Pedeorelha | Come funzionano i PC

Gyles Lewis
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La maggior parte di noi usa un computer ogni singolo giorno, ma poche persone conoscono il funzionamento interno di questa parte vitale della nostra vita. © iStockphoto.com / spxChrome

La parola computer si riferisce a un oggetto che può accettare un input e produrre un output. In effetti, il cervello umano stesso è un computer sofisticato e gli scienziati stanno imparando di più su come funziona ogni anno che passa. Il nostro uso più comune della parola computer, tuttavia, è per descrivere un dispositivo elettronico contenente un microprocessore.

Un microprocessore è un piccolo dispositivo elettronico in grado di eseguire calcoli complessi in un batter d'occhio. Puoi trovare microprocessori in molti dispositivi che usi ogni giorno, come automobili, frigoriferi e televisori. Il dispositivo più riconosciuto con un microprocessore è il personal computer o PC. In effetti, il concetto di computer è diventato quasi sinonimo del termine PC.

Quando ascolti il PC, probabilmente immagini un dispositivo chiuso con uno schermo video collegato, una tastiera e un qualche tipo di dispositivo di puntamento, come un mouse o un touchpad. Potresti anche immaginare diverse forme di PC, come computer desktop, tower e laptop. Il termine PC è stato associato a determinati marchi, come processori Intel o sistemi operativi Microsoft. In questo articolo, però, definiamo un PC come un dispositivo informatico più generale con queste caratteristiche:

progettato per essere utilizzato da una persona alla volta
esegue un sistema operativo per interfacciarsi tra l'utente e il microprocessore
ha alcuni componenti interni comuni descritti in questo articolo, come CPU e RAM
esegue applicazioni software progettate per attività lavorative o ludiche specifiche
consente di aggiungere e rimuovere hardware o software secondo necessità

I PC fanno risalire la loro storia agli anni '70, quando un uomo di nome Ed Roberts iniziò a vendere kit per computer basati su un chip a microprocessore progettato da Intel. Roberts ha chiamato il suo computer Altair 8800 e ha venduto i kit non assemblati per $ 395. Popular Electronics ha pubblicato una storia sul kit nel numero di gennaio 1975 e, con sorpresa di quasi tutti, i kit sono diventati un successo immediato. Inizia così l'era del personal computer [fonti: Cerruzi, Lasar].

Mentre l'Altair 8800 è stato il primo vero personal computer, è stato il rilascio dell'Apple II un paio d'anni dopo che ha segnato l'inizio del PC come un ricercato elettrodomestico. L'Apple II, degli inventori Steve Jobs e Steve Wozniak, ha dimostrato che c'era una richiesta di computer nelle case e nelle scuole. Subito dopo, aziende di computer di lunga data come IBM e Texas Instruments sono entrate nel mercato dei PC e nuovi marchi come Commodore e Atari sono entrati in gioco.

In questo articolo, guarderemo all'interno del PC per scoprire le sue parti e cosa fanno. Verificheremo anche il software di base utilizzato per avviare ed eseguire un PC. Quindi, tratteremo i PC portatili ed esamineremo il futuro della tecnologia dei PC.

Contenuti

Componenti principali del PC
Porte, periferiche e slot di espansione
Accensione di un PC
Sistemi operativi per PC
Il futuro dei PC
Computer personale portatile

Per vedere come funziona un PC, iniziamo con i pezzi che si uniscono per comporre la macchina. Di seguito sono riportati i componenti comuni ai PC nell'ordine in cui sono generalmente assemblati:

Astuccio -- Se utilizzi un laptop, il case del computer include tastiera e schermo. Per i PC desktop, il case è in genere un tipo di scatola con luci, prese d'aria e punti per il collegamento dei cavi. Le dimensioni del case possono variare da piccole unità da tavolo a torri alte. Un case più grande non implica sempre un computer più potente; è cosa c'è dentro che conta. I costruttori di PC progettano o selezionano un case in base al tipo di scheda madre che dovrebbe adattarsi all'interno.

