Architettura dei Sistemi Informatici: Componenti Hardware, Software e Gestione dei Processi

Introduzione ai Sistemi Informatici

Definizioni Fondamentali

Applicazione (Software Applicativo): Consiste in un insieme di programmi e documentazione necessari per il completamento di un lavoro particolare.

Software di Base (Sistema Operativo): Il sistema operativo è il componente software di un sistema informatico in grado di gestire i programmi e di elaborare le informazioni sui componenti elettronici di un computer o sistema informatico.

Sistema Computer: Utilizzato per denominare l'insieme di elementi (computer, monitor, tastiere, ecc.) necessari per eseguire le operazioni delle applicazioni informatiche (es. l'infrastruttura informatica di un'azienda).

Componenti della Unità Centrale (CPU)

Gli elementi che compongono l'unità centrale sono i seguenti:

• Registro Indirizzi: Contiene l'indirizzo della cella o posizione di memoria a cui si desidera accedere.
• Registro Dati/Scambio: Utilizzato per ottenere i dati in lettura e memorizzare i dati in scrittura durante le operazioni.
• Selettore di Memoria: Questo segnale viene generato ogni volta che si deve leggere o scrivere, collegando la cella di memoria o la posizione con il registro di scambio.
• Controllo: Indica se l'operazione in corso è di lettura o di scrittura.

Gestione della Memoria

Memoria RAM Estesa (Condivisa)

Allo stato attuale, è comune vedere PC con scheda grafica integrata sulla scheda madre. Invece di avere una propria banca di memoria dedicata, viene assegnata una parte dei banchi di memoria RAM del processore (memoria condivisa).

Memoria ROM (Read-Only Memory)

La ROM è una memoria a sola lettura. Il contenuto di questa memoria non può essere modificato, se non in casi specifici.

Tipi di Memoria ROM e Modifiche

Solo alcune memorie possono essere chiamate EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory), ma la modifica è limitata alle seguenti operazioni:

1. Cambio della scheda di sistema.
2. Aggiornamento del firmware di sistema (BIOS/UEFI).
3. Modifica del tipo di disco rigido installato.
4. Impostazione e installazione delle periferiche.

Tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

La tecnologia CMOS memorizza le impostazioni logiche per l'inizializzazione e il successivo uso del computer.

Il CMOS è un tipo di memoria del computer caratterizzata da un consumo di potenza molto ridotto, che la rende ideale per memorizzare i dati del BIOS. Sebbene sia una memoria di sola lettura pre-configurata dalla fabbrica, ed è montata su EPROM, è modificabile. Le informazioni lette dal BIOS vengono caricate nel CMOS per iniziare a utilizzare il computer.

Questa memoria non è volatile, poiché i computer moderni incorporano una batteria che la mantiene alimentata. Questa batteria si ricarica mentre il computer è collegato alla rete. Se il computer rimane spento per un lungo periodo, la batteria si scarica e il CMOS perde tutte le informazioni memorizzate.

Tipi di Bus di Sistema

I bus sono canali di comunicazione utilizzati per il trasferimento di dati tra i componenti del sistema:

• Bus Dati e Istruzioni: Utilizzato per la ricezione dei dati che si depositano nella memoria interna (RAM) e per analizzare le istruzioni che il programma deve eseguire. Trasmette i dati in parallelo.
• Bus Indirizzi: Identifica il dispositivo con cui la CPU (Unità Centrale di Elaborazione) vuole comunicare, specificando la posizione di memoria a cui accedere o il deposito per un dato.
• Bus di Controllo: Organizza e gestisce il flusso di informazioni che devono essere trasmesse attraverso gli altri bus.

Classificazione del Software

Software di Base e Sistema Operativo

• Software di Base: Si compone di un insieme di programmi necessari per far funzionare la macchina. Questi programmi costituiscono il sistema operativo.
• Sistema Operativo (SO): Software che controlla il funzionamento dell'hardware, astrae i dettagli dell'hardware e facilita l'uso del computer. Prende il controllo di diverse attività.

