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Le periferiche
Le periferiche Stefano Brocchi [email protected] Stefano Brocchi Le periferiche 1 / 49 Le periferiche Si dice periferica tutto quello che sta alla ’periferia’ del calcolatore, esterno al nucleo processore-bus-memorie Le periferiche sono dei tipi più disparati, possono servire per esempio per la gestione dei dati o per input ed output nei confronti dell’utente Sono collegate al nucleo del calcolatore tramite un’interfaccia al bus di sistema Stefano Brocchi Le periferiche 2 / 49 Interfacciamento Ogni periferica è collegata a memoria e processore tramite un’interfaccia, un dispositivo capace di ricevere segnali dal bus e tradurli in comandi per la periferica e viceversa A livello hardware, le interfacce sono schede connesse alla scheda madre A volte, certe periferiche come tastiere e mouse sono gestite automaticamente da interfacce integrate nella scheda madre La scheda hardware avrà una porta che arriva all’esterno del calcolatore, dove sarà possibile l’allaccio fisico della componente periferica Stefano Brocchi Le periferiche 3 / 49 Tipi di porte Esistono molti tipi di porte, corrispondenti a diversi tipi di schede di Input/Output e collegamenti La porta USB (Universal Serial Bus) è attualmente una delle più diffuse e versatili Progettata per essere una porta universale, può essere usata praticamente per qualsiasi periferica: stampanti, tastiere, mouse, memorie esterne, ... Su alcuni dispositivi di piccole dimensioni, spesso presente una porta USB di dimensioni ridotte ma con uguali funzionalità Un’altra porta molto in uso è l’HDMI (High-Definition Media Interface), usata per trasmettere audio e video ad alta qualità Schermi di computer spesso allacciati tramite la porta VGA (Video Graphics Array) Stefano Brocchi Le periferiche 4 / 49 Tipi di periferiche Alcuni tipi di periferiche: Lettori di dischi ottici (CD/DVD) Memorie esterne (memorie USB, dischi fissi portatili, nastri magnetici) Dispositivi di output (schermo, casse audio) Dispositivi di input (tastiere, mouse) Dispositivi di comunicazione di rete (schede di rete, wireless) Stefano Brocchi Le periferiche 5 / 49 Dischi magnetici I dischi magnetici sono il principale mezzo di archiviazione di massa non volatile sui moderni calcolatori Anche chiamati hard disk o dischi fissi Formati da una serie di dischi di alluminio ricoperti di materiale magnetico Il fatto che un punto del disco sia magnetizzato o meno determina se il relativo bit vale 1 o 0 Persistente perché il materiale resta magnetizzato anche in assenza di un flusso di corrente Importante, perché sono l’unica memoria che mantiene i dati anche dopo lo spegnimento del computer Qui sono memorizzati i file nel computer, mentre i processi in esecuzione sono nella memoria centrale Stefano Brocchi Le periferiche 6 / 49 Dischi magnetici: lettura scrittura La lettura e la scrittura sui dischi magnetici viene fatta tramite una testina sospesa appena sopra la superficie del disco Quando la testina passa sopra un’area magnetizzata, viene indotta una corrente che viene misurata, rilevando il dato memorizzato In fase di scrittura, viene eseguito il processo inverso: viene indotta una corrente che produce la magnetizzazione Stefano Brocchi Le periferiche 7 / 49 Dischi magnetici: struttura dei dischi In un disco fisso, molti dischi vengono sovrapposti a formare un cilindro Testine Superficie 1 Superficie 2 Superficie 3 Superficie 4 Superficie 5 Superficie 6 Superficie 7 Superficie 8 Stefano Brocchi Le periferiche 8 / 49 Prestazioni Molti fattori determinano le prestazioni di un disco rigido: Il tempo di accesso, richiesto perché si inizi a leggere o scrivere i dati richiesti Suddiviso in tempo di ricerca (Seek Time), per la selezione della traccia, e tempo di latenza (Latency Time), per