Hardware/Software e Comunicazione Dati

Modello di Von Neumann (1945)

Architettura a programma memorizzato basata su 5 unità funzionali:

1. CPU (Central Processing Unit): Unità di Controllo (CU) + ALU
2. Memoria centrale (RAM)
3. Bus di sistema (data, address, control)
4. Unità I/O
5. Memoria di massa

Caratteristica fondamentale: dati e istruzioni condividono la stessa memoria → ciclo fetch-decode-execute sequenziale.

Architettura Harvard

Memorie separate per dati e istruzioni → maggior parallelismo, usata in microcontrollori (Arduino, ARM Cortex-M) e DSP.

CPU moderna

• Registri: PC (Program Counter), IR (Instruction Register), MAR/MDR, registri general purpose
• Pipeline: sovrapposizione delle fasi del ciclo (5-15 stadi tipici): IF → ID → EX → MEM → WB
• Cache multi-livello (L1, L2, L3) — riduce latenza accessi memoria
• Multi-core: più core indipendenti su singolo chip
• Hyper-threading: 2 thread logici per core fisico

Set di istruzioni

• CISC (Complex Instruction Set Computing): x86, x86_64 — istruzioni complesse, codifica variabile
• RISC (Reduced Instruction Set Computing): ARM, RISC-V, MIPS — istruzioni semplici, codifica fissa, pipeline efficiente

Piramide della memoria

Livello	Tipo	Dimensione	Latenza	Costo/bit
Registri CPU	SRAM	KB	<1 ns	Massimo
Cache L1	SRAM	32-64 KB	1-3 ns	Molto alto
Cache L2	SRAM	256 KB - 1 MB	3-10 ns	Alto
Cache L3	SRAM	4-64 MB	10-30 ns	Medio-alto
RAM	DRAM	GB (4-128)	50-100 ns	Medio
SSD NVMe	Flash	TB	10-100 μs	Basso
HDD	Magnetico	TB-PB	5-15 ms	Minimo

Principio di località

• Località temporale: dato acceduto recentemente verrà riacceduto presto
• Località spaziale: dato vicino a uno acceduto verrà acceduto presto

→ giustifica l'esistenza delle cache.

Memoria virtuale

Tecnica che permette l'esecuzione di processi più grandi della RAM fisica usando la paginazione (pagine 4 KB tipiche). Componenti: TLB (Translation Lookaside Buffer), page table, page fault gestito dal SO con swap su disco.

Funzioni principali

1. Gestione processi (scheduling CPU, IPC, sincronizzazione)
2. Gestione memoria (allocazione, paginazione, swap)
3. File system (gerarchia, permessi, journaling)
4. Gestione I/O (driver, buffering, spooling)
5. Sicurezza (autenticazione, autorizzazione, audit)

Modalità di esecuzione

• Kernel mode (ring 0): accesso completo hardware, esecuzione istruzioni privilegiate
• User mode (ring 3): accesso limitato, syscall per richieste al kernel

Algoritmi di scheduling CPU

Algoritmo	Caratteristica	Pro/Contro
FCFS (First Come First Served)	FIFO non preemptive	Semplice / Convoy effect
SJF (Shortest Job First)	Minor burst time	Ottimo wait medio / Starvation
Round Robin	Quanto fisso preemptive	Equità / Overhead context switch
Priority	Per priorità	Flessibile / Starvation (mitigato con aging)
MLFQ (Multi-Level Feedback Queue)	Code multiple, feedback	Adattivo / Complesso

Sistemi operativi diffusi

• Linux (kernel monolitico modulare, GPL)
• Windows NT (kernel ibrido)
• macOS (kernel XNU = Mach + BSD)
• Android (Linux + Java VM)
• iOS (Darwin = XNU + Cocoa Touch)

Modello ISO/OSI (7 livelli)

Livello	Nome	Funzione	Esempio protocollo
7	Applicazione	Servizi utente	HTTP, SMTP, FTP, DNS
6	Presentazione	Encoding, compressione, cifratura	TLS, JPEG, MIME
5	Sessione	Gestione sessioni	NetBIOS, RPC
4	Trasporto	End-to-end, affidabilità	TCP, UDP
3	Rete	Routing, indirizzamento logico	IP, ICMP, OSPF
2	Data Link	Frame, controllo accesso mezzo	Ethernet, PPP, MAC
1	Fisico	Trasmissione bit	Cavi, fibra, segnali

Modello TCP/IP (4 livelli)

