L’UNITA’ CENTRALE

         
L’unità centrale gestisce e controlla tutte le componenti del sistema.
L’unità centrale di elaborazione è costituita

Dal case: desktop, mini tower, tower; esso è il contenitore del computer e comprende genralmente anche l'alimentatore

Dalla scheda madre (motherboard) che è il supporto fisico e il collegamento elettrico fra i circuiti costituenti l'elaboratore

Esempio di Manuale di una motherboard

Scheda madre

In quest'immagine di una scheda madre si notano a destra il Socket della CPU, al centro il Northbridge, in alto sopra la batteria il corpo del Southbridge e sparsi qua e là alcuni condensatori elettrolitici.

La scheda madre (in inglese motherboard - mainboard-MB o M/B) o scheda di Sistema è una parte fondamentale di un moderno personal computer: raccoglie in sé tutta la circuiteria elettronica di interfaccia fra i vari componenti principali e fra questi e i bus di espansione e le interfacce verso l'esterno. È responsabile della trasmissione e temporizzazione corretta di molte centinaia di segnali diversi, tutti ad alta frequenza e tutti sensibili ai disturbi: per questo la sua buona realizzazione è un fattore chiave per la qualità e l'affidabilità dell'intero computer.

È composta di un circuito stampato estremamente complesso, ricavato da un sandwich di strati di vetronite e rame: generalmente una scheda madre può avere da quattro a sei strati di rame. In questi sono ricavate le piste che collegano i componenti, che devono essere calcolate con molta cura: alle frequenze normalmente adoperate dalle CPU e dalle memorie RAM in uso oggi, infatti, la trasmissione dei segnali elettrici non si può più considerare istantanea ma deve tenere conto dell'impedenza propria della pista di rame e delle impedenze di ingresso e di uscita dei componenti connessi, che influenzano il tempo di volo dei segnali da un punto all'altro del circuito.

Su questo circuito stampato vengono saldati una serie di circuiti integrati, di zoccoli e di connettori; gli integrati più importanti sono il chipset che svolge la gran parte del lavoro di interfaccia fra i componenti principali e i bus di espansione, la ROM (o PROM, EEPROM o simile) il Socket per il processore e i connettori necessari per il montaggio degli altri componenti del PC e delle schede di espansione. La struttura attuale delle schede di sistema dei computer è il frutto di un'evoluzione tecnologica che ha portato a definire una architettura di sistema valida, in linea di massima, per tutti i sistemi di classe personal computer o di potenza paragonabile.

Formati standard

Il processo di standardizzazione ha interessato non solo il progetto elettronico, ma anche e soprattutto la forma, le dimensioni e il posizionamento dei componenti: nel tempo si sono affermati alcuni formati standard a cui si sono conformati tutti i produttori. Nel campo dei personal computer compatibili IBM è stata la Intel a giocare un ruolo chiave, imponendo i due formati ATX e BTX, che nelle loro varie versioni sono adottati da tutte o quasi le schede madri per PC prodotte oggi. Ma ne esistono molti altri:

• PC/XT - Il formato originale creato da IBM per il suo primo personal computer, l'IBM-PC. È stato adottato dalle schede madri di un gran numero di cloni, poiché non era coperto da copyright, e divenne per questo uno standard de facto.
• AT (Advanced Technology) - Anche questo secondo formato divenne molto popolare, soprattutto per le schede madri 386. Ora è obsoleto, ma è stato la base per lo sviluppo dell'ATX.
• Baby AT - Il successore IBM del formato AT. Funzionalmente del tutto equivalente, era però molto più piccolo e guadagnò seguito rapidamente; le schede madri che lo adottavano non avevano interfaccia AGP.
• ATX - nato a partire dal Baby AT, è a tutt'oggi il formato di scheda madre più comune in commercio.
• ETX, usato nei sistemi embedded e nei computer monoscheda.
• Mini-ATX - quasi identico all'ATX, ma leggermente più piccolo.
• MicroATX - un ATX ridotto, con tre soli slot di espansione PCI o PCI express.
• FlexATX - una variante di microATX che permette maggior flessibilità nel progetto della scheda madre e nel posizionamento dei componenti.
• LPX - Questo formato è basato su un progetto Western Digital, e permette di usare case più sottili spostando le schede di espansione su un riser (in sé una speciale scheda di espansione) disponendole parallele alla scheda madre anziché perpendicolari. Di solito viene adottato solo dai grandi produttori OEM.
• Mini LPX - un sottoinsieme delle specifiche LPX.
• NLX - un tipo di formato a basso profilo, che prevede un riser per le schede di espansione. È stato ideato per assecondare le richieste del mercato per PC piccoli, ma non ha mai guadagnato molta popolarità.
• BTX (Balanced Technology Extended) - uno standard recente, proposto da Intel come possibile successore dell'ATX.
• microBTX e picoBTX - sottoinsiemi più piccoli del BTX.
• Mini-ITX - Un formato di scheda madre molto piccolo ad alta integrazione, introdotto da VIA e pensato per thin client, chioschi elettronici e set-top box.
• Nano-ITX - Altro formato di scheda madre molto piccolo ad alta integrazione, introdotto da VIA e pensato per thin client, chioschi elettronici e set-top box. Utilizza processori Via C7 o Eden. Le dimensioni sono di 12cm per ogni lato.
• Pico-ITX - Formato di scheda madre molto piccolo ad alta integrazione, introdotto da VIA nel 2007 e pensato per thin client, chioschi elettronici e set-top box. Utilizza processori Via C7 o Eden. Le dimensioni sono di 10x7,2cm di lato.
• WTX (Workstation Technology Extended) - un formato grande, molto più dell'ATX, ideato per schede madri di server e workstation multiprocessori di fascia alta.

