come funziona e cos'è un computer

Un computer (in italiano calcolatore o elaboratore, talvolta nell'italiano svizzero ordinatore dalla sua denominazione francese ordinateur) è una macchina automatizzata in grado di eseguire calcoli matematici complessi e, eventualmente, altri tipi di elaborazioni di dati. Nato infatti come macchina calcolatrice evoluta, a partire dalla seconda metà del XX secolo il computer si evolve in macchina in grado di eseguire le più svariate elaborazioni, restituendo cioè un certo output a partire da istruzioni impartite in input dall'esterno.

Nel corso della storia, l'implementazione tecnologica di questa macchina si è modificata profondamente sia nei meccanismi di funzionamento (meccanici, elettromeccanici ed elettronici), che nelle modalità di rappresentazione dell'informazione (analogica e digitale) che in altre caratteristiche (architettura interna, programmabilità, ecc.). Al giorno d'oggi, ci si riferisce comunemente al computer come ad un dispositivo elettronico e digitale, programmabile a scopo generico costruito secondo la cosiddetta architettura di von Neumann ed il modello teorico-computazionale della cosiddetta macchina di Turing. Sebbene i computer programmabili a scopo generico siano oggi i più diffusi esistono in specifici ambiti di applicazione modelli di computer dedicati (automazione industriale, domotica, ecc.).

In questa forma e al pari della televisione, esso rappresenta il mezzo tecnologico simbolo che più ha modificato le abitudini umane dal secondo dopoguerra ad oggi: la sua invenzione ha contribuito alla nascita e allo sviluppo dell'informatica moderna, che ha segnato l'avvento della cosiddetta terza rivoluzione industriale e della società dell'informazioneIl computer è la versione più evoluta di una serie di strumenti di calcolo inventati sin dall'antichità: l'abaco, la macchina di Anticitera, i bastoncini di Nepero. Gli esemplari di macchine calcolatrici più famosi sono forse la macchina di Pascal (1645) e la macchina di Leibniz (1672), ma va ricordata anche la macchina calcolatrice di Wilhelm Schickard, del 1623, della quale sono rimasti soltanto i progetti.

Il passaggio da macchina calcolatrice a vero e proprio computer (nel senso di dispositivo programmabile) si deve a Charles Babbage. La sua Macchina analitica, progettata nel 1833 ma mai realizzata, è il primo computer della storia. Si trattava di una colossale macchina a ingranaggi, alimentata a vapore e dotata di input, output, unità di memoria, di unità di calcolo decimale con registro di accumulo dei dati e di un sistema di collegamento tra le varie parti. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la macchina analitica era interamente digitale[10].

Nel corso dei secoli seguenti il computer passerà attraverso vari stadi: il computer analogico (ne è un esempio l'analizzatore differenziale di Vannevar Bush del 1927), i computer digitali meccanici ed elettromeccanici (la Serie Z di Konrad Zuse, la macchina di Stibitz e l'ASCC di Howard Aiken) ed infine quelli digitali ed elettronici (l'ABC di John V. Atanasoff e Clifford E. Berry, l'ENIAC di John Presper Eckert e John William Mauchly, il Colossus britannico.). Nel corso del XX secolo, inoltre, importanti progressi nel campo dell'elettronica - come il transistor e il circuito integrato - e dell'informatica hanno contribuito all'evoluzione del computer nella sua forma attuale passando da dispositivo elettronico presente solo in aziende e centri di La struttura logica del computer attuale può ricondursi alla presenza di almeno cinque elementi fondamentali o sottosistemi:

Unità centrale di elaborazione (o CPU);

Memoria;

Schede elettroniche di espansione;

Dispositivi di input/output;

Canale di comunicazione dei dati (o Bus).

Questo schema venne proposto per la prima volta dal matematico John von Neumann all'interno di uno scritto informale del 1945 noto come First draft of a report on the EDVAC [1]. L'opera nasce dalla partecipazione di von Neumann al progetto ENIAC e raccoglie le idee provenienti da vari membri del team di sviluppo su come migliorare la funzionalità del computer nascituro.