la selezione del settore La velocità di trasferimento (in MB/s), rappresentante la quantità di dati al secondo che possono essere trasferiti dalla lettura del primo byte Stefano Brocchi Le periferiche 9 / 49 Dischi SSD Recentemente, sono spesso impiegati anche dischi a stato solido (SSD, Solid State Disk) Queste unità contengono una memoria elettronica che tramite particolari tecnologie viene resa persistente I dischi SSD sono molto più veloci dei dischi magnetici, ma a parità di capacità decisamente più costosi Per mediare tra i due esistono dei dischi ibridi, in parte SSD ed in parte magnetici Stefano Brocchi Le periferiche 10 / 49 Codici di correzione degli errori E’ possibile che nei dischi fissi si verifichino errori di memorizzazione o di lettura Per rilevarli, insieme ai bit rappresentanti dati, su disco vengono scritti anche dei bit per la correzione degli errori Il metodo più semplice inserisce un bit ogni byte che rappresenta la parità del numero di uni negli 8 bit Cosı̀ viene sempre rilevato un errore relativo ad un singolo bit Solitamente utilizzate metodologie più complesse che permettono anche di correggere l’errore, se limitato ad un piccolo numero di bit Stefano Brocchi Le periferiche 11 / 49 Codici di correzione degli errori: utilizzo I codici di correzione degli errori sono molto importanti perché vengono utilizzati in qualsiasi periferica di I/O per la gestione di errori Due esempi: nei dischi ottici (CD/DVD) e nelle trasmissioni di dati via rete Stefano Brocchi Le periferiche 12 / 49 Prestazioni: affidabilità Una caratteristica critica dei dischi fissi è l’affidabilità, in quanto un guasto può causare la perdita di tutti i dati memorizzati nel computer Al contrario, un guasto nella memoria centrale RAM per esempio causerebbe solo la perdita dei dati non salvati Purtroppo l’affidabilità di un singolo disco non sembra migliorare molto con lo sviluppo tecnologico Usate tecniche alternative, come il RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks): l’informazione viene sdoppiata su più dischi, in modo che al fallimento di uno i dati siano recuperabili dall’altro Stefano Brocchi Le periferiche 13 / 49 Memorie di massa USB Per il salvataggio o trasferimento di dati, di comune utilizzo sono le memorie USB Sono memorie elettroniche persistenti che possono essere con basso consumo di utilizzo e di piccole dimensioni Capacità: le più comuni vanno dai 4 ai 32 GB, ma esistono memorie fino a 1 TB (= 1024 GB) Le capacità di queste memorie sono comunque in continua evoluzione La porta di interfaccia USB (Universal Serial Bus) è presente oramai praticamente ovunque Stefano Brocchi Le periferiche 14 / 49 Dischi ottici I dischi ottici (CD/DVD) sono una tecnologia di memorizzazione basata sulla riflessione ottica Scritti e letti tramite laser Ad alta affidabilità Stefano Brocchi Le periferiche 15 / 49 Compact disc Il compact disc (CD) viene introdotto negli anni 80 da Philips e Sony come un nuovo formato utile a rimpiazzare i dischi di vinile L’informazione è codificata tramite dei fori della grandezza di 0.8 µm detti pit, o dall’assenza di essi in zone dette land La duplicazione, a livello industriale, si ottiene poi tramite l’utilizzo di uno stampo che viene copiato tramite una speciale resina di policarbonato Stefano Brocchi Le periferiche 16 / 49 Compact disc: lettura Per la lettura di un CD, un raggio laser viene proiettato sulla superficie riflettente Se il raggio colpisce un pit, viene riflesso in modo leggeremente sfasato Grazie alla precisione del laser è possibile misurare questo sfasamento, e cosı̀ capire dove vi siano dei pit e dove no Stefano Brocchi Le periferiche 17 / 49 Compact disc: codifica I pit sono posizionati nel CD lungo un percorso a spirale Il bit 1 è codificato con un cambio (pit → land o land → pit), mentre