Blue Gene, macchina di grandi dimensioni, con potenze di calcolo dell'ordine deipetaFLOPS, in uncentro di ricerca (High Energy Accelerator Research Organization, KEK)
Concepito come unamacchina per automatizzare alcune capacità dellamente umana, come ad esempio ilcalcolo e la capacità dimemorizzazione potenziandone la portata e applicandole alla soluzione di particolari problemiscientifici eingegneristici,[4] a partire dalla seconda metà delXX secolo, evolve in macchina in grado di eseguire le elaborazioni dati più varie. Ci si riferisce comunemente al computer come ad un dispositivoelettronico edigitale,programmabilea scopo generico, costruito secondo il modello teorico-computazionale della cosiddettamacchina di Turing e la cosiddettaarchitettura di von Neumann, anche se oggi tuttavia il termine assume il significato più generico di sistema elettronico di elaborazione programmabile enon programmabile, includendo dunque una vasta gamma di tipologie di dispositivi:sebbene icomputer programmabili a scopo generico siano oggi i più diffusi, esistono infatti in specifici ambiti di applicazione modelli di computer dedicati a vari campi e settori comeautomazione industriale,domotica,computer grafica.
Nel corso della storia, l'implementazione tecnologica di questa macchina si è modificata profondamente sia nei meccanismi di funzionamento (meccanici, elettromeccanici ed elettronici), sia nelle modalità di rappresentazione dell'informazione (analogica edigitale) sia in altre caratteristiche (architettura interna,programmabilità, ecc.). In questa forma e al pari dellatelevisione, esso rappresenta il mezzo tecnologico simbolo che ha maggiormente modificato le abitudini umane dopo laseconda guerra mondiale: la sua invenzione ha contribuito alla nascita e allo sviluppo dell'informatica moderna, che ha segnato l'avvento della cosiddettaterza rivoluzione industriale e dellasocietà dell'informazione.
Il terminecomputer è ilnome d'agente del verboingleseto compute, che deriva dalfrancesecomputer.[5] L'etimo latino è composto dacom = cum (insieme) eputare (tagliare, rendere netto– da cuipotare initaliano) e significa propriamente: «confrontare (o comparare) per trarre la somma netta».[6] In inglese, il termine indicava originariamente un essere umano,[7] incaricato di eseguire dei calcoli. Il primo utilizzo nel senso moderno è attestato nel 1947,[8][9] ma bisognerà attendere la metà degli anni 1950 perché questa accezione diventi di uso comune (si notino, a questo proposito, i diversi acronimi dei computerASCC edENIAC).
Come per gran parte della terminologiainformatica, tra il termineitaliano «elaboratore» e il termine «computer» usato ininglese, nellinguaggio comune prevale nettamente l'uso del termine «computer».[10] In altre lingue europee accade diversamente: nellalingua francese si usa il termineordinateur; nellalingua spagnola si usano i terminicomputadora eordenador. La tendenza a usare parole inglesi è spesso biasimata in una diatriba sull'esterofilia della lingua italiana recente,[11][12] ma le proposte alternative, come il «computiere»[13][14] del professoreArrigo Castellani,accademico della Crusca e fondatore degli Studi Linguistici Italiani, non hanno riscosso sufficiente applicazione. Negli anni 1960 e 1970 è stato utilizzato anche il termine «ordinatore», oggi in disuso,calco linguistico sul franceseordinateur.
In italiano esiste anche il termine «calcolatore», che però ha un significato più ampio: può indicare anche una macchina non automatizzata (come ad esempio unregolo calcolatore), oppure una macchina automatizzata in grado di eseguire esclusivamente semplici calcoli matematici (come ad esempio unamacchina addizionatrice). Nel secolo scorso poteva indicare anche un essere umano: la figura di «calcolatore» era un ruolo presso alcuni osservatori astronomici italiani.
Il passaggio da macchina calcolatrice a vero e proprio computer (nel senso di dispositivo programmabile) si deve aCharles Babbage: la suaMacchina analitica, progettata nel1833, anche se mai realizzata, è considerato il primo esempio di computer della storia; si trattava di una colossale macchina a ingranaggi, alimentata a vapore e dotata di input, output, unità dimemoria, di unità di calcolo decimale conregistro dell'accumulo dei dati e di un sistema di collegamento tra le varie parti e contrariamente a quanto si potrebbe pensare, era interamente digitale.[15]
Sostanzialmente, i calcolatori si dividono in analogici e digitali:
uncalcolatore analogico è un tipo di calcolatore che elabora i problemi per analogia, o in termini più scientifici, per quantitàcontinue;
uncalcolatore digitale è un tipo di calcolatore che elabora i problemi digitalizzando, ovvero le quantità che considera sonodiscrete.
Idati cioè, possono essere rappresentati in due modi, analogico o digitale:[18] un dato analogico è una rappresentazione continua, analoga all'informazione effettiva che rappresenta, mentre un dato digitale è una rappresentazione discreta, che spezza l'informazione in elementi distinti poiché l'elaborazione viene eseguita per passi finiti (vedialgoritmo). L'informatica, per come si è sviluppata, ha preso maggiormente in considerazione la seconda categoria di calcolatori. La prova è che i computer contemporanei funzionano secondo l'algebra booleana, ovvero la logica di funzionamento di un normale computer ammette due stati precisi, rappresentati dalle cifre 0 e 1. Esempi di calcolatori analogici odierni sono iltermometro e l'orologio tradizionali: nonostante vi siano gli indicatori dei gradi o delle ore, in realtà essi non sono sufficienti per astrarre la posizione esatta del mercurio o delle lancette.[18][19] Il mercurio nel termometro sale con continuità lungo le tacche, mentre un termometro digitale calcola la temperatura secondo unalogica binaria e discreta.