Caratteristiche del Software di Controllo (SO)

Il software di controllo ha il compito di gestire l'hardware in tutti i suoi aspetti. La sua funzione è quella di supportare i seguenti compiti tipici:

1. Gestione delle informazioni.
2. Gestione della memoria.
3. Gestione Input/Output.
4. Gestione del processore.

Programmi di Utilità del Sistema Operativo

Esempi di utilità di base:

• Copia file.
• Formattazione.
• Eliminazione file.

Software Applicativo

Il Software Applicativo è un insieme di programmi progettati affinché il computer esegua un lavoro specifico. Questo gruppo include programmi per l'elaborazione di testo, fogli elettronici, presentazioni o software di database. Fanno parte del software applicativo anche i programmi sviluppati per un compito particolare (es. buste paga, fatturazione, ecc.).

Componenti Umani del Sistema Informatico (Personale)

I ruoli chiave nel personale di un sistema informatico includono:

• Personale Dirigente: Responsabile della direzione e del coordinamento di un dipartimento, di un centro di elaborazione dati o di una divisione.
• Personale di Analisi (Analista): Responsabile dello sviluppo delle applicazioni in termini di progettazione e realizzazione di algoritmi, e dell'analisi dei possibili usi e modifiche.
• Personale di Programmazione (Programmatore): Responsabile della trascrizione degli algoritmi progettati dall'analista in un particolare linguaggio di programmazione. Si occupa anche della messa a punto dei programmi e della creazione di kit di test.
• Personale di Sviluppo e Operazioni: Si occupa dell'implementazione dei programmi e delle applicazioni.

Classificazione dei Livelli (Strati) di un Sistema Operativo

I sistemi operativi sono spesso strutturati in livelli gerarchici:

• Livello Utente (Layer 3): Responsabile del controllo a livello di processi utente, mostrando all'utente il processo in esecuzione o da eseguire.
• Livello Supervisore (Layer 2): Responsabile dell'esecuzione di ogni processo di comunicazione tra il sistema e l'utente. Gestisce, controlla e coordina l'input/output dei diversi processi per le periferiche e i dispositivi di archiviazione esterni.
• Livello Esecutivo (Layer 1): A questo livello si compie la gestione della memoria e dello storage. Memorizza i processi in pagine (segmentazione, paginazione, ecc.) sia nella memoria principale che su disco.
• Nucleo (Core/Kernel) (Layer 0): È il livello monitorato dalla CPU. Gestisce l'accesso ai processi del computer che devono essere eseguiti. È fondamentale nei sistemi operativi multi-utente. Questo livello è responsabile delle attività di base del sistema, come la comunicazione con l'hardware e la pianificazione dei processi.

Gestione della Memoria e dei Processi

Gestione della Memoria

Il sistema che gestisce la memoria è il gestore della memoria. Il suo ruolo è chiaro: tenere un registro delle parti di memoria in uso e dello spazio di memoria non riservato, allocare spazio per nuovi processi e liberare lo spazio dei processi che sono terminati. Gestisce anche lo scambio di dati tra memoria e disco, specialmente quando i processi sono troppo grandi per risiedere interamente in memoria.

Gestione dei Processi

Un processo o attività può essere definito come un programma in esecuzione. I processi in un sistema operativo sono caratterizzati come segue:

• Per avviare l'esecuzione, un processo deve trovarsi interamente in memoria e disporre di tutte le risorse assegnate di cui necessita.
• Ogni processo è protetto dagli altri processi, e gli altri processi non possono scrivere nelle aree di memoria appartenenti ad altri processi.
• I processi possono corrispondere all'utente; in tal caso, questi processi vengono eseguiti dal processore in modalità utente (con restrizioni di accesso alle risorse hardware).
• Se i processi vengono eseguiti al di fuori del sistema, sono in modalità kernel o modalità privilegiata del processore (possono accedere a qualsiasi risorsa).
• Ogni processo avrà una struttura di dati (BCP - Blocco di Controllo del Processo) che memorizza le informazioni sul processo.
• I processi possono comunicare, sincronizzare e collaborare tra loro.

Sistemi di Numerazione