motherboard -- Il circuito principale all'interno del PC è la sua scheda madre. Tutti i componenti, dentro e fuori, si collegano in qualche modo attraverso la scheda madre. Gli altri componenti elencati in questa pagina sono rimovibili e, quindi, sostituibili senza sostituire la scheda madre. Diversi componenti importanti, tuttavia, sono collegati direttamente alla scheda madre. Questi includono il semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS), che memorizza alcune informazioni, come l'orologio di sistema, quando il computer è spento. Le schede madri sono disponibili in diverse dimensioni e standard, i più comuni al momento della stesura di questo articolo sono ATX e MicroATX. Da lì, le schede madri variano in base al tipo di componenti rimovibili che sono progettate per gestire internamente e alle porte disponibili per il collegamento di dispositivi esterni.

Alimentazione elettrica -- A parte il suo CMOS, che è alimentato da una batteria CMOS sostituibile sulla scheda madre, ogni componente del tuo PC fa affidamento sul suo alimentatore. L'alimentatore si collega a qualche tipo di fonte di alimentazione, che si tratti di una batteria nel caso dei computer portatili o di una presa di corrente nel caso dei PC desktop. In un PC desktop, è possibile vedere l'alimentatore montato all'interno del case con una connessione del cavo di alimentazione all'esterno e una manciata di cavi collegati all'interno. Alcuni di questi cavi si collegano direttamente alla scheda madre mentre altri si collegano ad altri componenti come unità e ventole.

Unità centrale di elaborazione (CPU) -- La CPU, spesso chiamata solo processore, è il componente che contiene il microprocessore. Quel microprocessore è il cuore di tutte le operazioni del PC e le prestazioni dell'hardware e del software dipendono dalle prestazioni del processore. Intel e AMD sono i maggiori produttori di CPU per PC, anche se sul mercato ne troverai anche altri. Le due architetture CPU comuni sono a 32 bit e 64 bit e scoprirai che alcuni software si basano su questa distinzione di architettura.

Memoria ad accesso casuale (RAM) -- Anche il processore più veloce ha bisogno di un buffer per memorizzare le informazioni durante l'elaborazione. La RAM sta alla CPU come un piano di lavoro sta a un cuoco: serve come il luogo in cui gli ingredienti e gli strumenti con cui stai lavorando attendono fino a quando non devi raccoglierli e usarli. Per un PC veloce sono necessarie sia una CPU veloce che un'ampia quantità di RAM. Ogni PC ha una quantità massima di RAM che può gestire e gli slot sulla scheda madre indicano il tipo di RAM richiesto dal PC.

Azionamenti -- Un'unità è un dispositivo destinato a memorizzare i dati quando non è in uso. Un disco rigido o un'unità a stato solido memorizza il sistema operativo e il software di un PC, che esamineremo più da vicino in seguito. Questa categoria include anche le unità ottiche come quelle utilizzate per la lettura e la scrittura di supporti CD, DVD e Blu-ray. Un'unità si collega alla scheda madre in base al tipo di tecnologia del controller di unità che utilizza, inclusi il vecchio standard IDE e il nuovo standard SATA.

Dispositivi di raffreddamento -- Più il tuo computer elabora, più calore genera. La CPU e altri componenti possono gestire una certa quantità di calore. Tuttavia, se un PC non viene raffreddato correttamente, può surriscaldarsi, causando costosi danni ai suoi componenti e circuiti. Le ventole sono il dispositivo più comune utilizzato per raffreddare un PC. Inoltre, la CPU è coperta da un blocco metallico chiamato dissipatore di calore, che allontana il calore dalla CPU. Alcuni utenti seri di computer, come i giocatori, a volte hanno soluzioni di gestione del calore più costose, come un sistema raffreddato ad acqua, progettato per far fronte a richieste di raffreddamento più intense.

Cavi -- Tutti i componenti che abbiamo menzionato finora sono collegati da una combinazione di cavi. Questi cavi sono progettati per trasportare dati, alimentazione o entrambi. I PC dovrebbero essere costruiti in modo che i cavi si pieghino ordinatamente all'interno del case e non blocchino il flusso d'aria in esso.

Un PC è in genere molto più di questi componenti principali. Successivamente, esamineremo le porte e le periferiche che ti consentono di interagire con il computer e come aggiungere ancora più componenti utilizzando gli slot di espansione.