gli 0 sono codificati con una persistenza pit/land Capacità: il CD può contenere da 650MB a 900MB di dati Stefano Brocchi Le periferiche 18 / 49 CD ROM e CD audio Esistono due tipi di CD: i CD ROM (Read Only Mode, sola lettura), che possono contenere dati generici, ed i CD audio Strutturalmente non ci sono molte differenze, i CD sono compatibili come ottica e meccanica Differenza: i CD audio hanno una minore tolleranza agli errori di lettura e scrittura Quantità ridotta di codici di correzione degli errori Tollerabile per brani audio: grazie all’elevato campionamento della qualità CD, anche qualche errore sarebbe difficilmente percebile In altri contesti, come nelle istruzioni di un programma, un piccolo errore può causare grandi problemi di funzionamento D’altro canto, questa assenza permette di immagazzinare più dati sui CD audio Stefano Brocchi Le periferiche 19 / 49 CD R I CD R (detti anche CD vergini) sono cd scrivibili tramite un processo (masterizzazione) possibile in determinati lettori con questa funzionalità (masterizzatori) I CD R sono scrivibili una sola volta, dopodichè diventano a tutti gli effetti in sola lettura (CD-ROM) Eccezione: alcuni masterizzatori consentono di scrivere un CD in più sessioni; i dati scritti dopo ogni sessione sono comunque permanenti La riflessione di pit e land è simulata: durante la scrittura, il laser rompe alcuni legami chimici sulla superficie del disco, e si creano delle macchie scure che simulano l’effetto di un pit Stefano Brocchi Le periferiche 20 / 49 CD Riscrivibili Esistono CD scrivibili molteplici volte, detti CD riscrivibili (CD-RW) Utilizzata una lega che può essere alterata per essere più o meno riflettente tramite un laser a tre diverse potenze Più costosi dei CD R Comunque soggetti ad usura, per cui il numero di volte in cui un CD si può riscrivere è limitato Stefano Brocchi Le periferiche 21 / 49 Lettori dischi: velocità La velocità di un lettore di dischi, viene misurata in multipli di una certa velocità di base Nei lettori CD, la velocità di base (1x) è quella minima necessaria per la riproduzione di un cd audio Un lettore 1x legge 150 KiB al secondo Es. un lettore a velocità 32x può leggere dati 32 volte più velocemente di un lettore 1x Stefano Brocchi Le periferiche 22 / 49 Digital Versatile Disk Il Digital Versatile Disk (DVD) è un disco ottico simile come funzionamento al CD Grazie a migliorie tecniche ed all’uso del laser rosso invece che blu, è possibile scrivere dei pit più piccoli e su una spirale più serrata Stefano Brocchi Le periferiche 23 / 49 Digital Versatile Disk: capacità Grazie alla maggiore precisione di lettura e scrittura, un DVD contiene tipicamente almeno 4.7 GB di dati Come il CD nasce per l’audio ad alta qualità, il DVD è stata un’evoluzione naturale per il video in digitale Due formati di DVD scrivibili coesistono: i DVD-R ed i DVD+R I lettori li supportano entrambi, mentre per i masterizzatori è a volte necessario ottenere il DVD di tipo giusto Stefano Brocchi Le periferiche 24 / 49 Digital Versatile Disk: formati E’ possibile inoltre creare DVD a doppio strato (double layer) In questo caso, il DVD contiene due strati sovrapposti, ed indirizzando il laser in modo diverso si può selezionare quale leggere Su questo principio nasce il DVD blu-ray, DVD ad alta capienza spesso utilizzato per il video ad alta definizione Velocità di lettori e masterizzatori DVD in multipli della velocità di base 1x = 1353 KiB al secondo (circa 9 volte la velocità di base dei CD) Stefano Brocchi Le periferiche 25 / 49 Tastiere Le tastiere sono uno dei principali mezzi di input del calcolatore Quando un tasto viene premuto, un registro hardware della tastiera viene impostato ad un codice che identifica lo specifico tasto Viene inviato quindi un messaggio al sistema (interrupt) per segnalare