Va inoltre ricordato che von Neumann era stato profondamente influenzato da Alan Turing[11], il quale aveva proposto nel 1937[12] un modello di calcolo - passato alla storia come Macchina di Turing - che ben si prestava a descrivere le operazioni eseguite da un computer, pur non essendo stato concepito per quello scopo (Turing si stava occupando in quella sede del problema della computabilità, non della realizzazione di un calcolatore). Il funzionamento della Macchina di Turing suggerì a von Neumann l'idea che la memoria dovesse contenere non solo i risultati delle operazioni svolte dal computer, ma anche le istruzioni di programmazione.

Premesso il contributo degli altri progettisti dell'ENIAC e quello di Alan Turing, a von Neumann va il merito di aver approfondito, arricchito e messo a sistema gli spunti raccolti: motivo per il quale la struttura logica sopra indicata è oggi nota come architettura di von Neumann.ricerca a dispositivo ad uso comune e consumo di massa per gli utenti comuni..In sostanza un computer è in grado di eseguire operazioni logiche come ad esempio calcoli numerici e storicamente è stato proprio il calcolo la prima forma di applicazione del computer ovvero il problema che ha spinto all'invenzione e alla realizzazione del computer stesso. Dalla nascita della struttura più elementare in seguito si sono sviluppati e succeduti molti tipi di computer, costruiti per svariati compiti, professionali e non, che, pur affinando sempre più il calcolo numerico fino ad arrivare al moderno calcolo scientifico ad elevate prestazioni grazie ai supercalcolatori, vanno ben oltre offrendo applicazioni diffusissime all'utente comune come la videoscrittura in sostituzione delle vecchie macchine da scrivere e in generale applicazioni di office automation, creazione e gestione di database, la progettazione assistita al calcolatore, la computer grafica, la simulazione, sistemi elettronici di controllo, applicazioni di diagnostica medica, i videogiochi ecc.Le chiavi di successo del computer sono dunque la grande potenza di elaborazione e la notevole capacità di memorizzazione che, in qualità di macchine, estendono le rispettive capacità umane di calcolo, processamento e memorizzazione consentendo una diminuzione sensibile dei tempi richiesti per la risoluzione di un problema dato o spesso la sua effettiva risoluzione, altrimenti non possibile. Ad essa si aggiunge la grande usabilità grazie al suo utilizzo in molti campi dell'elaborazione dati (vedi i sistemi embedded) e, sul fronte del consumo di massa, allo sviluppo di innumerevoli applicazioni a favore di una vasta gamma di utenti e, nella maggior parte dei casi, anche la semplicità di utilizzo da parte dell'utente stesso grazie all'implementazione di sistemi di interfacciamento utente/macchina molto spesso di tipo user-friendly.A differenza della mente umana, intesa come attività del cervello, che è in grado di affrontare e risolvere problemi nuovi a mezzo di facoltà cognitive come intuizione e ragionamento, il computer, in quanto macchina, pur partendo ugualmente da dei dati in input, è invece un semplice esecutore di ordini, compiti o istruzioni impartite dall'esterno per risolvere determinati problemi d'interesse attraverso un algoritmo di risoluzione del problema stesso in modo tale che a partire da determinati input produca determinati output attraverso elaborazione degli stessi. Esso nasce dunque per eseguire programmi o applicazioni: un computer senza un programma da eseguire è inutile.

Il computer, in quanto esecutore, ha dunque bisogno di essere istruito o programmato dall'esterno per mano competente di un programmatore: questi comunica/interagisce con la macchina attraverso i linguaggi di programmazione ad alto, medio o basso livello di astrazione (linguaggio macchina), che si differenziano tra loro secondo vari paradigmi di programmazione.

Queste parti immateriali che consentono l'utilizzo di programmi vengono comunemente chiamate software in contrapposizione all'hardware che è invece la parte fisica (elettronica), nel senso di materiale e tangibile, degli elaboratori e che consente l'esecuzione dei programmi stessi. Tutto ciò che si può ottenere con l'utilizzo accoppiato di strumenti informatici o risorse hardware e software costituisce un'applicazione informatica. Tutto il resto, oltre ad hardware e software, sono i dati presenti nella memoria del computer, compresi all'interno di file e directory ed utilizzati in input dai programmi stessi per l'espletamento in output del particolare servizio richiesto dall'utente.

