Storia e Architettura dei Computer: Dalle Origini ai Sistemi Operativi Moderni

Introduzione all'Elaborazione dei Dati

Un insieme di input di dati, dopo essere stati elaborati dalla macchina, diventano dati di output.

Precursori delle Calcolatrici Moderne

I precursori delle attuali calcolatrici da scrivania includono le macchine di Pascal e Leibniz. Successivamente, Charles Babbage introdusse concetti analitici fondamentali, ideando una macchina capace di elaborazione informatica che incorporava:

• Input Device (Dispositivo di input)
• Dispositivo di output
• Memoria
• Unità di controllo
• Unità aritmetico-logica

Un altro passo avanti fu l'uso di schede perforate per contenere le informazioni delle persone intervistate, portando alla costruzione di una macchina tabulatrice in grado di leggere e catalogare le informazioni in tabelle.

I Computer dell'Era Elettronica

I principali computer che hanno segnato l'inizio dell'era elettronica sono:

• ENIAC: Utilizzava tubi a vuoto.
• EDVAC: Il primo computer in grado di memorizzare un programma.
• Univac I: Utilizzava il nastro magnetico come dispositivo di memorizzazione.
• Univac II: Includeva una memoria a nuclei di ferrite.

Generazioni di Computer

L'evoluzione tecnologica viene suddivisa in diverse generazioni:

• Prima Generazione: Basata sui tubi a vuoto. I computer avevano grandi dimensioni e la loro manutenzione era molto difficile.
• Seconda Generazione: Sostituzione del tubo a vuoto con il transistor. Si iniziarono a utilizzare linguaggi di alto livello come Cobol, Fortran e Algol.
• Terza Generazione: Basata sui circuiti integrati, il che ha permesso una significativa miniaturizzazione dei computer.
• Quarta Generazione: Composta da computer che integrano la CPU su un unico chip, chiamati microprocessori. Migliorarono le unità di archiviazione e iniziò l'uso dei dischetti.
• Quinta Generazione: Caratterizzata da architetture di elaborazione parallela e progetti che utilizzano circuiti speciali ad alta velocità.

Linguaggi di Programmazione

Esistono diverse tipologie di linguaggi per comunicare con l'hardware:

• Linguaggio Macchina: Composto da istruzioni codificate che un computer può interpretare ed eseguire direttamente (linguaggio di basso livello).
• Linguaggio di Alto Livello: È indipendente dall'architettura specifica del computer e offre migliori infrastrutture per il programmatore, facilitando la scrittura del codice.

La CPU e i suoi Componenti

La CPU (Central Processing Unit) è costituita da un circuito integrato che interpreta ed esegue le istruzioni dei programmi memorizzati. Gestisce i dati provenienti dalle unità di input, li elabora e li invia alle periferiche di uscita. I suoi componenti principali sono:

Unità di Controllo (UC)

Interpreta ed esegue le istruzioni macchina memorizzate nella memoria principale e genera i segnali di controllo necessari per la loro attuazione. Include:

• Decodificatore di istruzioni: Responsabile di estrarre e analizzare il codice delle istruzioni correnti.
• Orologio (Clock): Fornisce una successione di impulsi elettrici a intervalli costanti per sincronizzare le operazioni.
• Sequenziatore: Genera micro-ordini per l'esecuzione passo dopo passo delle istruzioni.

Unità Aritmetico-Logica (ALU)

Ottiene i dati su cui vengono eseguite operazioni aritmetiche e confronti logici, restituendo poi il risultato. Una parte fondamentale è l'Unità in Virgola Mobile (FPU), responsabile della gestione delle operazioni decimali complesse.

Registri

I registri immagazzinano dati temporanei. La dimensione del registro interno indica il numero di bit che il processore può gestire simultaneamente.

Categorie di Registri:

• Registri visibili all'utente: Utilizzati nel linguaggio assembly o macchina per ottimizzare le risorse. Si dividono in:
  • Registri di indirizzo: Contengono l'indirizzo di memoria dei dati.
  • Registri dati: Utilizzati per contenere dati di uso frequente.
  • Registri di condizione: Memorizzano l'esito dell'ultima operazione eseguita.
• Registri di controllo e di stato:
  • Contatore di programma (PC): Contiene l'indirizzo della prossima istruzione.
  • Registro istruzioni (IR): Contiene il codice dell'istruzione corrente.
  • Registro indirizzi di memoria (MAR): Contiene la posizione di memoria a cui accedere.
  • Registro di scambio (MBR/Swapping): Riceve o invia i dati verso la posizione di destinazione.

Bus e Memoria

Lo scambio di dati tra la CPU e le altre unità avviene tramite i Bus:

• Bus Dati: Una serie di linee (una per ogni bit) che trasmettono informazioni simultaneamente in parallelo.
• Bus Indirizzi: Utilizzato dalla CPU per selezionare l'indirizzo di memoria o il dispositivo di input/output specifico.

Memoria RAM

La RAM può memorizzare due tipi di informazioni: la sequenza di istruzioni del programma e i dati gestiti da tali istruzioni. Ogni cella contiene solitamente 8 bit (1 byte). È una memoria di tipo volatile.

Il Sistema Operativo

Il Sistema Operativo è un insieme di programmi che controllano il funzionamento dell'hardware, offrendo all'utente un'interfaccia semplice per accedere al computer. Coordina e definisce le priorità di tutti i processi e delle periferiche. Si compone principalmente di:

• Kernel (Nucleo): Gestisce le funzioni base.
• Interprete dei comandi (Shell): Permette l'interazione con l'utente.
• File System: Gestisce l'archiviazione e l'organizzazione dei dati.