l’evento Un meccanismo analogo avviene anche quando un tasto viene rilasciato Stefano Brocchi Le periferiche 26 / 49 Mouse Il mouse è il secondo principale dispositivo di input del calcolatore Di utilizzo sempre più fondamentale dall’esistenza di sistemi operativi con sistema punta e clicca Ad intervalli regolari, il mouse invia lo spostamento relativo dal punto precedente Il sistema, sommando lo spostamento alla posizione precedente, calcola la prossima posizione del mouse sullo schermo Il fattore che regola la proporzione tra lo spostamento fisico del mouse e quello del puntatore sullo schermo è la sensibilità Per la rilevazione della pressione dei tasti, sistema simile a quello da tastiera Stefano Brocchi Le periferiche 27 / 49 Mouse: rilevazione movimento I primi mouse rilevavano il movimento tramite una sfera, che rotolava scorrendo su una superficie ed il cui movimento veniva misurato da sensori Largamente diffusi adesso i mouse ottici, che rilevano il movimento grazie ad una sorta di telecamera che riprende la zona sottostante al mouse, illuminata da luce proiettata dal mouse stesso I mouse ottici sono generalmente più precisi e chiaramente non sensibili a guasti meccanici Il sistema operativo si occupa di riflettere il movimento del mouse nel cursore sullo schermo Il rapporto tra i due spostamenti è dato dalla sensibilità del mouse Stefano Brocchi Le periferiche 28 / 49 Input: altri dispositivi I touchpad, molto utilizzati nei portatili, contengono un sensore di pressione che rileva la pressione ed il movimento di un dito sullo strumento Molto simile il funzionamento dei touch screen, schermi manipolabili come un touchpad, attualente molto diffusi in dispositivi smartphone Interfaccia ancora più intuitiva: non c’è più distinzione tra movimento del mouse e cursore sullo schermo Stefano Brocchi Le periferiche 29 / 49 Video Un schermo è solitamente il principale dispositivo di output nella comunicazione con l’utente E’ costituito da una serie di piccolo quadretti che possono assumere qualsiasi colore, detto pixel (PICTure ELements) Utilizzando un numero sufficiente di punti, e quindi disponendo di punti molto piccoli, l’effetto visivo è quello di un’immagine continua Il numero di punti definisce la risoluzione dell’immagine Stefano Brocchi Le periferiche 30 / 49 Risoluzione Vediamo come un’immagine cambi con la sua risoluzione, con risoluzioni e 20x13, 50x33, 100x67, 768x512: Stefano Brocchi Le periferiche 31 / 49 Video L’immagine viene ridisegnata sullo schermo un elevato numero di volte al secondo in un’operazione detta refresh L’occhio umano percepisce un numero di fotogrammi paragonabile, quindi vedendo un video si ha l’impressione di una scena continua Con un numero ridotto di immagini al secondo si ha l’impressione che il video proceda ’a scatti’ 24 fotogrammi al secondo sono lo standard per cinema e tv, anche se sono in fase di sviluppo produzioni con un numero di fotogrammi al secondo maggiori Più fotogrammi possono rendere la qualità video migliore, con un’immagine che scorre in modo più fluido Stefano Brocchi Le periferiche 32 / 49 Rappresentazione colori Su di uno schermo, tutti i colori si ottengono mescolando i tre colori primari additivi in diverse quantità Si parla di colori additivi in quanto nel fonderli per ottenere altri colori, le loro lunghezze d’onda si sommano Blu Rosso Verde Stefano Brocchi Le periferiche 33 / 49 Rappresentazione colori, base sottrattiva La base sottrattiva viene utilizzata quando mescolando i colori, le frequenze d’onda si sottraggono una all’altra Utilizzata per esempio nelle stampanti Ciano Magenta Giallo Stefano Brocchi Le periferiche 34 / 49 Profondità di colore Il numero di bit utilizzato per rappresentare ogni colore determina la varietà di colori rappresentabili (anche detta profondità di