Parti di una scheda madre

I componenti di una scheda madre possono variare molto a seconda di che tipo di computer si sta considerando: nel seguito di questa descrizione faremo riferimento a una generica scheda madre per personal computer.

• CPU Socket: è uno zoccolo ZIF (Zero Insertion Force) che accoglie la CPU. Nelle schede embedded (o in quelle vecchie e molto economiche) è assente, e il processore è saldato direttamente sullo stampato. Lo zoccolo (socket) può essere di tipo PGA o LGA. Il primo tipo PGA (acronimo di Pin Grid Array) è quello adottato per molti processori AMD (Socket A, 754, 939 e AM2) e dai primi processori moderni Intel (PIII, Celeron). Nel caso di processori di tipo PGA, i pin di interconnessione tra la CPU stessa e i contatti presenti sul socket risiedono sulla parte inferiore della CPU. Se il socket è di tipo LGA (ovvero Land Grid Array) i piedini (pin) risiedono direttamente sul socket stesso anziché sulla CPU ed è necessaria una piastra di caricamento per tenere in posizione la CPU dato che, a differenza delle CPU PGA, non è tenuta in posizione dai piedini che vanno ad incastrarsi nel socket. La soluzione LGA è adottata da diverso tempo da Intel con molti dei suoi processori Pentium IV e ora con la serie Core, entrambi interfacciati con 775 pin. A differenza di Intel, la rivale AMD ha adottato solo ultimamente soluzioni LGA con l'avvento dei processori Athlon FX serie 7x interfacciati con 1207 pin alla scheda madre.

• La ROM (può essere PROM, EEPROM, flash o altro) che contiene il BIOS della scheda madre; è un tipo di firmware dalle funzionalità molto limitate. Le sue funzioni sono essenzialmente tre: eseguire il controllo dell'hardware all'accensione (il POST, Power On Self Test), caricare il sistema operativo e mettere a disposizione di questi alcune primitive (routine software) per il controllo dell'hardware stesso.

• Northbridge: un circuito integrato che connette il processore con la memoria RAM e con i bus di espansione principali (PCI, PCI express e AGP); i modelli più recenti incorporano anche le interfacce ATA e/o SATA per gli hard disk, che sono i componenti più critici per le prestazioni di un personal computer. È l'elemento più importante del chipset e il suo buon funzionamento è cruciale per la stabilità e la velocità della macchina. Le CPU AMD a 64 bit, integrando al loro interno il controller della RAM a cui quindi si collegano direttamente, hanno bisogno di un north bridge meno complesso e costoso.

• Southbridge: è il secondo componente del chipset e il suo compito è quello di gestire tutte le interfacce a bassa velocità: è connesso al north bridge tramite il bus di espansione e gestisce le porte seriali e parallele, l'interfaccia per la tastiera e il mouse, l'interfaccia Ethernet, le porte USB e il bus SMB.

• Una batteria al litio in grado di alimentare per anni l'orologio di sistema e una piccola quantità di memoria RAM in tecnologia CMOS in cui il BIOS memorizza alcuni parametri di configurazione dell'hardware.

• Gli slot d'alloggiamento della Memoria RAM (Random Access Memory) che possono essere di diversi tipi quanti sono i tipi di RAM diffusi dalle industrie sin dai primi anni ottanta. Attualmente (2006) le schede madri in commercio adottano slot DDRAM, evoluzione delle precedenti SDRAM, che a loro volta erano derivate dalle SIMM e SIPP presenti sulle macchine che montavano processori compatibli con l'80386.