Questo schema venne proposto per la prima volta dal matematicoJohn von Neumann all'interno di uno scritto informale del 1945 noto comeFirst draft of a report on theEDVAC e va sotto il nome diarchitettura di von Neumann.[20] L'opera nasce dalla partecipazione di von Neumann al progettoENIAC e raccoglie le idee provenienti da vari membri del team di sviluppo su come migliorare la funzionalità del computer nascituro.
Va inoltre ricordato che von Neumann era stato profondamente influenzato daAlan Turing,[21] il quale aveva proposto nel 1937[22] un modello di calcolo - passato alla storia comeMacchina di Turing - che ben si prestava a descrivere le operazioni eseguite da un computer, pur non essendo stato concepito per quello scopo (Turing si stava occupando in quella sede del problema dellacomputabilità, non della realizzazione di un calcolatore). Il funzionamento dellaMacchina di Turing suggerì a von Neumann l'idea che la memoria dovesse contenere non solo i risultati delle operazioni svolte dal computer, ma anche le istruzioni di programmazione.
Premesso il contributo degli altri progettisti dell'ENIAC e quello di Alan Turing, a von Neumann va il merito di aver approfondito, arricchito e messo a sistema gli spunti raccolti: motivo per il quale la struttura logica sopra indicata è oggi nota comearchitettura di von Neumann.
A differenza dellamente umana, intesa come attività delcervello, che è in grado di affrontare e risolvere problemi nuovi a mezzo di facoltà cognitive comeintuizione eragionamento, ilcomputer, in quantomacchina, pur partendo ugualmente da dei dati ininput, è invece un sempliceesecutore di ordini, compiti o istruzioni impartite dall'esterno per risolvere determinati problemi d'interesse attraverso unalgoritmo di risoluzione del problema stesso in modo tale che a partire da determinati input produca determinati output attraverso elaborazione degli stessi. Esso nasce dunque per eseguireprogrammi o applicazioni: un computer senza un programma da eseguire è inutile.
Ilcomputer, in quanto esecutore, ha dunque bisogno di essere istruito oprogrammato dall'esterno per mano competente di unprogrammatore, il quale comunica/interagisce con la macchina attraverso ilinguaggi di programmazione ad alto, medio o basso livello di astrazione (linguaggio macchina), che si differenziano tra loro secondo variparadigmi di programmazione. Queste parti immateriali che consentono l'utilizzo diprogrammi vengono comunemente chiamatesoftware in contrapposizione all'hardware che è invece la parte fisica (elettronica), nel senso di materiale e tangibile, degli elaboratori e che consente l'esecuzione dei programmi stessi. Tutto ciò che si può ottenere con l'utilizzo accoppiato di strumenti informatici orisorsehardware esoftware costituisce un 'applicazione informatica. Tutto il resto, oltre adhardware esoftware, sono idati presenti nellamemoria del computer, compresi all'interno difile edirectory ed utilizzati in input dai programmi stessi per l'espletamento inoutput del particolare servizio richiesto dall'utente.
Quando si lavora su un computer, scompare agli occhi dell'utilizzatore il funzionamento hardware interno della macchina, interfacciandosi con essa unicamente tramite il linguaggio di programmazione ad alto livello oppure grazie all'interfaccia utente delsoftware stesso, garantendo così quella grande flessibilità di utilizzo anche a chi non ne conosca i principi fisico-elettronici di funzionamento e che costituisce, assieme alla potenza di elaborazione, a quella di memorizzazione e alla riprogrammabilità, la chiave di successo deicomputer stessi. Questo processo di astrazione a partire dallivello fisico è comune a tutta l'informatica.
Il programma osoftware di base di gran lunga più importante per uncomputer (se previsto nell'architettura generale), senza il quale la macchina non potrebbe funzionare, è ilsistema operativo, che si occupa di gestire la macchina, le sue risorsehardware e le altre applicazioni che vi sono eseguite.[23] Fornisce così all'utente un'interfaccia (grafica o testuale) con la macchina gestendo o coordinando in maniera efficiente le operazioni diinput/output comandando le rispettiveperiferiche di sistema, gestendo le operazioni di esecuzione dei programmi applicativi assegnandovi di volta in volta le risorsehardware necessarie al processamento (scheduling) e infine gestendo l'archiviazione e l'accesso ai dati memorizzati attraverso il cosiddettofile system.
Dal punto di vistahardware ilcomputer, inoltre, è unsistema elettronicodigitale (programmabile) che elabora cioè tutti i dati in formato digitale o numerico ovvero come sequenze di 0 e 1, corrispondenti a due livelli ditensione (alto e basso), corrispondenti a loro volta ai due stati fisici di interruttore aperto e chiuso. La logica elettronica interna di funzionamento è dunque basata sull'Algebra di Boole. Il linguaggio dell'hardware è propriamente unlinguaggio macchina ovvero sequenze dibit cui si associano per semplice codifica i linguaggi a più alto livello. L'immissione dei dati in input alla macchina elaboratrice è di tipo alfa-numerico decimale, per cui è necessaria un'operazione di traduzione ocodifica delle informazioni in binario; viceversa per ottenere una visualizzazione in output dei risultati dell'elaborazione è necessaria una traduzione ocodifica inversa da binario ad alfa-numerico decimale. Tale codice è generalmente il codiceASCII.