colore o color depth) Utilizzando 24 bit per pixel (8 bit per ogni colore primario) si ottengono circa 16 milioni di colori Questa quantità a lungo è sembrata ottimale, anche se adesso stanno emergendo anche formati che supportano 48 bit per pixel Immagini per computer più vecchi o a bassa qualità possono contenere solo 256 colori Stefano Brocchi Le periferiche 35 / 49 Video: CRT La tecnologia CRT (Cathod Ray Tube, a raggio catodico) è una delle prime ad essere stata utilizzata per gli schermi Tre cannoni di elettroni sparano un fascio di elettroni contro uno schermo fosforescente Il raggio viene deviato opportunamente per colpire il punto desiderato Sullo schermo, esiste una griglia per la suddivisione accurata in punti Cannone a elettroni Deflessione orizzontale e verticale Schermo Stefano Brocchi Le periferiche 36 / 49 LCD Tecnologie più recenti rendono possibile gli schermi LCD (Liquid Cristal Display) a cristalli liquidi, meno ingombranti e a minor emissione di radiazioni dei monitor CRT I cristalli liquidi sono molecole organiche viscose con una struttura simile ad un cristallo Le proprietà ottiche del cristallo variano con il suo allineamento molecolare, manipolato tramite un campo elettrico Stefano Brocchi Le periferiche 37 / 49 Schermi: qualità Molti fattori determinano la qualità di uno schermo: Dimensione, misurata in pollici (1 pollice = 2.54 cm) lungo la diagonale dello schermo Considerare che la superficie dello schermo (e quindi tipicamente il costo) è proporzionale al quadrato della diagonale La risoluzione, cioè il numero dei pixel rappresentabili Schermi più grandi necessitano di risoluzioni più alte, altrimenti pixel troppo grandi creerebbero un’immagine ’quadrettata’ Tipiche risoluzioni vanno da 1024x768 pixel a 1600x1200 pixel; la risoluzione full-HD è di 1920x1080 pixel Stefano Brocchi Le periferiche 38 / 49 Schermi: qualità (2) Capacità di refresh, cioè quante volte uno schermo può ridisegnare un’immagine su se stesso al secondo Profondità di colore, rappresentata dal numero di bit utilizzabili per descrivere il colore di un pixel Determina la precisione con cui un colore viene rappresentato Negli schermi moderni, difficilmente ci sono differenze significative Proporzione tra largezza ed altezza; tipicamente nei computer è di 4:3, in alternativa i rapporti 16:9 o 16:10 calzano i formati cinematografico di molti film Stefano Brocchi Le periferiche 39 / 49 Stampanti Un altro dispositivo di output di un computer sono le stampanti I due tipi di stampanti più noti sono quelle a getto d’inchiostro e laser Stefano Brocchi Le periferiche 40 / 49 Stampanti a getto d’inchiostro Nelle stampanti a getto d’inchiostro, una testina scorre orizzontalmente sul foglio spruzzando gocce d’inchiostro in modo da comporre l’immagine Una volta terminata una riga, la carta viene fatta scorrere in modo da passare alla successiva Utilizzando gocce più piccole, si ottiene una stampa più precisa a risoluzione maggiore La grandezza delle gocce definisce la risoluzione in modo del tutto analogo a come avviene per i pixel e le immagini su schermo Stefano Brocchi Le periferiche 41 / 49 Stampante laser Un’alternativa sono le stampanti laser In questo caso, un laser carica elettronicamente delle zone di un rullo fotosensibile In un secondo momento, le parti caricate attirano particelle di inchiostro in polvere contenute nel toner Grazie alla precisione del laser, è possibile ottenere una precisione di stampa molto alta Meccanismo simile a quello utilizzato nelle fotocopiatrici Stefano Brocchi Le periferiche 42 / 49 Laser vs getto d’inchiostro Le stampanti a getto d’inchiostro sono generalmente più economiche delle stampanti laser Il costo di una pagina stampata è invece più alto Le stampanti a getto d’inchiostro sono spesso vendute sotto costo, l’azienda mira a