Idealmente, il tuo computer avrà abbastanza porte da non dover mettere insieme tutti i tuoi accessori. Se ti trovi in un pasticcio come questo, considera se hai bisogno o meno di tutte quelle periferiche. © iStockphoto.com / andres balcazar

I componenti principali che abbiamo esaminato finora costituiscono la potenza di elaborazione centrale di un PC. Tuttavia, un PC necessita di componenti aggiuntivi per interagire con utenti umani e altri computer. Le seguenti sono le parti del PC che fanno sì che ciò accada:

Componenti grafici -- Mentre alcune schede madri hanno una grafica integrata, altre includono quello che viene chiamato uno slot di espansione, in cui è possibile inserire una scheda video separata. In entrambi i casi, i componenti video di un PC elaborano alcuni dei dati grafici complessi che arrivano sullo schermo, sollevando parte del carico dalla CPU. Una scheda madre accetta schede video basate su un'interfaccia specifica, come il vecchio standard AGP o uno dei più recenti standard PCI.

Porti -- La parola porta viene spesso utilizzata per descrivere un punto all'esterno del PC in cui è possibile collegare un cavo. Descrivi una porta in base al suo utilizzo, come una porta USB o una porta Ethernet. (Notare che la parola porta è usata anche per descrivere una connessione software quando due componenti hardware tentano di comunicare.) Molte porte sono fissate direttamente alla scheda madre. Alcune delle porte che troverai su un PC includono quanto segue:

Porte USB
porte di rete, tipicamente Ethernet e FireWire
porte video, tipicamente una combinazione di VGA, DVI, RCA / component, S-Video e HDMI
porte audio, in genere una combinazione di mini jack audio analogici o RCA
porte legacy, o porte che seguono i vecchi standard che sono usati raramente nei computer moderni, come le porte parallele della stampante e le porte PS2 per una tastiera e un mouse

Periferiche -- Qualsiasi componente hardware che non è montato all'interno del case di un PC è chiamato periferica. Ciò include i dispositivi di input e output di base: monitor, tastiere e mouse. Include anche stampanti, altoparlanti, cuffie, microfoni, webcam e unità flash USB. Tutto ciò che puoi collegare a una porta del PC è una delle periferiche del PC. Le periferiche essenziali (come i monitor) non sono necessarie sui laptop, che invece le hanno integrate.

Slot di espansione -- A volte, ti consigliamo di aggiungere componenti a un PC che non dispone di uno slot designato da qualche parte sulla scheda madre. Ecco perché la scheda madre includerà una serie di slot di espansione. I componenti rimovibili progettati per adattarsi agli slot di espansione sono chiamati schede, probabilmente a causa della loro struttura piatta e simile a una scheda. Utilizzando gli slot di espansione, è possibile aggiungere schede video aggiuntive, schede di rete, porte della stampante, ricevitori TV e molte altre aggiunte personalizzate. La scheda deve corrispondere al tipo di slot di espansione, che si tratti del tipo legacy ISA / EISA o dei più comuni tipi PCI, PCI-X o PCI Express.

Ora che abbiamo esaminato le parti di un PC, premiamo il pulsante di accensione e vediamo cosa lo fa avviare.

Quando si accende per la prima volta un PC, la macchina esegue diversi processi interni prima di essere pronta per l'uso. Questo è chiamato processo di avvio o avvio del PC. Boot è l'abbreviazione di bootstrap, un riferimento al vecchio adagio, "Tirati su dai bootstraps", che significa iniziare qualcosa dall'inizio. Il processo di avvio è controllato dal BIOS (Basic Input-Output System) del PC.

Il BIOS è un software memorizzato su un chip di memoria flash. In un PC, il BIOS è incorporato nella scheda madre. Di tanto in tanto, un produttore di PC rilascerà un aggiornamento per il BIOS e puoi seguire attentamente le istruzioni per "eseguire il flashing del BIOS" con il software aggiornato.