Ovviamente quando si lavora su un computer scompare agli occhi dell'utilizzatore il funzionamento hardware interno della macchina interfacciandosi con essa unicamente tramite il linguaggio di programmazione ad alto livello oppure grazie all'interfaccia utente del software stesso garantendo così quella grande flessibilità di utilizzo anche a chi non ne conosce i principi fisico-elettronici di funzionamento e che costituisce, assieme alla potenza di elaborazione, a quella di memorizzazione e alla riprogrammabilità, la chiave di successo dei computer stessi. Questo processo di astrazione a partire dal livello fisico è comune a tutta l'informatica.

Il programma o software di base di gran lunga più importante per un computer (se previsto nell'architettura generale) senza il quale la macchina non potrebbe funzionare è il sistema operativo, che si occupa di gestire la macchina, le sue risorse hardware e le altre applicazioni che vi sono eseguite[13]. Fornisce così all'utente un'interfaccia (grafica o testuale) con la macchina gestendo o coordinando in maniera efficiente le operazioni di Input/Output comandando le rispettive periferiche di sistema, gestendo le operazioni di esecuzione dei programmi applicativi assegnandovi di volta in volta le risorse hardware necessarie al processamento (scheduling) ed infine gestendo l'archiviazione e l'accesso ai dati memorizzati attraverso il cosiddetto file system.

Dal punto di vista hardware il computer inoltre è un sistema elettronico digitale (programmabile) che elabora cioè tutti i dati in formato digitale o numerico ovvero come sequenze di 0 e 1 corrispondenti a due livelli di tensione (alto e basso) corrispondenti a loro volta ai due stati fisici di interruttore aperto e chiuso. La logica elettronica interna di funzionamento è dunque basata sull'Algebra di Boole. Il linguaggio dell'hardware è propriamente un linguaggio macchina ovvero sequenze di bit cui si associano per semplice codifica i linguaggi a più alto livello. Ovviamente l'immissione dei dati in input alla macchina elaboratrice è di tipo alfa-numerico decimale per cui è necessaria un'operazione di traduzione o codifica delle informazioni in binario; viceversa per ottenere una visualizzazione in output dei risultati dell'elaborazione è necessaria una traduzione o codifica inversa da binario ad alfa-numerico decimale. Tale codice è generalmente il codice ASCII.

A larghe linee la progettazione di sistemi di elaborazione a livello hardware ricade in massima parte nel campo dell'ingegneria informatica (la quale a sua volta afferisce conoscenze dall'ingegneria elettronica), mentre lo sviluppo software è affidato in massima parte al campo dell'informatica pura. Pur tuttavia i confini tra le due discipline non sono rigidi bensì spesso assai sfumati.Il termine computer, nel senso moderno-elettronico, ha ormai assunto un significato sempre più vasto comprendendo la semplice calcolatrice fino ai grandi sistemi di calcolo e venendo dunque ad assumere il significato più generale di sistemi di elaborazione dati. Tuttavia i computer possono essere idealmente divisi in alcune categorie molto generali, a seconda delle loro caratteristiche salienti, dell'uso che in generale se ne fa, del software e dei sistemi operativi che fanno girare e dell'epoca in cui sono comparsi. Le definizioni nel tempo sono molto cambiate e i confini non sono mai così netti.

Una prima classificazione in base all'uso distingue tra computer general purpose ovvero riprogrammabili per svariate applicazioni dall'utente e computer special purpose ovvero sistemi embedded dedicati ad una sola applicazione specifica come ad esempio i microcontrollori.

Un'altra classificazione è basata sull'accesso condiviso o meno alle risorse hardware: un computer general purpose può essere monoutente oppure multiutente sfruttando il cosiddetto timesharing delle risorse e con diversi sistemi operativi. Un computer monoutente può essere monotasking oppure multitasking ovvero può eseguire più processi in contemporanea (in pratica tutti i computer moderni). Ovviamente un computer multiutente è anche multitasking.

