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Computer... Come Funzionano?

Computer... come funzionano?

Anche se la tecnologia utilizzata nei computer digitali è cambiata radicalmente dai primi computer degli anni '40, molti usano ancora l'architettura di von Neumann proposta alla fine degli anni '40 da John von Neumann.

L'architettura di von Neumann descrive il computer con quattro sezioni principali:
L'unità logica e aritmetica (ULA), l'unità di controllo, la memoria e i dispositivi di input e output (I / O o I / O).
Queste parti sono interconnesse collegando il "bus del computer".

memoria

Memoria di un PC. In questo sistema, la memoria è una sequenza di celle numerate, ciascuna contenente una piccola quantità di informazioni.
Le informazioni possono essere un'istruzione per dire al computer cosa fare.
Le celle possono contenere anche dati necessari al computer per eseguire un'istruzione.
Qualsiasi cella può contenere istruzioni o dati, così che a un certo punto la memorizzazione dei dati può memorizzare le istruzioni in un altro momento.

In generale, il contenuto di una cella di memoria può essere modificato in qualsiasi momento: la memoria è una bozza approssimativa e non un blocco di pietra.

Le dimensioni di ogni cella e il numero di celle variano da computer a computer e le tecnologie utilizzate per implementare la memoria variano notevolmente.
Attualmente il più comune è l'implementazione nei circuiti integrati.

Memoria nel cyberspazio (nei cloud)

Le tecnologie di memoria utilizzano una varietà di materiali e processi. In informatica, si sono sempre evoluti verso una maggiore capacità di archiviazione, una maggiore miniaturizzazione, accesso e affidabilità più rapidi, mentre il loro costo è in costante calo.

Tuttavia, la memoria di un computer non è limitata alla sua memoria individuale e fisica, si presenta in un modo più ampio, senza un luogo definito (deterritorializzato). Abbiamo la possibilità di archiviare in diversi punti della rete, possiamo essere a Luanda e accedere ai file archiviati in siti Web in Brasile.

C'è una crescente tendenza a memorizzare le informazioni nella memoria dello spazio virtuale, o il cosiddetto cyberspazio, attraverso dischi virtuali, allegati di posta elettronica e così via. Così, testi, immagini, video, file audio, tra molti altri formati, diventano disponibili per l'accesso da qualsiasi computer connesso a Internet.

lavorazione

L'ULA è il dispositivo che esegue operazioni elementari (addizione, sottrazione e così via), operazioni logiche (AND, OR, NOT) e operazioni di confronto (ad esempio, confrontando due byte e dicendo se sono uguali). È in questa unità che viene fatto il "vero lavoro".

L'unità di controllo memorizza la posizione di memoria contenente l'istruzione corrente che il computer sta eseguendo, informando l'ULA quale operazione eseguire, recuperando le informazioni (memoria) che l'ULA deve eseguire e trasferendo il risultato a la posizione di memoria appropriata.
Una volta eseguita questa operazione, l'unità di controllo passa all'istruzione successiva (in genere situata nella posizione di memoria successiva (indirizzo di memoria), a meno che l'istruzione non sia un'istruzione di bypass che indica al computer che l'istruzione successiva si trova in un'altra posizione).

Input e Output

I / O consente al computer di ottenere informazioni dal mondo esterno e invia i risultati del lavoro al mondo esterno. Esistono una miriade di tipi di dispositivi I / O, da tastiere familiari, monitor e unità floppy, a quelli meno comuni come webcam e schede di acquisizione video (dispositivi che catturano sequenze video o frame video e li memorizzano sul computer ).

Ciò che tutti i dispositivi di input hanno in comune è che hanno bisogno di codificare (convertire) informazioni di qualche tipo in dati che possono essere elaborati dal sistema digitale del computer. I dispositivi di output, d'altra parte, decodificano i dati in informazioni che sono comprese dall'utente del computer. In questo senso, un sistema di computer digitale è un esempio di un sistema di elaborazione dati.

Possiamo avere dispositivi che funzionano sia per l'input che per l'output, il modem, l'unità CD o il dischetto, le porte USB, tra gli altri, sono esempi di questi dispositivi.

indicazioni

Le istruzioni discusse sopra non sono un ricco insieme di istruzioni come il linguaggio umano.
Il computer ha solo un numero limitato di istruzioni ben definite.