A larghe linee la progettazione di sistemi di elaborazione a livellohardware ricade in massima parte nel campo dell'ingegneria informatica (la quale a sua volta afferisce conoscenze dall'ingegneria elettronica), mentre lo sviluppo software è affidato in massima parte al campo dell'informatica pura. Pur tuttavia i confini tra le due discipline non sono rigidi bensì spesso assai sfumati.
In termini molto generali, dal punto di vista della possibilità di modifica, aggiornamento, espansione e personalizzazione dell'architettura hardware di un computer vi possono essere i seguenti casi:
nulla o assai limitata possibilità di intervento. È il caso, ad esempio, dei microcontroller, dei notebook (o dei derivatinetbook eultrabook), dei palmari, degli smartphone, dei tablet;[24]
da buona a ottima possibilità di intervento. È il caso delle macchine server, delle workstation, dei personal di tipo desktop e simili. Per i server di tipoblade la modularità e la scalabilità è la caratteristica peculiare dei sistemi di questo tipo.
Nel secondo caso occorre fare però un'altra distinzione:
il computer è un pre-assemblato/marchiato da un fabbricanteOEM o da un'aziendasystem integrator;
il computer è il risultato di un "libero" assemblaggio di componenti prescelti, realizzato dall'utente (o da un assemblatore professionale per conto suo).
Nel caso di un "assemblato" la possibilità di espansione, modifica, personalizzazione, evoluzione, manutenzione, ecc. sono spesso molto ampie. Nel primo, invece, dipende dalla configurazione-architettura del sistema ma, in generale, è meno possibile del primo. Questo può dipendere da limitazioni di tipo fisico (hardware) ma anche software e/o imposte dall'OEM.
Occorre anche considerare che i computer (di qualsiasi genere ma vale soprattutto per quelli "chiusi" come notebook per non parlare degli smartphone o dei tablet) vengono realizzati e venduti dai fabbricanti con il sistema operativo (e tutta la parte software delle periferiche hardware) su licenza OEM. In questi casi è il produttore che mette a disposizione il software del sistema e gli aggiornamenti stessi: spesso e volentieri il software "originale" del produttore del singolo componente (o un'applicazione qualsiasi) non funziona sul computer in quanto il produttore OEM lo ha modificato e personalizzato per quello specifico modello/versione di computer (questo accade spesso anche per i driver). Quindi, in questi casi, non solo è difficile (o fisicamente impossibile) cambiare un componente hardware (nel senso di evoluzione non certo di sostituzione per guasto), ma non può essere neppure aggiornato il software di una periferica (costruita e venduta singolarmente da un produttore) se non quello distribuito dall'OEM dell'intero sistema.
È per questo che tutti i grandi produttori di computer invitano a scaricare il software e gli aggiornamenti unicamente dal proprio portale o mediante la funzione diupdate del dispositivo e quelli delle periferiche/accessori avvertono che il software (driver e strumenti) dei loro componenti potrebbe non funzionare su computer OEM.
Pertanto, sarebbe più corretto parlare di personalizzazione dellaconfigurazione del computer dovendo non solo considerare la possibilità di espansione/modifica dell'hardware ma anche del sistema operativo e del software (firmware, driver, applicazioni, ecc) in generale.
Parametri prestazionali di un computer sono le sue capacità di processamento e le sue capacità di memorizzazione. In linea di massima si identificano dunque i seguenti parametri:
Un parametro prestazionale di calcolo può essere anche la potenza di calcolo inMIPS oppure inFLOPS cioè il numero di operazioni invirgola mobile eseguite in un secondo dalla CPU (specie per computer a fini di calcolo scientifico), anche se tale parametro non tiene in conto delle operazioni in numeri interi comuni invece nei PC domestici.
In sostanza uncomputer è in grado di eseguire operazioni logiche come ad esempiocalcoli numerici e storicamente è stato proprio il calcolo la prima forma di applicazione del computer ovvero il problema che ha spinto all'invenzione e alla realizzazione del computer stesso. Dalla nascita della struttura più elementare in seguito si sono sviluppati e succeduti molti tipi di computer, costruiti per svariati compiti, professionali e non, che, pur affinando sempre più ilcalcolo numerico fino ad arrivare al modernocalcolo scientifico ad elevate prestazioni grazie aisupercalcolatori, vanno ben oltre offrendo applicazioni diffusissime all'utente comune come lavideoscrittura in sostituzione delle vecchie macchine da scrivere e in generale applicazioni dioffice automation,fogli di calcolo, creazione e gestione didatabase, laprogettazione assistita al calcolatore, lacomputer grafica, lasimulazione, sistemi elettronici dicontrollo, applicazioni didiagnostica medica, ivideogiochi ecc.
Crescita del numero di transistor per processori e previsione di Moore
Le chiavi di successo del computer sono dunque la grandepotenza di elaborazione e la notevole capacità dimemorizzazione che, in qualità di macchine, estendono le rispettive capacità umane di calcolo, processamento e memorizzazione consentendo una diminuzione sensibile dei tempi richiesti per la risoluzione di un problema dato o spesso la sua effettiva risoluzione, altrimenti non possibile. Ad essa si aggiunge la grandeusabilità grazie al suo utilizzo in molti campi dell'elaborazione dati (vedi isistemi embedded) e, sul fronte del consumo di massa, allo sviluppo di innumerevoli applicazioni a favore di una vasta gamma di utenti e, nella maggior parte dei casi, anche lasemplicità di utilizzo da parte dell'utente stesso grazie all'implementazione di sistemi di interfacciamento utente/macchina molto spesso di tipouser-friendly.
velocità: la velocità di un processore è costantemente aumentata in linea con lalegge di Moore, stessa cosa dicasi per la capacità dimemorizzazione;
economicità: il costo di un processore e del computer in toto è diminuito progressivamente nel tempo per motivi dieconomia di scala;
flessibilità: facilità di configurazione e riconfigurare attraversosoftware;
scalabilità: la dimensione dei programmi può crescere sino ai limiti della memoria o dello spazio di memorizzazione senza costi aggiuntivi.