Oltre a controllare il processo di avvio, il BIOS fornisce un'interfaccia di configurazione di base per i componenti hardware del PC. In quell'interfaccia, è possibile configurare cose come l'ordine di lettura delle unità durante l'avvio e la velocità di esecuzione del processore. Controlla la documentazione del tuo PC per scoprire come accedere alla sua interfaccia BIOS. Queste informazioni vengono spesso visualizzate anche quando si avvia per la prima volta il computer, con un messaggio del tipo "Premere CANC per accedere al menu di configurazione".

Di seguito è riportato un riepilogo del processo di avvio in un PC:

Il pulsante di accensione attiva l'alimentatore nel PC, inviando alimentazione alla scheda madre e ad altri componenti.
Il PC esegue un POST (power-on self-test). Il POST è un piccolo programma per computer all'interno del BIOS che verifica la presenza di guasti hardware. Un singolo segnale acustico dopo il POST segnala che è tutto a posto. Altre sequenze di segnali acustici segnalano un errore hardware e gli specialisti della riparazione del PC confrontano queste sequenze con un grafico per determinare quale componente ha avuto esito negativo.
Il PC visualizza le informazioni sul monitor collegato che mostra i dettagli sul processo di avvio. Questi includono il produttore e la revisione del BIOS, le specifiche del processore, la quantità di RAM installata e le unità rilevate. Molti PC hanno sostituito la visualizzazione di queste informazioni con una schermata iniziale che mostra il logo del produttore. Puoi disattivare la schermata iniziale nelle impostazioni del BIOS se preferisci vedere il testo.
Il BIOS tenta di accedere al primo settore dell'unità designato come disco di avvio. Il primo settore sono i primi kilobyte del disco in sequenza, se l'unità viene letta in sequenza a partire dal primo indirizzo di archiviazione disponibile. Il disco di avvio è in genere lo stesso disco rigido o unità SSD che contiene il sistema operativo. È possibile modificare il disco di avvio configurando il BIOS o interrompendo il processo di avvio con una sequenza di tasti (spesso indicata nelle schermate di avvio).
Il BIOS conferma che c'è un bootstrap loader, o boot loader, in quel primo settore del disco di avvio e carica quel boot loader nella memoria (RAM). Il boot loader è un piccolo programma progettato per trovare e avviare il sistema operativo del PC.
Una volta che il boot loader è in memoria, il BIOS passa il suo lavoro al boot loader, che a sua volta inizia a caricare il sistema operativo in memoria.
Quando il boot loader termina il suo compito, trasferisce il controllo del PC al sistema operativo. Quindi, il sistema operativo è pronto per l'interazione dell'utente.

Ora che siamo tutti accesi, qual è il prossimo? Molto del modo in cui funzionano i PC dipende dal sistema operativo utilizzato. Nella sezione successiva, esaminiamo come funzionano i sistemi operativi su un PC.

Microsoft Windows continua ad essere il sistema operativo più popolare al mondo. © iStockphoto.com / Tuomas Kujansuu

Dopo l'avvio di un PC, puoi controllarlo tramite un sistema operativo, o OS in breve. Al momento della stesura di questo documento, la maggior parte dei PC non Apple esegue una versione di Microsoft Windows o una distribuzione Linux. Questi sistemi operativi sono progettati per funzionare su vari tipi di hardware per PC, mentre Mac OS X è progettato principalmente per hardware Apple.

Un sistema operativo è responsabile di diverse attività. Queste attività rientrano nelle seguenti categorie generali:

Gestione del processore -- suddivide il lavoro del processore in blocchi gestibili e assegna loro la priorità prima di inviarli alla CPU.
Gestione della memoria -- coordina il flusso di dati in entrata e in uscita dalla RAM e determina quando utilizzare la memoria virtuale sul disco rigido per integrare una quantità insufficiente di RAM.
Gestione dei dispositivi -- fornisce un'interfaccia basata su software tra i componenti interni del computer e ogni dispositivo collegato al computer. Gli esempi includono l'interpretazione dell'input da tastiera o mouse o la regolazione dei dati grafici alla giusta risoluzione dello schermo. Anche le interfacce di rete, inclusa la gestione della connessione Internet, rientrano nel bucket di gestione dei dispositivi.
Gestione dello spazio di archiviazione -- indica dove i dati devono essere archiviati in modo permanente su dischi rigidi, unità a stato solido, unità USB e altre forme di archiviazione. Ad esempio, le attività di gestione dell'archiviazione aiutano durante la creazione, la lettura, la modifica, lo spostamento, la copia e l'eliminazione dei documenti.
Interfaccia dell'applicazione -- fornisce lo scambio di dati tra i programmi software e il PC. Un'applicazione deve essere programmata per funzionare con l'interfaccia dell'applicazione per il sistema operativo in uso. Le applicazioni sono spesso progettate anche per versioni specifiche di un sistema operativo. Lo vedrai nei requisiti dell'applicazione con frasi come "Windows Vista o versioni successive" o "funziona solo su sistemi operativi a 64 bit".
Interfaccia utente (UI) - fornisce un modo per interagire con il computer.

Da lì, prendi nota per vedere il nostro articolo Come funzionano i sistemi operativi per maggiori dettagli su come funziona un sistema operativo su un PC. Inoltre, controlla quando vuoi sapere come funzionano applicazioni e dispositivi specifici sul tuo PC.

Ora diamo un'occhiata al futuro dei PC in generale e al modo in cui i produttori di PC hanno vinto le sfide di portabilità del mobile computing.

Da quando il primo PC è arrivato sul mercato, i modelli più recenti e migliori hanno reso obsoleti i modelli più vecchi entro pochi mesi dalla produzione. Le tecnologie di unità come SATA hanno sostituito IDE e gli slot di espansione PCI hanno sostituito ISA ed EISA. L'indicatore più importante per il progresso tecnologico in un PC, tuttavia, è la sua CPU e il microprocessore all'interno di quella CPU.

I microprocessori al silicio sono stati il cuore del mondo informatico sin dagli anni '50. Durante quel periodo, i produttori di microprocessori hanno riempito più transistor e miglioramenti sui microprocessori. Nel 1965, il fondatore di Intel Gordon Moore predisse che i microprocessori sarebbero raddoppiati in complessità ogni due anni. Da allora, quella complessità è raddoppiata ogni 18 mesi e gli esperti del settore hanno soprannominato la previsione Legge di Moore. Molti esperti hanno previsto che la legge di Moore raggiungerà presto la fine a causa dei limiti fisici dei microprocessori al silicio [fonte: PBS].

Al momento della stesura di questo documento, tuttavia, le capacità dei transistor dei processori continuano ad aumentare. Questo perché i produttori di chip trovano costantemente nuovi modi per incidere i transistor sul silicio. I minuscoli transistor vengono ora misurati in nanometri, ovvero un miliardesimo di metro. Gli stessi atomi misurano circa 0,5 nm ei processi di produzione più attuali per i microprocessori possono produrre transistor che misurano 45 nm o 32 nm. Più piccolo è il numero, più transistor si adatteranno a un chip e, quindi, maggiore sarà la potenza di elaborazione di cui è capace il chip. A partire da maggio 2011, Intel stava lavorando a un processo di produzione a 22 nm, nome in codice Ivy Bridge, che utilizza transistor con un design a risparmio energetico chiamato Tri-Gate [fonti: BBC, Intel].

Allora cosa succede quando raggiungiamo la fine della Legge di Moore? Un nuovo mezzo di elaborazione dei dati potrebbe garantire che il progresso continui. I potenziali successori sono quelli che dimostrano di essere un mezzo più potente per eseguire le funzioni computazionali di base di un processore. I microprocessori al silicio si affidano al tradizionale transistor a due stati da oltre 50 anni, ma invenzioni come i computer quantistici stanno cambiando il gioco.

I computer quantistici non sono limitati ai due stati di 1 o 0. Codificano le informazioni come bit quantistici o qubit. Un qubit può essere un 1 o uno 0, oppure può esistere in una sovrapposizione che è simultaneamente 1 e 0 o da qualche parte nel mezzo. I Qubit rappresentano gli atomi che lavorano insieme per servire sia come memoria del computer che come microprocessore. Poiché un computer quantistico può contenere questi più stati contemporaneamente, ha il potenziale per essere milioni di volte più potente dei supercomputer più potenti di oggi. La tecnologia del calcolo quantistico è ancora nelle sue fasi iniziali, ma gli scienziati stanno già dimostrando il concetto con risultati reali e misurabili. Assicurati di controllare come funzionano i computer quantistici per ulteriori informazioni su questa straordinaria svolta.