Un esempio tipico di un'istruzione sulla maggior parte dei computer è "copia il contenuto della posizione di memoria 123 nella posizione di memoria 456," "aggiungi il contenuto della posizione di memoria 510 al contenuto della posizione 511 e metti il ​​risultato nella posizione 507 "E" se il contenuto della posizione 012 è uguale a 0, l'istruzione successiva è in posizione 678 ".

Le istruzioni sono rappresentate sul computer come numeri: il codice per "copiare" potrebbe essere 007, ad esempio. Il particolare insieme di istruzioni che un computer possiede è noto come la lingua del computer del computer.

In pratica, le persone non scrivono istruzioni direttamente nel linguaggio macchina, ma in un linguaggio di programmazione, che viene successivamente tradotto in linguaggio macchina attraverso programmi speciali (interpreti e compilatori).

Alcuni linguaggi di programmazione sono molto vicini al linguaggio macchina, come l'assemblatore (linguaggio di basso livello); d'altra parte, le lingue come Prolog sono basate su principi astratti e sono molto distanti dai dettagli del funzionamento della macchina (linguaggi di alto livello).

Architettura del computer

Nei computer moderni, l'ULA e l'unità di controllo si trovano in un unico circuito integrato noto come CPU (Central Processing Unit). In genere, la memoria del computer si trova su alcuni circuiti integrati vicino alla CPU. La maggior parte della massa di un computer è dovuta a sistemi ausiliari (ad esempio alimentazione) o dispositivi I / O.

Alcuni computer più grandi differiscono dal modello precedente in un aspetto principale: hanno più CPU che lavorano simultaneamente. Inoltre, pochi computer, utilizzati principalmente per la ricerca e il calcolo scientifico, presentano differenze significative rispetto al modello precedente, ma non hanno una grande applicazione commerciale.

Il funzionamento del computer segue sostanzialmente le regole stabilite. Il computer recupera istruzioni e dati dalla memoria, le istruzioni vengono eseguite, i risultati vengono archiviati e viene recuperata l'istruzione successiva.
Questo processo viene ripetuto fino a quando il computer non viene spento.

Programmi per computer

I programmi sono semplicemente grandi elenchi di istruzioni per l'esecuzione del computer, magari con tabelle di dati. Molti programmi per computer contengono milioni di istruzioni e molte di queste istruzioni vengono eseguite ripetutamente.

Un tipico personal computer (nell'anno 2003) potrebbe eseguire circa 2-3 miliardi di istruzioni al secondo.
I computer non hanno la loro straordinaria capacità a causa di un complesso insieme di istruzioni.

Sebbene ci siano differenze di progettazione con le CPU con istruzioni sempre più complesse, i computer eseguono milioni di semplici istruzioni combinate scritte da buoni "programmatori".

Queste istruzioni combinate vengono scritte per eseguire attività comuni, come disegnare un punto sullo schermo.
Queste istruzioni possono quindi essere utilizzate da altri programmatori.

Oggigiorno, molti computer sembrano eseguire più programmi contemporaneamente. Questo è comunemente noto come multi-tasking.

In realtà, la CPU esegue le istruzioni di un programma per un breve periodo di tempo, quindi passa a un altro programma ed esegue alcune delle sue istruzioni.
Ciò crea l'illusione che più programmi vengano eseguiti contemporaneamente condividendo il tempo della CPU tra i programmi.
Questa condivisione di tempo è normalmente controllata dal sistema operativo.

Sistema operativo

Un computer ha sempre bisogno di almeno un programma in esecuzione per tutto il tempo di operare. In genere questo programma è il sistema operativo (o il sistema operativo). Il sistema operativo determina quali programmi eseguire, quando e quali risorse (come memoria e I / O) può utilizzare.
Ad esempio, il sistema operativo che al momento rimane il più utilizzato dal mondo è Windows.

Il sistema operativo fornisce anche un livello di astrazione sull'hardware e dà accesso agli altri programmi che forniscono servizi, come i programmi di gestione periferiche ("driver") che consentono ai programmatori di scrivere programmi su macchine diverse senza la necessità di conoscere le specificità di tutti dispositivi di ciascuno di essi.

Alcuni esempi di software del sistema operativo:

Windows - Linux - Unix - Mac OS - OS / 2 - BeOS

Computer... come funzionano?: funzionano

Editoriale Video: Come funzionano i computer - Introduzione


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