Uncomputer, come premesso, non è altro che l'implementazione fisica, pratica, di unamacchina di Turing universale, secondo l'architettura fisica ideata daVon Neumann.
Per quanto riguarda l'architettura hardware sono diffuse learchitetture dei processori basati su registri generali. A questo livello hardware e software viaggiano appaiati sullo stesso piano: le istruzioni elementari del processore (Instruction set) (salto, confronto, operazioni aritmetiche ecc.) sono definite inlinguaggio macchina, ovvero codificate in sequenze numeriche di bit; i linguaggi di programmazione a medio ed alto livello, cioè più vicini o familiari al nostro linguaggio naturale, si ottengono come ulteriori codifiche (tabelle di associazioni tra i nomi delle istruzioni) a partire dal linguaggio macchina stesso. Così accade che un qualunquesoftware applicativo abbia un suocodice oggetto o eseguibile espresso in linguaggio macchina ed un suocodice sorgente espresso in linguaggio ad alto livello.
Una terza possibilità è l'assembly; questo particolare linguaggio è una "trascrizione" delle istruzioni base del processore in un linguaggio intelligibile (solitamente nel formato istruzione indirizzo, o istruzione valore, o altri - vedasiopcode). È possibile (per esempio) integrare l'assembly in programmi in C (ma questo approccio non è sempre consigliabile anzi oggi è quasi del tutto abbandonato perché si preferisce scrivere programmi adattabili a più piattaforme, vedi voce "Portabilità"; linguaggio macchina ed assembly non sono mai portabili mentre esistono compilatori Cmultipiattaforma). Con l'evolversi dei sistemi operativi (eccezion fatta per l'hacking) i linguaggi a basso livello sono usati sempre meno, invece all'epoca delDOS e soprattutto deglihome computer questo approccio veniva seguito spesso.
Un processore munito di memoria, dispositivi diinput/output ebus di collegamento tra periferiche è dunque un "elaboratore" secondo la classicaarchitettura generale di Von Neumann.
All'architetturahardware si sovrappone l'architettura software, che comprende ilsistema operativo, cioè il sistema generale di gestione o coordinazione delle risorsehardware delcomputer e dei dati in esso immagazzinati. Le istruzioni base del sistema operativo fanno parte delset di istruzioni fondamentali del processore e, di conseguenza, sono definite anch'esse inlinguaggio macchina e gestite dall'Unità di Controllo del processore. Le istruzioni del sistema operativo a livello utente, eventualmente interfacciate graficamente, sono anche qui ottenute tramite una codifica ad alto livello delle istruzioni base, espresse in linguaggio macchina, di gestione (pilotaggio) delle periferiche stesse, mascherando così ancora una volta il complesso funzionamento interno del computer.
L'insieme di architetturahardware (quindi il processore) e sistema operativo costituiscono la cosiddettapiattaforma informatica del sistema essendo questi due elementi strettamente correlati. Al di sopra della piattaforma costituita da hardware e sistema operativo operano leapplicazioni ovvero programmi che offrono un servizio all'utente appoggiandosi al sottostante sistema operativo.
Costituenti tipo di un calcolatore elettronico personale
La macchina elaboratrice è adagiata all'interno di uncabinet ocase e vienealimentata elettricamente da un'unità (alimentatore), interna o esterna che fornirà al sistema le giuste tensioni elettriche alle sue diverse componenti, nei termini dellapotenza e stabilità richieste.
Dal punto di vista pratico e costruttivo tutti i computer di questa categoria, hanno almeno:
una piccola parte (ROM,PROM,EPROM,EEPROM oFlash) in cui è scritto il primo programma da eseguire all'avvio (Boot) del computer stesso (firmware). Esempi sonoOpen Firmware eBIOS, che assolvono comunque anche ad altre funzioni di base, oltre a queste. A seconda dei casi, questo primo programma potrà essere l'unico che la macchina eseguirà oppure servirà a fare da trampolino di lancio per caricare ilsistema operativo vero e proprio dallamemoria di massa in memoria di lavoro, o un ulteriore e intermedio programma in grado di decidere quale particolare sistema operativo selezionare: in questo caso si parla diloader.
unamemoria di massa, più capiente ma con velocità d'accesso più lenta.
Computer di dimensioni ridotte, a raffreddamento passivo
Il componente forse meno essenziale, ma che caratterizza il calcolatore al primo colpo d'occhio è l'involucro, generalmente chiamatocase neipersonal computer ecabinet nei sistemi più grandi. Il telaio che meccanicamente sostiene la componentistica, l'apparato di raffreddamento generale, e l'involucro esterno caratterizzano e in parte differenziano i molti tipi di macchine finora viste.
Elemento fondamentale è ilsistema di raffreddamento. Attualmente molti calcolatori montano sistemi di raffreddamento sui singoli chip, come CPU e GPU o altri, i quali possono andare da una semplice alettatura per il raffreddamento ad aria, aventole, o a sistemi con circolazione di liquidi di raffreddamento. In aggiunta a questi, nel case del computer vengono predisposti ulteriori altri sistemi per la circolazione e l'espulsione dell'aria calda generata.Neicabinet deimainframe e deisupercomputer, il problema del raffreddamento è notevole, e l'energia in gioco spesa nell'implementarlo è una quota rilevante del costo del sistema.