• Il bus di espansione. Si tratta di un collegamento dati generico punto-multipunto, progettato per permettere di collegare alla scheda madre delle altre schede di espansione alloggiate su connettori (slot), che ne estendono le capacità. Attualmente il tipo di bus più diffuso è il bus PCI, destinato nel tempo a lasciare strada alla sua estensione PCI Express, più veloce e più semplice elettricamente. In linea di principio ad un bus può essere collegato hardware di ogni tipo: schede video aggiuntive, schede audio professionali, schede acquisizione dati, unità di calcolo specializzate, coprocessori: nella pratica si ricorre ad una scheda di espansione su slot interno solo per hardware che ha bisogno di una collaborazione estremamente stretta con la CPU o con la memoria RAM; per le espansioni hardware meno critiche si sfruttano le connessioni "lente" (USB, seriali ecc.). Fa parte del bus PCI anche lo slot AGP, dedicato alla scheda video, che è uno slot PCI dotato di alcuni comandi aggiuntivi separati e di una trasmissione dati privilegiata; anche le interfacce AGP sono destinate ad essere sostituite dagli slot PCI Express, perfettamente in grado di fare da ponte fra la scheda grafica e il resto del sistema.

• Una serie di interfacce standard: seriali RS232, parallela Centronics, PS/2 per mouse e tastiera, USB per altri dispositivi; sono solitamente tutte raggruppate sul lato posteriore alto della scheda madre.
• Interfacce Shugart, ATA, SATA e/o SCSI per la gestione delle unità a disco (Disco rigido, CD e DVD).

In molte schede madri, specie se compatte, possono essere incluse la scheda video, la scheda audio, interfacce di rete Ethernet e porte Firewire e USB.

Altri tipi di schede madri

Le console per videogiochi, come i primi home computer, sono costituite da una scheda madre custom (personalizzata) e il firmware memorizzato nella loro ROM non è un BIOS, ma integra una parte del sistema operativo della console stessa (l'altra parte è memorizzata sul supporto del gioco, CD-ROM o DVD); inoltre non hanno bus di espansione interni e il processore è saldato direttamente sul circuito stampato.

Dispositivi industriali o molto miniaturizzati, che possono fare a meno delle caratteristiche necessarie nei comuni PC, possono essere assemblati attorno a un core module, che è un tipo di scheda madre molto piccola comprendente esclusivamente processore, RAM e chipset, che dialoga con l'esterno attraverso un connettore dedicato o una sola interfaccia (di rete, USB o altro): generalmente la ROM contiene già tutto il software necessario per il funzionamento e non è necessario caricare nulla all'avvio.

Invece nel caso dei supercomputer, dei mainframe e dei server a più vie di fascia alta ed altissima, l'hardware è costituito di più schede con processori e chipset indipendenti che comunicano fra loro in una struttura a cluster: non c'è più una singola scheda che sia "madre", cioè più importante delle altre, ma sono tutte sullo stesso piano.

All'interno della motherboard sono montate:
La CPU (Central Processing Unit) che è formata da un circuito integrato che si chiama microprocessore 
Al suo intrerno troviamo
• l’ALU (unità logico matematica) che esegue le operazioni aritmetiche e di confrontare e trasferire i dati in memoria.
• La CU (unità di controllo), che coordina e dirige il funzionamento del computer ed è collegata a tutte le sue componenti 

Esempi di elaborazione di un programma:

Somma

Confronto

LA MEMORIA CENTRALE
Nella memoria centrale vengono memorizzati dati e istruzioni.
La memoria è suddivisa in memoria:

ROM (memoria statica di sola lettura)
RAM (memoria dinamica di lettura e scrittura).

La ROM è una memoria di tipo permanente. Contiene programmi installati dal costruttore e non accessibili all’operatore
e le informazioni che vi sono contenute non vengono cancellate se si spegne il computer o se manca la corrente.
Tale memoria, attiva programmi per controllare la gestione delle componenti hardware del sistema (dispositivi di input e
di output) e il caricamento del sistema operativo nella RAM.
La RAM (memoria ad accesso casuale) è una memoria di tipo temporaneo, nel senso che i dati e i programmi risiedono in essa
fino a quando non vengono salvati su altri tipi di memoria (floppy disk e hard disk).
Tutte le informazioni vengono perse quando viene spento il computer.

UNITA’ DI MISURA
Per misurare la capacità della memoria centrale e delle unità
di memoria esterne si utilizzano particolari unità di misura:

UNITA’ SIMBOLO SIGNIFICATO
bit - Unità elementare d’informazione
che può assumere uno tra due
differenti valori(0 e 1)
byte - B - Gruppo di 8 bit
kilobyte - KB o K - 1024 BYTE
megabyte - MB - 1.048.576 BYTE o 1024 KB
gigabyte - GB - 1024 MB

UNITA’ DI MEMORIA ESTERNE 
Tali unità (dette anche memorie di massa) costituiscono l’insieme dei dispositivi utilizzati per memorizzare i dati in modo definitivo.
I più importanti sono:

• l’ HARD DISK (meccanico/magnetico o di tipo "SSD")
• il FLOPPY DISK
• il CD- ROM

L’ HARD DISK meccanico/magnetico

 
Si trova all’interno del case che contiene il computer.
Esso è formato da una serie di piatti circolari messi uno sull’altro.
Alcune testine di lettura/scrittura consentono di leggere o scrivere dati, che vengono registrati in apposite tracce, a loro
volta divise in settori.
La capacità di memorizzare i dati nel disco fisso è molto ampia.
Nella sintassi dei comandi dell’elaboratore esso viene identificato dalla lettera C.