1. Applicazione (HTTP, FTP, DNS, SMTP, ...)
2. Trasporto (TCP, UDP)
3. Internet (IP, ICMP, ARP)
4. Accesso alla rete (Ethernet, Wi-Fi)

TCP vs UDP

Caratteristica	TCP	UDP
Connessione	Connection-oriented	Connectionless
Affidabilità	Garantita (ack, retx)	Best effort
Ordine	Garantito	Non garantito
Overhead	Alto (header 20 byte)	Basso (header 8 byte)
Uso tipico	Web, email, file transfer	Streaming, DNS, VoIP, gaming

Indirizzamento IP

• IPv4: 32 bit, ~4,3 miliardi indirizzi (esauriti 2011), notazione decimale puntata (es. 192.168.1.1)
• IPv6: 128 bit, ~3,4×10³⁸ indirizzi, notazione esadecimale (es. 2001:db8::1)
• CIDR (Classless Inter-Domain Routing): notazione /n (es. 192.168.0.0/24)
• NAT (Network Address Translation): traduzione IP privato ↔ pubblico
• Indirizzi privati IPv4: 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16

Porte standard

Servizio	Porta
HTTP	80
HTTPS	443
FTP	20/21
SSH	22
SMTP	25 / 587 (submission)
DNS	53
POP3 / IMAP	110 / 143
RDP	3389

DNS (Domain Name System)

Sistema gerarchico distribuito che traduce nomi dominio in indirizzi IP. Organizzato in: root server (13) → TLD (.com, .it) → autoritativi → resolver locali. Record principali: A (IPv4), AAAA (IPv6), CNAME, MX, TXT, NS.

Topologie LAN

• A bus (storica)
• A stella (switch centrale — standard moderno)
• Ad anello (Token Ring, FDDI)
• A maglia (mesh — ridondanza)

Ethernet (IEEE 802.3)

• Velocità attuali: 1 Gbps, 10 Gbps, 25/40/100 Gbps
• Cavi: UTP cat 5e/6/6a/7, fibra ottica
• Lunghezza max segmento UTP: 100 m
• MAC address: 48 bit, univoco per scheda di rete (formato XX:XX:XX:XX:XX:XX)

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Standard	Anno	Frequenza	Velocità max
802.11a/g	1999/2003	5 GHz / 2.4 GHz	54 Mbps
802.11n (Wi-Fi 4)	2009	2.4/5 GHz	600 Mbps
802.11ac (Wi-Fi 5)	2013	5 GHz	6,9 Gbps
802.11ax (Wi-Fi 6)	2019	2.4/5/6 GHz	9,6 Gbps
802.11be (Wi-Fi 7)	2024	2.4/5/6 GHz	46 Gbps

Sicurezza Wi-Fi

• WEP (deprecato, vulnerabile)
• WPA/WPA2 (TKIP/AES)
• WPA3 (standard 2018, SAE handshake)

Apparati di rete

• Hub (livello 1) — broadcast, obsoleto
• Switch (livello 2) — forwarding intelligente per MAC
• Router (livello 3) — instradamento tra reti
• Firewall (livello 3-7) — filtro pacchetti / stateful / application
• Access Point Wi-Fi
• Load balancer (livello 4-7)

Classificazione software

• Sistema operativo (Windows, Linux, macOS)
• Software di base (driver, utility, compilatori)
• Software applicativo (Office, browser, ERP)
• Firmware (BIOS/UEFI, microcodice)
• Middleware (DBMS, application server)

Licenze software

Tipo	Caratteristica	Esempio
Proprietaria	Codice chiuso, restrizioni d'uso	Microsoft Office
Freeware	Gratuito, codice chiuso	Adobe Reader
Shareware	Trial → pagamento	WinRAR
Open Source (OSI)	Codice aperto, modificabile	Linux, Apache
Free Software (FSF)	4 libertà essenziali (GPL)	GNU/Linux
Permissiva (MIT, Apache, BSD)	Open source con poche restrizioni	React (MIT)
Copyleft (GPL, AGPL)	Derivati devono restare aperti	Linux kernel

Cloud computing — modelli di servizio

• IaaS (Infrastructure as a Service): AWS EC2, Azure VM
• PaaS (Platform as a Service): Heroku, Google App Engine
• SaaS (Software as a Service): Microsoft 365, Salesforce
• FaaS / Serverless: AWS Lambda, Azure Functions

Virtualizzazione vs containerizzazione

• Virtualizzazione (VMware, KVM, Hyper-V): hypervisor ospita VM con SO completo
• Container (Docker, Podman): condividono kernel host, leggeri e portabili
• Orchestrazione: Kubernetes standard de facto