Una classificazione basata sulle dimensioni, sull'evoluzione storica e sulla destinazione d'uso è invece quella che segue. In linea di massima le dimensioni dei sistemi di elaborazione sono progressivamente diminuite nel tempo in virtù del miglioramento delle tecniche di elaborazione digitale ovvero all'alta capacità di integrazione dei transistor all'interno dei processori ed il parallelo aumento della capacità di processamento. Computer di grandi dimensioni rimangono ora solo nei grandi centri di calcolo.Negli anni 40 i computer occupavano stanze intere, l'energia richiesta per il funzionamento ed il raffreddamento era elevata e, naturalmente, erano costosissimi; per questo motivo si tendeva a sfruttarli il più possibile e, quindi, l'utilizzo era suddiviso generalmente fra un numero di utenti piuttosto grande. Spesso la comunicazione con la macchina sia in input che in output avveniva direttamente in binario tramite l'uso di schede perforate.

Oggigiorno questi sistemi vengono utilizzati nelle grandi aziende, nella pubblica amministrazione ed in tutte quelle strutture che hanno bisogno di una potenza di elaborazione proporzionata al grande numero di utenti che devono fruirne. Dal punto di vista fisico non sono molto più grandi dei normali PC ma sono più potenti, però sono molto onerosi sia in termini di investimento iniziale che di costi di gestione. Occorre sottolineare che ormai anche le realtà di piccola, se non micro, dimensione che necessitano di un'infrastruttura di rete seppur minimale[14], dispongono almeno di un computer server: i prezzi delle macchine di fascia bassa sono ormai paragonabili a quelli di una buona workstation.

Il termine mainframe, in questi casi (che costituiscono la stragrande maggioranza), è assai "esagerato" e lo si può attualmente abbinare solo ai sistemi più potenti e prestazionali tipo i blade server e soprattutto alle loro aggregazioni (il cosiddetto consolidamento o clusterizzazione). Pertanto, i data center dei provider, i fornitori di storage che offrono i classici servizi di hosting e di housing per aziende e privati, i grandi motori di ricerca internazionali, i grossi centri di ricerca, le multinazionali sono sicuramente le organizzazioni che necessitano di sistemi mainframe nel vero senso del termine.[15]In un secondo tempo, negli anni sessanta, in particolare da Digital e da HP, vennero introdotti elaboratori dal costo abbastanza ridotto da poter essere comprati anche da piccole aziende o da singoli dipartimenti di ricerca e di dimensioni paragonabili ad un armadio. Questo permise un utilizzo più flessibile e quindi le prime sperimentazioni in campo informatico. Per distinguerli dai mainframe venne coniato il termine minicomputer.La seconda generazione di microcomputer, che prende il nome popolare di home computer, fece il suo ingresso nel mercato nella seconda metà degli anni settanta e divenne comune nel corso degli anni ottanta, per estinguersi entro i primi anni novanta con l'ascesa dei personal computer.

Gli home computer, macchine a costo contenuto e di utilizzo prevalentemente domestico, contribuirono largamente a diffondere a livello popolare l'uso del computer e all'alfabetizzazione informatica di vasti strati di popolazione (specie giovanile) nei paesi sviluppati.

Basati su processori a 8 bit e costruttivamente molto semplici, erano dotati di interfacce esclusivamente testuali e come memorie di massa sfruttavano, almeno inizialmente, supporti analogici come le cassette audio (che fra l'altro, come è noto, tendono a smagnetizzarsi con l'uso). Erano utilizzati prevalentemente come console per videogiochi, oppure per i primi approcci con la programmazione.

È curioso notare che alcuni di questi computer avevano (fra l'altro) dei notevoli bug nei calcoli in virgola mobile, e quasi mai avevano sistemi di protezione della memoria, per cui si potevano fare dei danni semplicemente dando dei comandi di modifica della memoria passando degli indirizzi "opportuni" (POKE).

Con oltre dieci milioni di macchine vendute, il più rappresentativo computer di questa categoria fu il Commodore 64. Anche lo ZX Spectrum della Sinclair ebbe buona diffusione.Per Personal Computer (PC) si intende un microcomputer economico destinato, prevalentemente, a un utilizzo personale da parte di un singolo individuo. Si distingue da un Home computer principalmente perché si prestano - grazie alle maggiori risorse hardware e software a disposizione - a utilizzi maggiormente produttivi rispetto a questi ultimi, destinati invece a un utilizzo ludico o didattico. A differenza degli Home Computer, i PC odierni sono sempre più espandibili, sempre più spesso hanno più processori per supportare il multitasking, inoltre si prestano alla multimedialità, tutte cose che al tempo degli Home Computer erano considerate quasi "fantascienza"; si pensi che nella maggior parte dei casi questi nemmeno erano dotati di disco rigido e visualizzavano al massimo 16 colori "standard" (i mezzitoni si ottenevano con artifici grafici).