Sistemi architetturalmente moderni o di piccole dimensioni riescono ad avere una generazione di calore talmente bassa da fare a meno di ventole od altre parti in movimento, con evidenti vantaggi, a pari dispersione termica, in termini di silenziosità o di consumi. Il telaio e l'involucro caratterizzano visivamente la macchina, e possono situarsi in un arco dimensionale che va dal computer palmare, alle armadiature dei grossi sistemi. Tali armadiature sono principalmente costituite da un telaio, con alloggiamenti di vari standard, che permettono la rimozione, spesso in attività, dei singoli componenti: schede processore, singolo cluster alloggiato in unrack, ed altro.
Pannello posteriore di un alimentatore tipico su PC con presa d'aria, presa di alimentazione tripolare einterruttore ON-OFF
L'alimentatore è l'elemento che fornisceenergia al PC, e nel caso delle versioni portatili può essere sostituito da alcune batterie. A seconda del tipo d'alimentatore il computer può avere lo spegnimento del tipo:
Automatico, lo spegnimento del computer avviene automaticamente al termine del processosoftware (tipico degli alimentatoriATX)
Manuale, lo spegnimento deve avvenire manualmente sotto il comando della macchina (tipico degli alimentatoriAT)
L'efficienza dell'alimentatore non è costante, ma dipende dal carico, generalmente il rendimento massimo è ottenuto al 50% di carico massimo[25] e rimane buono con un range tra 25 e 80%, mentre generalmente al di sotto del 20% di carico il rendimento tende a ridursi velocemente, esiste anche una certificazione sull'efficienza degli alimentatori per poter garantire un livello minimo d'efficienza.[26]
In genere i tre componenti suddetti, escludendo solitamente la parte di memoria di massa, si trovano implementati fisicamente insieme sullo stesso circuito integrato o sulla stessascheda elettronica, che in questo caso viene dettascheda madre omainboard, o eventualmente in schede figlie o d'espansione direttamente inserite e spesso anche alimentate elettricamente dalla stessa scheda madre.
Attualmente, all'interno della CPU vi è anche una piccola quantità di memoria, detta memoriaCache; questo tipo di memoria è una memoria veloce (ed anche molto costosa) nella quale vengono caricate tutte le informazioni e/o leistruzioni più frequentemente utilizzate ovvero elaborate dalprocessore, per far fronte alla lentezza delBus di collegamento fra CPU e memoriaRAM;
Oltre ad eseguire programmi un computer deve anche poter comunicare con l'esterno ovvero con l'utente o con altri dispositivi: per questo sono sempre presenti un certo numero diinterfacce verso vari dispositivi dette periferiche di sistema quali ad esempio l'I/O. Quasi sempre, tranne nei casi dimicrocontrollori molto semplici, vi è infatti la possibilità di collegare unatastiera e un dispositivo di visualizzazione (monitor,stampante,schermo). Inoltre un computer fa spesso uso dimemorie di massa per registrare dati e programmi a lungo termine liberando così spazio nella memoriaRAM ed è quasi sempre possibile collegare ad esso periferiche esterne e/oschede elettroniche di espansione interne.
La CPU, sigla diCentral Processing Unit, è uno dei componenti dellamacchina di von Neumann, il più diffuso modello teorico-implementativo diprocessore. Si tratta di uncircuito integrato riprogrammabile dall'utente tramiteprogrammaapplicativo ed è il "cervello" vero e proprio del computer, ovvero il dispositivo che ha il compito di elaborare (processing) le informazioni (dati) provenienti dallamemoria centrale decodificando ed eseguendo leistruzioni operative incodice macchina del programma e appartenenti al set di istruzioni fondamentali specifiche della CPU (instruction set), oltre che coordinare le altre unità di processamento secondarie (coprocessore).
Si suddivide inUnità di Controllo (Control Unit) edUnità Logico Aritmetica (ALU). La sua struttura oarchitettura è stata soggetta ad evoluzione nel tempo, integrando progressivamente quantità sempre maggiori ditransistor, arricchendosi di memoria interna dettacache di primo livello, aumentando la dimensione delbus dati e integrando più di una struttura esecutiva delle istruzioni, dettapipeline, aumentando così il grado di 'parallelismo'. Nelle ultime versioni si hanno più CPU che coesistono insieme sullo stesso circuito integrato, detto quindi processoremulticore, ad esempiodual-core,quad core o octa-core a seconda che ospiti due, quattro o otto processori in parallelo.
Oltre alla parte di memoria che per motivi architetturali attualmente ormai risiede all'interno della CPU, si notano:
la memoriaROM che contiene ilfirmware (UEFI oBIOS) necessario all'avviamento (boot) del computer cioè del suo sistema operativo.
la memoria di lavoro o memoria principale omemoria centrale, adesso generalmenteRAM, molto veloce, ma con il problema di essere volatile: allo spegnimento della macchina il suo contenuto informativo viene perso. Le tecnologie attuali in ogni caso prevedono già in itinere memorie di lavoro permanenti. Per raffronto sull'evoluzione tecnologica, un "banco"RAM del 1986 con soli 4 MB di memoria è oggi talmente grande che, su quella stessa superficie di circuito stampato, si riesce facilmente a collocare l'intero circuito di un personal computer, compresi parecchi Gigabyte di memoria RAM.