Il tempo dirà se la potenza dei computer quantistici arriverà mai al PC medio. Nel frattempo, puoi ancora portare con te molta potenza di elaborazione grazie ai PC portatili, che vedremo in seguito.

I dispositivi di elaborazione mobile continueranno a diventare sempre più importanti nel mercato dei PC. © iStockphoto.com / Oleksiy Mark

Anche prima del PC, i produttori di computer stavano concettualizzando computer portatili. È stato il convertibile PC IBM da 12 libbre che ha portato in produzione il concetto di laptop nel 1986. Da allora, i computer portatili sono diventati più piccoli e leggeri e la loro potenza di elaborazione è migliorata insieme ai PC desktop [fonte: IBM].

Oggi, l'industria dei computer riconosce altre classi di computer portatili. Una classe, il notebook, è diventata quasi sinonimo di laptop. Il termine era originariamente utilizzato per indicare un cugino più piccolo e più leggero del laptop. Un'altra classe, il netbook, è ancora più piccola dei notebook, pur essendo più economica e meno potente. La classificazione prende probabilmente il nome dal suo pubblico di destinazione: coloro che desiderano un'interfaccia molto semplice per l'utilizzo di Internet.

Il mobile computing va ben oltre i notebook e i netbook. Molti smartphone e tablet hanno la stessa potenza di elaborazione dei notebook, racchiusi in pacchetti più piccoli. Le differenze principali includono una dimensione e una risoluzione dello schermo più piccole, meno porte esterne, capacità del telefono cellulare e tecnologia touch-screen, in aggiunta o al posto di una tastiera.

Sul lato software, anche i sistemi operativi per PC stanno migliorando la portabilità. Ad esempio, Google Chrome OS riduce al minimo la necessità di spazio sul disco rigido basandosi sull'accesso alle applicazioni Web e all'archiviazione cloud. Ciò significa che un netbook limitato a un'unità a stato solido da 64 GB ha il potenziale per essere utile quanto un laptop con un'unità disco da 500 GB. Naturalmente, le applicazioni di grandi dimensioni che non sono abilitate per il Web sono l'eccezione a questo vantaggio di risparmio di spazio.

In questo articolo, abbiamo esaminato come funziona un PC e dove sta andando la tecnologia del PC. Una cosa è certa: il PC si evolverà. Diventerà più veloce. Avrà più capacità. E continuerà a essere parte integrante delle nostre vite.

Per molto altro sui personal computer, fare clic sulla pagina successiva.

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Archivi IBM: IBM Personal Computer
Microsoft: una storia di Windows

fonti

Notizie della BBC. "Intel presenta il processore Ivy Bridge 3D da 22 nm". BBC. 4 maggio 2011 (1 novembre 2011) http://www.bbc.co.uk/news/technology-13283882
Ceruzzi, Paul E. "A History of Modern Computing, 2nd Edition". Istituto di Tecnologia del Massachussetts. 2003.
Lenovo. "Storia dell'azienda." (1 novembre 2011) http://www.lenovo.com/lenovo/us/en/history.html
Intel. "Dalla sabbia al silicio: la realizzazione di un chip: tecnologia di processo a 32 nm". Intel Corporation. (1 novembre 2011) http://www.intel.com/pressroom/kits/chipmaking/index.htm
Lasar, Matteo. "Chi ha inventato il personal computer? (Suggerimento: non IBM)." Ars Technica. Condé Nast Digital. Giugno 2011. (31 ottobre 2011) http://arstechnica.com/tech-policy/news/2011/06/did-ibm-invent-the-personal-computer-answer-no.ars
PBS.org. "Il primo transistor al silicio". ScienCentral, Inc. e l'American Institute of Physics. 1999. (1 novembre 2011) http://www.pbs.org/transistor/science/events/silicont1.html

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