L'HARD DISK di tipo "SSD"

A differenza dei supporti di tipo magnetico, come nel caso del disco rigido qui sopra, una unità di memoria a stato solido ha la possibilità di memorizzare in maniera non volatile grandi quantità di dati, senza l'utilizzo di organi meccanici (piatti, testine, motori ecc.) come fanno invece gli hard disk tradizionali.

IL FLOPPY DISK

Ormai in disuso, sostituito dalle chiavette USB o dalle schedine SD.
Il floppy disk (o dischetto flessibile) è costituito da una parte esterna in plastica rigida e una parte interna flessibile.
Esso serve a memorizzare i dati in modo da poterli utilizzare con un altro computer o trasferirli su hard disk. Attualmente il formato più utilizzato è di 3 pollici e 1/2 e la capacità di memoria di 720 Kb , 1,44 Mb, 0 2,88 Mb.

IL DRIVE

 
Il dischetto funziona solo se inserito nel drive. Occorre inserirlo nell’apposita fessura dalla parte della linguetta metallica,
(il lato del cerchietto metallico deve essere dalla stessa parte del pulsante di espulsione) e spingerlo in fondo finchè
non si sente uno scatto.
Una volta nel drive le operazioni di lettura/scrittura avvengono mediante una testina che agisce sulla superficie magnetica.
Per togliere il dischetto dal drive basta premere il pulsante di espulsione quando la spia è spenta.
Nella sintassi dei comandi il drive viene indicato con la lettera A.

IL CD / DVD / Bluray

La memoria di massa più interessante è il Disco Laser. Esso è un supporto digitale in grado di contenere un gran numero
di informazioni a costo modesto per utilizzarlo occorre un lettore laser che non provoca usura ed evita la smagnetizzazione
e ne garantisce una durata illimitata.
Il CD rappresenta il supporto indispensabile per qualsiasi computer multimediale, un computer , cioè in grado di gestire
e di integrare testo, disegno, foto, suoni, animazioni e filmati. Ci sono vari tipi di CD/DVD: 

CD Audio

Fu il primo tipo di compact disc messo in commercio nei primi anni ottanta, concepito per la memorizzazione di flussi audio.

CD-ROM

Sigla di Compact Disc Read Only Memory, sono usati per la memorizzazione di dati generici. Si ottengono per stampa, con appositi macchinari industriali. I CD-ROM di più larga distribuzione hanno una capienza di 74 minuti/650 MB e di 80 minuti/700 MB, mentre più rari sono i formati da 90 minuti/800 MB e da 100 minuti/870 MB.

CD-R/CD-RW

Sigla di Compact Disc Recordable e di Compact Disc Re-Writable. L'arrivo sul mercato nel 1990 dei primi masterizzatori di CD rendeva necessario uno standard commerciale. L'orange book prevede, in realtà tre diverse tipologie:

• CD-R Compact Disc scrivibili

• MO Dischi magneto-ottici

• RW Compact disc riscrivibili

Il Compact Disc Recordable non permette di cancellare file scritti in precedenza. Se il programma di masterizzazione consente di mantenere aperta la sessione di scrittura, al CD-R possono essere aggiunti file in più di una scrittura, sempre senza poter cancellare quelli inseriti in precedenza.

Un CD riscrivibile, invece, permette l'aggiunta e/o cancellazione di file tantissime volte, circa 1000 se in buone condizioni, anche in sessioni di scrittura differenti.

CD-i

Sigla di Compact Disc Interactive. Inventato dalla Philips nel 1986 e ceduto poi alla Sony, può essere definito il progenitore del DVD, in quanto è un supporto in grado di contenere audio, video ed altra multimedialità integrata seppur di qualità comparabile alle cassette VHS. La loro diffusione è limitata all'oriente e agli Stati Uniti. Fanno parte di questo standard anche i Photo CD di origine Kodak.

Video CD

Si tratta di un formato in grado di memorizzare audio e video in formato MPEG-1, con qualità più o meno equivalente a quella di una videocassetta VHS. Può contenere sino a 74 minuti di video a schermo pieno, e di solito un film completo è memorizzato su due dischi. Molto diffuso in oriente e pressoché sconosciuto in Europa, è stato soppiantato dal DVD