per questo ed altri motivi alla memoria centrale si affianca sempre un altro tipo di memoria, molto più lenta, ma capace di mantenere i dati ivi scritti per un tempo indefinito ovvero nel lungo periodo su desiderio dell'utente. Questa memoria viene dettamemoria secondaria,memoria di massa o memoria d'immagazzinamento secondario ed è costituita in genere da dischi magnetici (es.disco rigido,floppy disk) odischi ottici (es.CD,DVD). Una promettente evoluzione è rappresentata daisupporti a stato solido, detti anche SSD: sono molto simili alleschede di memoria, hanno velocità di lettura più elevate rispetto ai dischi magnetici, ma attualmente sono molto costosi. In casi di applicativi che richiedono poca memoria vengono utilizzate leNVRAM, particolariRAM non volatili, se si vuole la scrittura e riscrittura dei dati, leROM se il programma non deve essere cambiato (firmware), o al massimo cambiato molto raramente (ROM cancellabili tramiteraggi UV otensioni predefinite). In generale i dati vengono scritti su queste memorie sotto forma difile: il modo in cui questi file sono logicamente organizzati e catalogati è dettofile system.
La suddivisione del carico elaborativo tra CPU e le altre schede elettroniche ha fondamentalmente ragioni storiche e pratiche diaffidabilità emanutenibilità del sistema elettronico: le funzionalità di elaborazione secondarie storicamente sono state infatti aggiunte in seguito ai primi processori in grado di compiere le sole operazioni logico-matematiche ed il malfunzionamento di una o più schede non inficia il funzionamento dell'unità centrale oltre alla possibilità di essere sostituite senza dover sostituire l'intero sistema.
Il computer non potrebbe funzionare senza il bus di sistema. Questo è infatti il collegamento (parallelo) fra le varie componenti di un computer: CPU,chipset,scheda video,periferiche, eccetera.
Esistono 3 tipi fondamentali di bus che, assieme, formano ilbus di sistema:
Bus indirizzi;
Bus dati;
Bus controlli.
Le periferiche esterne possono essere collegate al bus di sistema mediante le interfacce fornite dal costruttore (nel caso di componenti di facile integrazione), o mediante interfacce proprietarie nel caso di componenti particolari o non integrati nel proprio sistema (scheda madre). Questi componenti sono dettischede di espansione e si collegano direttamente in alloggiamenti (slot) della scheda madre che dialogano, grazie all'interfaccia delchipset, con tutto il resto del sistema.
Esistono un certo numero diinterfacce generiche, adatte a molti scopi, che in genere i costruttori hanno cura di implementare sempre neicomputer che producono, per aumentarne la versatilità. In genere le specifiche per queste interfacce sono standard pubblici, stabilite da enti come l'IEEE o l'ISO.
IEEE 1394 oFirewire esterno espandibile, capace di fornire alimentazione ai dispositivi, in diversi tipi, (periferiche esterne come dischi rigidi e ottici, scanner, videocamere e fotocamere digitali);
USB (Universal Serial Bus, o bus seriale universale in italiano, esterno espandibile, in diversi tipi, capace di fornire alimentazione ai dispositivi tastiera e mouse, fotocamere digitali, ecc.);
Altre configurazioni: case a rack di tipo U 1, comune a tutta lafamiglia Xserve diApple
Questa descrizione è da riferirsi solamente alla scheda di sistema di alcuni personal computer da tavolo, principalmente quelli più diffusi. Tutti i dispositivi diversi, tipo icomputer mobili come icarputer,palmtop,Smartphone,Netbook,UMPC,console per videogiochi e tutti gli altri dispositivi informatici alternativi possono presentare un'architettura interna anche notevolmente differente. Icomputer portatili, ad esempio, per esigenze di spazio possono integrare ilchipset in altri componenti (o viceversa). Le console per videogiochi sono sprovviste diBIOS: una serie disub-routine necessarie per l'avvio sono memorizzate ed automaticamente eseguite direttamente da un unico integrato.
Inoltre alcunicomputer di vecchia generazione (e tutte le console per videogiochi, anche le più moderne) integrano la CPU direttamente saldate sulla scheda madre e quindi non rimovibile. Altri dispositivi invece (comesupercomputer,workstation eserver) possono integrare sulla scheda madre due o piùsocket per l'installazione di più CPU (per sistemi multiprocessore) oppure più schede madre per ottenere configurazioni avanzate basate su sistemi con centinaia o anche migliaia di CPU che funzionano in contemporanea.
Nel1995, nel campo dei sistemi basati su processori IBM/Motorola, schede madre della classeTsunami, progettate per i processoriPowerPC 604 e successivi erano dotate di slot perdaughtercard o scheda figlia, a singolo o multiplo processore essendone anch'esse sprovviste. Ugualmente, alcune schede madre della metà deglianni novanta, progettate per i processoriPentium II e per i primi processoriPentium III (con core nonCoppermine) erano sprovviste di socket e montavano invece uno slot denominatoSlot 1 simile ai normali slot d'espansione PCI per alloggiare una scheda elettronica contenente 2 o più integrati, che insieme costituivano la CPU del Computer. Oggi con la tecnologiadual core e la più recentemulti core è invece possibile integrare direttamente all'interno di un unico processore due (per il dual core) o più (per il multi core)core logici nello stessopackage, capaci di aumentare la potenza di calcolo senza aumentare la frequenza di funzionamento del processore.
Il termine computer, nel senso moderno-elettronico, ha ormai assunto un significato sempre più vasto comprendendo la semplicecalcolatrice fino ai grandi sistemi di calcolo e venendo dunque ad assumere il significato più generale disistemi di elaborazione dati. Tuttavia i computer possono essere idealmente divisi in alcune categorie molto generali, a seconda delle loro caratteristiche salienti, dell'uso che in generale se ne fa, del software e dei sistemi operativi che fanno girare e dell'epoca in cui sono comparsi. Le definizioni nel tempo sono molto cambiate e i confini non sono mai così netti.
