contenere insieme le istruzioni e i dati di un programma. La parte RAM di suddetto termine indica che, contrariamente a quanto succede nelle memorie ad accesso sequenziale, come i nastri magnetici, in una DRAM gli accessi alla memoria richiedono lo stesso tempo indipendentemente dalla porzione di memoria che viene letta.
  Per quanto riguarda invece la memoria cache questa consiste in una memoria piccola, ma veloce, che funge da buffer verso la memoria DRAM.

  Il processore è la parte attiva della scheda, quella che esegue le istruzioni di un programma. Il processore comprende due componenti principali: l'unità di elaborazione dei dati e l'unità di controllo. L'unità di elaborazione dei dati esegue le operazioni aritmetiche, mentre l'unità di controllo indica all'unità di elaborazione, alla memoria e ai dispositivi di I/O che cosa fare a seconda delle istruzioni del programma.
  Si sarà osservato un tema comune nella descrizione del software e dell'hardware: man mano che si scava in profondità nell'hardware e nel software si scoprono sempre maggiori informazioni e, viceversa, dettagli di livello inferiore sono nascosti al fine di offrire un modello più semplice ai livelli superiori. L'uso di tali livelli, o astrazioni, è la principale tecnica utilizzata nel progetto di sistemi di calcolo estremamente sofisticati.
  Uno dei livelli di astrazione più importanti è quello corrispondente all'interfaccia tra l'hardware ed il software di più basso livello. Data la sua importanza, ad essa è stato associato il nome di architettura dell'insieme di istruzioni o architettura del set di istruzioni o architettura dell'elaboratore. L'architettura del set di istruzioni include tutto ciò che i programmatori hanno bisogno di sapere per creare un programma in linguaggio macchina correttamente funzionante.
  Questa interfaccia standard permette ai progettisti di calcolatori di parlare di funzioni indipendentemente dall'hardware che le realizza. I progettisti di calcolatori distinguono l'architettura dall'implementazione dell'architettura utilizzando lo stesso approccio: un'implementazione è una struttura fisica, un'organizzazione hardware che realizza l'astrazione prevista dall'architettura.
  Molto evidente è nei sistemi Macintosh l'impatto di un cambiamento nell'architettura del set di istruzioni: i programmi progettati per l'architettura PowerPC non sono eseguibili sulle macchine basate su 68000 ed i programmi basati su 68000 non sono completamente eseguibili dal PowerPC. Al contrario la famiglia 80x86 della Intel offre varie implementazioni della stessa architettura: i programmi scritti per l'8086 nel 1978 possono essere eseguiti sul più recente PentiumPro.

• Un posto sicuro per i dati

  Se si fosse sul punto di perdere l'alimentazione del calcolatore, tutto sarebbe perso, dal momento che la memoria interna al calcolatore è volatile; quindi quando cessa l'alimentazione essa dimentica tutto.
  Al fine di distinguere la memoria usata per immagazzinare i programmi mentre questi vengono eseguiti e la memoria non volatile usata per memorizzare i programmi tra un'esecuzione e l'altra, si usa il termine memoria principale per la prima e memoria secondaria per la seconda. Le DRAM hanno dominato il settore delle memorie principali, mentre i dischi magnetici hanno dominato quello delle memorie secondarie.
  Esistono due tipi principali di dischi magnetici: i floppy disk e gli hard disk.

Il principio fondamentale alla base del loro funzionamento è lo stesso: un piatto rotante ricoperto da materiale magnetico in grado di registrare informazioni. La differenza principale sta nel fatto che il floppy disk è fatto di un materiale flessibile, il mylar, mentre gli hard disk sono metallici.
Un altro supporto rimovibile è il compact disk ottico, o CD, che è meno costoso ma più lento di un hard disk. All'estremità inferiore della scala delle prestazioni stanno i nastri magnetici.
Un'hard disk magnetico consiste di un insieme di piatti, che ruotano attorno ad un'asse ad una velocità compresa tra i 3600 ed i 7200 giri al minuto; i piatti in metallo sono coperti su ambedue le facce da materiale magnetico in grado di memorizzare informazioni. Per leggere e scrivere le informazioni, poco al di sopra di ciascuna superficie è posizionato un braccio mobile contenente una piccola bobina elettromagnetica chiamata testina di lettura/scrittura.
L'uso di componenti meccaniche fa sì che i tempi di accesso per i dischi magnetici siano molto più alti che per le DRAM. Tuttavia, a parità di capacità di immagazzinamento, i dischi hanno costi molto più bassi di quelle delle DRAM.

• Comunicare con altri calcolatori

  Attraverso le reti è possibile collegare tra loro i calcolatori, consentendo agli utenti di estendere le possibilità di calcolo attraverso le comunicazioni. I calcolatori connessi in rete presentano diversi significativi vantaggi:

  • Comunicazioni: i calcolatori scambiano informazioni ad alta velocità.
  • Condivisione di risorse: invece di avere macchine con propri dispositivi di I/O, questi possono essere condivisi in rete.
  • Accesso remoto: essendo possibile connettere i calcolatori a grande distanza, gli utenti non hanno la necessità di essere vicini al calcolatore che stanno usando.

  Le reti variano in lunghezza e prestazioni ed il costo della comunicazione aumenta proporzionalmente sia alla velocità di comunicazione sia alla distanza coperta dalle informazioni. La rete forse più diffusa è Ethernet; le sue caratteristiche la rendono adatta alla connessione di calcolatori posti sullo stesso piano di un edificio; di conseguenza essa è un esempio di quella che è chiamata una rete locale. Le reti geografiche che attraversano i continenti sono l'ossatura di Internet; esse sono tipicamente realizzate con fibre ottiche e sono noleggiate dalle società di telecomunicazione.