guadagnare sul ricambio delle cartucce Stampando molto, probabilmente sul lungo termine una stampante laser è la scelta più conveniente Di solito, le stampanti laser stampano più rapidamente Stefano Brocchi Le periferiche 43 / 49 Stampanti: creazione colori Per ottenere i colori, vengono utilizzati i tre colori base sottrattivi ciano, magenta e giallo (CYM, Cyan Yellow Magenta) Solitamente è anche incluso il colore nero anche se sarebbe ottenibile tramite gli altri colori (sistema CYMK, Cyan Yellow Magenta blacK) Il nero cosı̀ è più ’preciso’ rispetto a quello ottenuto per combinazione Risparmio di inchiostro, visto che altrimenti per stampare in nero sarebbe necessario utilizzare tutti e tre i colori Stefano Brocchi Le periferiche 44 / 49 Stampanti: prestazioni Una misura della qualità di stampa è la sua risoluzione, misurata in punti per pollice (DPI, Dots Per Inch) Le prestazioni delle stampanti sono spesso misurate anche in base alla loro velocità (a parità di qualità), in pagine al minuto Stefano Brocchi Le periferiche 45 / 49 Macchine fotografiche digitali Le macchine fotografiche digitali stanno rapidamente prendendo il posto di quelle tradizionali Una volta attaccate al computer, possono essere considerate delle periferiche di acquisizione dati Vantaggi: nessun costo di una fotografia, basso costo, gestione foto anche dal dispositivo, grande capienza, regolazione ed effetti foto in loco, trasferimento immagini semplificato... Nel momento dello scatto, opportuni sensori catturano l’immagine, campionandola in una griglia di punti, e questa viene salvata in memoria tipicamente nel formato compresso jpeg Usate spesso nelle fotocamere memorie con funzionamento simile alle memorie USB, dette memorie SD A seconda delle dimensioni fisiche della scheda, si parla di memorie SD, mini-SD o micro-SD Stefano Brocchi Le periferiche 46 / 49 Macchine fotografiche digitali: qualità Un indicatore di qualità di una macchina digitale è la quantità di pixel che può catturare in un’immagine (e quindi la risoluzione massima delle foto scattate) Attualmente anche macchine economiche registrano immagini con 8-10 Megapixel (milioni di punti) 8 megapixel corrispondono, nel formato a 4:3, ad una risoluzione di 3264x2448 pixel Molti megapixel servono soprattutto per avere una buona qualità di stampa Altre qualità tipiche delle macchine fotografiche sono probabilmente più importanti della quantità di megapixel Es. quantità di rumore (disturbo nell’immagine) in ingresso nelle foto Stefano Brocchi Le periferiche 47 / 49 Lettori mp3 I lettori mp3 sono dispositivi portatili per la riproduzione di musica L’mp3 è un formato di file che consente di immagazzinare audio in poco spazio Formato con perdita: codificare brani in mp3 vuol dire avere una perdita di qualità rispetto all’originale Per mp3 ad alta qualità, la perdita di qualità è solitamente impercettibile Dal punto di vista del calcolatore, sono visti esattamente come una memoria esterna I file mp3 copiati sul dispositivo potranno poi essere riprodotti Stefano Brocchi Le periferiche 48 / 49 Domande da esame Come comunicano le periferiche con il resto del computer ? Come funzionano i dischi magnetici ? Come vengono utilizzati in un computer, e perché ? Come si possono prevenire errori di memorizzazione o trasmissione sui dispositivi di I/O ? Come funzionano CD e DVD ? Come viene realizzata l’interazione con l’utente tramite tastiere e mouse ? Come funziona un schermo ? Che tipologie esistono ? Che tipi di stampanti esistono, ed in cosa differiscono ? Quanti byte contengono, mediamente, le varie memorie interne ed esterne ? Come si misura la qualità di una periferica per quanto riguarda dischi magnetici, lettori di dischi ottici, schermi, stampanti e macchine fotografiche digitali ? Stefano Brocchi Le periferiche 49 / 49