Una prima classificazione in base all'uso distingue tra computergeneral purpose, ovvero riprogrammabili per svariate applicazioni dall'utente, ecomputerspecial purpose ovverosistemiembedded dedicati ad una sola applicazione specifica come ad esempio imicrocontrollori. Un'altra classificazione è basata sull'accesso condiviso o meno alle risorsehardware: un computergeneral purpose può essere monoutente oppure multiutente sfruttando il cosiddettotimesharing delle risorse e con diversi sistemi operativi. Uncomputer monoutente può esseremonotasking oppuremultitasking ovvero può eseguire più processi in contemporanea (in pratica tutti icomputer moderni). Ovviamente uncomputer multiutente è anche multitasking.
Una classificazione basata sulle dimensioni, sull'evoluzione storica e sulla destinazione d'uso è invece quella che segue. In linea di massima le dimensioni dei sistemi di elaborazione sono progressivamente diminuite nel tempo in virtù del miglioramento delle tecniche di elaborazione digitale ovvero all'altacapacità di integrazione deitransistor all'interno dei processori ed il parallelo aumento della capacità di processamento. Computer di grandi dimensioni rimangono ora solo nei grandi centri di calcolo.
Negli anni 40 icomputer occupavano stanze intere, l'energia richiesta per il funzionamento ed il raffreddamento era elevata e, naturalmente, erano costosissimi; per questo motivo si tendeva a sfruttarli il più possibile e, quindi, l'utilizzo era suddiviso generalmente fra un numero di utenti piuttosto grande. Spesso la comunicazione con la macchina sia in input che in output avveniva direttamente tramite l'uso di schede perforate.IBM è stata il primo costruttore di mainframe e, anche attualmente, i suoi sistemi più potenti, tra quelli direttamente a listino, sono classificati secondo questo termine.
Questi sistemi sono caratterizzati da una elevata capacita' elaborativa e diinput/output. Essi vengono utilizzati nei grandi gruppi societari, nella pubblica amministrazione ed in tutte quelle strutture che hanno bisogno di una potenza di elaborazione proporzionata al grande numero di utenti che devono fruirne. Ovviamente non vanno confusi coi comunicomputerserver, macchine oramai diffuse presso tutte le organizzazioni, anche piccole, perché contrariamente a questi ultimi, i mainframe sono concepiti per ottenere le massime prestazioni. Non vanno nemmeno confusi con leserver farm, perché ultime queste si basano sull'idea di distribuire il carico di lavoro su un gran numero di piccoli server. I mainframe operano invece con la filosofia opposta. Per lo stesso motivo, non vanno scambiati nemmeno con icluster.
In un secondo tempo, neglianni sessanta, in particolare daDigital e daHP, vennero introdotti elaboratori dal costo abbastanza ridotto da poter essere comprati anche da piccole aziende o da singoli dipartimenti di ricerca e di dimensioni paragonabili ad un armadio. Questo permise un utilizzo più flessibile. Per distinguerli dai mainframe venne coniato il termineminicomputer.
All'inizio deglianni settanta l'introduzione del primomicroprocessore, l'Intel 4004, rese disponibilicomputer dal prezzo abbastanza ridotto da poter essere acquistati anche da una singola persona. La prima generazione di questi dispositivi era destinata soprattutto agli appassionati, perché di difficile utilizzo. Ipersonal computer possono essere consideratimicrocomputer.
La seconda generazione di microcomputer, che prende il nome dihome computer (it.:computer domestico), fece il suo ingresso nel mercato nella seconda metà degli anni settanta e divenne comune nel corso deglianni ottanta, per estinguersi entro i primianni novanta con l'ascesa deipersonal computer. Glihome computer, macchine a costo contenuto e di utilizzo prevalentemente domestico, contribuirono largamente a diffondere a livello popolare l'uso delcomputer e all'alfabetizzazione informatica di vasti strati di popolazione (specie giovanile) nei paesi sviluppati.
Basati su processori a 8 bit e costruttivamente molto semplici, erano dotati di interfacce esclusivamente testuali e come memorie di massa sfruttavano, almeno inizialmente, supporti analogici come le cassette audio. Erano utilizzati prevalentemente come console per videogiochi, oppure per i primi approcci con la programmazione.
Questi computer quasi mai avevano sistemi diprotezione della memoria, per cui si potevano fare dei danni semplicemente dando dei comandi di modifica della memoria passando degli indirizzi "opportuni". Con oltre dieci milioni di macchine vendute, il più rappresentativo computer di questa categoria fu ilCommodore 64. Anche loZX Spectrum dellaSinclair ebbe buona diffusione.
PerPersonal Computer (PC) si intende unmicrocomputer economico destinato, prevalentemente, a un utilizzo personale da parte di un singolo individuo. Si distingue da unHome computer principalmente perché si prestano - grazie alle maggiori risorsehardware esoftware a disposizione - a utilizzi maggiormente produttivi rispetto a questi ultimi, destinati invece a un utilizzo ludico o didattico. A differenza degli Home Computer, i PC erano quasi sempre dotati dimonitor e lettori difloppy disk. Idischi rigidi entreranno a far parte della dotazione standard di un Personal Computer solo agli inizi deglianni novanta.