Dato che la definizione di Personal Computer si consolidò definitivamente con la diffusione dei computer PC IBM, oggi per Personal Computer (PC) spesso si intende un computer da essi derivato, ma inizialmente il termine andrebbe riferito a macchine con sistemi operativi e tipi di microprocessori del tutto diversi, quali l'Olivetti P6060 e le prime versioni dell'Apple (Apple I e soprattutto l'Apple II).workstation: computer general purpose monoutente dotati di più elevate risorse di elaborazione e costi maggiori rispetto ai normali personal computer e destinati ad uso e compiti professionali.

server: sono computer logicamente dedicati all'espletamento di particolari servizi richiesti da un computer client all'interno di un'architettura di rete client-server.

supercomputer: elevatissima capacità di elaborazione (spesso grazie ad un calcolo parallelo) e distinti dai mainframe perché solitamente destinati ad una singola applicazione come previsioni meteorologiche, climatiche, calcolo scientifico ad elevate prestazioni e simulazioni varie in generale.

microcontroller: elaboratori completi totalmente contenuti in singoli circuiti integrati e dedicati a specifiche applicazioni (specific purpose[16]) in sistemi embedded. Appartengono a quest'ultima categoria anche i dispositivi interni di commutazione in una rete di calcolatori.

sistemi barebone: personal computer preassemblati, costituiti di solito da case e scheda madre, pronti per ulteriori personalizzazioni da parte di rivenditori o utenti finali.

computer portatile o notebook computer trasportabili che possono entrare in una valigetta o essere appoggiati sulle ginocchia (laptop). Nella famiglia dei portatili tipologie tecnico-commerciali distinte dai notebook, propriamente detti, sono rappresentate dai netbook e dagli ultrabook.

computer palmari: computer di ridotte dimensioni, tali da essere portati sul palmo di una mano.

tablet computer: computer grandi come una tavoletta e dotati di uno schermo tattile (es. iPad della Apple, Galaxy Tab della Samsung)

smartphone: hanno ormai caratteristiche molto simili (o per meglio dire sovrapponibili, c'è una crescente tendenza ad eliminare le "barriere" tradizionali nell'informatica) ai computer palmari: oltre agli apparati elettronici di telecomunicazioni per la ricetrasmissione possiedono infatti anche un nucleo elettronico di elaborazione ed una memoria dati con tanto di sistema operativo ad hoc e svariate applicazioni oltre ovviamente ai consueti dispositivi di input-output.

console di videogiochi: rappresentano attualmente i computer domestici special purpose dalle capacità di processamento più elevate per far fronte alle più svariate esigenze di elaborazione, nonché anche il settore trainante per lo sviluppo di nuovi più evoluti processori.

registratori di cassa: le moderne casse utilizzate nel commercio sono mezzi informatici a tutti gli effetti. Quelle di livello medio-alto sono normali PC-client (di tipo touchscreen) che accedono, via rete, al server su cui gira il sistema gestionale dell'esercizio o della catena (vendite, magazzino, approvvigionamento, ecc.).

POS: i dispositivi per effettuare i pagamenti elettronici sono ormai mini computer.

ATM: volgarmente detti "bancomat", sono le apparecchiature informatiche per le comuni operazioni omonime.

Anche se non compresi nell'elenco, gli attuali cellulari, appena sopra il livello base, potrebbero anch'essi essere considerati computer dato che comprendono, in forma semplificata e minimale, le classiche funzioni e applicazioni da smartphone.

Si noti come queste categorie abbiano una valenza più che altro convenzionale, dal momento che le prestazioni di una "workstation" di cinque-dieci anni fa potrebbero risultare nettamente inferiori a quelle un PC odierno. È significativa in tal senso la celebre (e profetica) legge di Moore sullo sviluppo