Dato che la definizione di Personal Computer si consolidò definitivamente con la diffusione deicomputerPC IBM, oggi per Personal Computer (PC) spesso si intende un computer da essi derivato, ma inizialmente il termine andrebbe riferito a macchine con sistemi operativi e tipi di microprocessori del tutto diversi, quali l'Olivetti P6060 e le prime versioni dell'Apple (Apple I e soprattutto l'Apple II).
workstation:computer general purpose monoutente dotati di più elevate risorse di elaborazione e costi maggiori rispetto ai normalipersonal computer, e destinati ad uso e compiti professionali, spesso in ambito grafico o ingegneristico.
supercomputer: elevatissima capacità di elaborazione (spesso grazie ad uncalcolo parallelo) e distinti dai mainframe perché solitamente destinati ad una singola applicazione come previsioni meteorologiche, climatiche, calcolo scientifico ad elevate prestazioni esimulazioni varie in generale.
sistemibarebone:personal computer preassemblati, costituiti di solito dacase e scheda madre, pronti per ulteriori personalizzazioni da parte di rivenditori o utenti finali.
portatile onotebook: computer trasportabili che possono entrare in una valigetta o essere appoggiati sulle ginocchia (laptop). Nella famiglia dei portatili tipi tecnico-commerciali distinti dainotebook propriamente detti sono rappresentati dainetbook e dagliultrabook.
palmare:computer di ridotte dimensioni, tali da essere portati sul palmo di una mano.
smartphone: hanno ormai caratteristiche molto simili (o per meglio dire sovrapponibili, c'è una crescente tendenza ad eliminare le "barriere" tradizionali nell'informatica) aipalmari: oltre agli apparati elettronici ditelecomunicazioni per laricetrasmissione possiedono infatti anche un nucleo elettronico di elaborazione ed unamemoria dati con tanto di sistema operativoad hoc e svariate applicazioni oltre ovviamente ai consueti dispositivi diinput-output.
console divideogiochi: rappresentano attualmente i computer domesticispecial purpose dalle capacità di processamento più elevate per far fronte alle più svariate esigenze di elaborazione, nonché anche il settore trainante per lo sviluppo di nuovi più evoluti processori.
registratori di cassa: le moderne casse utilizzate nel commercio sono mezzi informatici a tutti gli effetti. Quelle di livello medio-alto sono normali PC-client (di tipotouch screen) che accedono, via rete, alserver su cui gira il sistema gestionale dell'esercizio o della catena (vendite, magazzino, approvvigionamento, ecc.).
POS: i dispositivi per effettuare i pagamenti elettronici sono ormai minicomputer.
ATM: volgarmente detti "bancomat", sono le apparecchiature informatiche per le comuni operazioni omonime.
Anche se non compresi nell'elenco, gli attualicellulari, appena sopra il livello base, potrebbero anch'essi essere considerati computer dato che comprendono, in forma semplificata e minimale, le classiche funzioni e applicazioni da smartphone.
Si noti come queste categorie abbiano una valenza più che altro convenzionale, dal momento che le prestazioni di una "workstation" di cinque-dieci anni fa potrebbero risultare nettamente inferiori a quelle un PC odierno. È significativa in tal senso la celebre (e profetica)legge di Moore sullo sviluppo dei sistemi di elaborazione.
Una interessante possibilità è quella di riprodurre il funzionamento di altri sistemi operativi, o addirittura di macchine arcade, di telefoni cellulari o degli home computer (usando particolari software) direttamente sul PC o su altri dispositivi. Si veda la voceemulatore.
Più calcolatori possono essere collegati insieme in rete formando unarete di calcolatori sotto forma disistemi distribuiti per la condivisione di dati e delle risorse software e/o hardware come nel caso delcalcolo distribuito. Un esempio di rete di calcolatori sono lereti aziendali (Intranet) e la reteInternet. In particolare queste reti si suddividono in reticlient-server in cui esistono calcolatori che erogano servizi (server) a calcolatori o utenti che ne fanno richiesta (client) (ad es. le Reti Windows e le Reti Linux), oppurereti peer to peer che offrono un'architettura logica paritaria dove ciascun calcolatore può svolgere sia funzioni di server che funzioni di client. Anche i sistemi di tipomainframe formano unarete informatica tipicamente con risorse hardware centralizzate e condivise. I vantaggi di queste reti sono evidenti in termini di facilità ed efficienza di comunicazione e gestione delle informazioni all'interno delle organizzazioni o aziende private stesse. A livello logico tutti questi tipi di reti sono realizzate e si differenziano tra loro grazie a diversiprotocolli di comunicazione utilizzati e relativi software, che caratterizzano e rendono possibile quindi le funzionalità stesse di rete.[28]
Tra i vari filoni attivi di studio e di ricerca si distingue l'informatica quantistica, che prevede da tempo un'evoluzione/rivoluzione del computer classico basata sulle nozioni e sui fenomeni fisici offerti dallameccanica quantistica. Il dispositivo progettato seguendo questi criteri, viene comunemente chiamatocomputer quantistico.
↑A.M. Turing, "On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem", Proceedings of the London Mathematical Society, 1937, 2(42), pp. 230-265.
↑Nel caso di prodotti realizzati da un costruttore che realizza contemporaneamente l'hardware e il sistema operativo specifico, la cosa è praticamente impossibile: basti pensare ad Apple.
↑Esempi: nelcronotermostato di casa, in un impiantohome video, in un forno a microonde, nei distributoriself-service di ogni tipo (carburanti, bevande e spuntini, preservativi, ecc.) per non parlare delle cosiddettecentraline delle moderne automobili o veicoli in generale.
(EN) Paul A. Freiberger, Michael R. Swaine, William Morton Pottenger e David Hemmendinger,computer, suEnciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
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