Evoluzione delle CPU
Università degli studi di Parma
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Informatica – a.a. 2012/13
Informatica
Facoltà di Medicina Veterinaria
a.a. 2012/13
prof. Stefano Cagnoni
Architettura del calcolatore
(parte III)
CPU
Anno
Frequenza
(MHz)
8086
1978
4.77 — 12
8 / 16
29 000
1982
8 — 16
16 / 16
134 000
275 000
80386
1986
16 — 33
32 / 32
80386 SX
1988
16 — 33
32 / 16
275 000
80486
1989
33 — 50
32 / 32
1 200 000
3 100 000
Pentium
1993
60 — 200
32 / 64
Pentium II
1997
233 — 400
32 / 64
7 500 000
Pentium III
1999
450 — 1133
32 / 64
24 000 000
Pentium 4
2000
1600 — 2000
32 / 64
42 000 000
100 000 000
Osservazione di Gordon Moore nel 1965:
10 000 000
1 000 000
In origine X era 12. Correzioni successive hanno portato
a fissare X=18. Questo vuol dire che c’è un incremento
di circa il 60% all’anno.
100 000
1989
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# Transistor [CPU Intel]
il numero dei transistor per cm2
raddoppia ogni X mesi
Numero di
transistor
80286
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Legge di Moore
Dimensione registri /
bus dati
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1991
1993
1995
1997
1999
-4-
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Caratteristiche dell’architettura
dell’elaboratore
Legge di Moore e progresso
Il progresso della tecnologia provoca un aumento del numero
di transistor per cm2 e quindi per chip.
Un maggior numero di transistor per chip permette di
produrre prodotti migliori (sia in termini di prestazioni che di
funzionalità) a prezzi ridotti.
I prezzi bassi stimolano la nascita di nuove applicazioni (ad
es. non si fanno video game per computer da milioni di $).
Nuove applicazioni aprono nuovi mercati e fanno nascere
nuove aziende.
L’esistenza di tante aziende fa crescere la competitività che,
a sua volta, stimola il progresso della tecnologia e lo sviluppo
di nuove tecnologie.
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Modularità
Scalabilità
ogni componente ha una funzione specifica
ogni componente può essere sostituito con uno equivalente ma con
maggiori prestazioni
Standardizzazione
Riduzione dei costi
Semplicità
componenti facilmente sostituibili in caso di malfunzionamento
grazie alla produzione su larga scala
di installazione ed esercizio del sistema
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Cambiare di un ordine di grandezza la quantità significa
cambiare anche la qualità:
Tipo
Prezzo (€)
Calcolatore monouso
1
Calcolatore dedicato
10
Calcolatore per videogiochi
100
Calcolatore per PC
1K
Server
10 K
Reti di workstation
100 K
Mainframe
1M
Supercalcolatore
10 M
Nei computer le differenze sono di diversi ordini di
grandezza.
I miglioramenti procurati dalla legge di Moore possono
essere utilizzati in modi diversi:
• costruire calcolatori sempre più potenti a prezzo costante;
• costruire lo stesso calcolatore a prezzi ogni anno più
convenienti.
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Classi di Calcolatori
• un’auto in grado di raggiungere una velocità di 1000 km/h nel
deserto del Nevada è una macchina fondamentalmente diversa
da un’auto fatta per viaggiare a 100 km/h sull’autostrada;
• un grattacielo di 100 piani non è solo un edificio di 10 piani un
po’ più grande.
Flessibilità
adatta a svolgere diverse tipologie di compiti
Quantità vs. qualità
Applicazione tipica
Biglietti di auguri
Orologi, automobili, …
Videogiochi personali
PC da tavolo o portatile
Server di rete
Centro di calc. Dipartim.
Database di una banca
Previsioni del tempo
I prezzi sono solo indicativi!
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2
Classi di Calcolatori
Classi di Calcolatori
Calcolatori monouso:
• chip singoli incollati all’interno dei biglietti di auguri;
• si tratta in pratica di calcolatori usa e getta.
• dotati di alcuni gigabyte di memoria, di un disco fisso contenente
alcune decine di gigabyte di dati, drive DVD e/o CD–ROM,
modem, scheda audio e altre periferiche;
• dotati di sistemi operativi elaborati, molte opzioni di espansione
e una vasta gamma di software disponibile.
• Gli smartphone di fascia più alta sono veri e propri PC
Sistemi embedded (calcolatori dedicati):
• calcolatori che si trovano in telefoni, televisori, forni, auto, …
• questi calcolatori contengono un processore, meno di un
megabyte di memoria e qualche funzione di I/O.
Videogame
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Classi di Calcolatori
NOW (Network of Workstations) o COW (Cluster of
Workstations)
Supercomputer
• hanno CPU velocissime, molti gigabyte di memoria
centrale, dischi e reti molto veloci.
• Recentemente molti supercomputer sono diventati
macchine altamente parallele non molto diverse dai COW,
ma con componenti più veloci e più numerosi.
• I supercomputer vengono utilizzati per risolvere problemi
di calcolo molto complicati in campi scientifici e
ingegneristici:
Mainframe
• calcolatori grandi come una stanza, in uso fin dagli anni ’60;
• non sono più veloci di server potenti, ma solitamente hanno più
capacità di I/O e sono dotati di grandi insiemi di dischi
• sono macchine estremamente costose, che vengono spesso
mantenute per via dell’ingente investimento esistente in termini
di software, dati, procedure operative e personale.
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Calcolatori disponibili
• composti da PC o workstation normali collegate con reti ad
elevate prestazioni (qualche gigabit/sec) e funzionanti con
software speciale, che permette a tutte le macchine di lavorare
insieme su un unico problema;
• architetture sono facilmente scalabili (da alcune macchine ad
alcune migliaia) e sono paragonabili a minisupercomputer.
Server di rete
• si tratta di PC o workstation potenziati utilizzati come server di
rete sia per le reti locali che per Internet;
• esistono sia in configurazione con processore unico che con più
processori, hanno alcuni gigabyte di memoria, molti gigabyte di
spazio sul disco fisso e interfacce di rete ad alta velocità.
• normali calcolatori con particolari capacità grafiche, ma
software limitato e poche possibilità di estensione; fanno parte
di questa categoria anche i PDA e gli smartphone di fascia più
bassa;
• contengono un processore, alcuni megabyte di memoria, uno
schermo e poco di più.
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Personal computer (PC) o workstation:
•
•
•
simulazione di uno scontro fra galassie,
sintesi di nuovi farmaci,
modelli del comportamento dell’aria attorno alle ali di un
aereo.
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Principali componenti di un sistema di
elaborazione
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Informatica
Hardware
Software
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Il software:
Applicazioni e Sistemi Operativi
– Software di sistema: Sistema operativo
– Software applicativo: Applicazioni
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Motivazioni
Sistema a livelli
Obiettivo per un sistema costituito da diversi componenti
ben separati:
– Disporre di un sistema a livelli, in cui lo strato superiore
mascheri quello inferiore
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Applicazioni
Software
Sistema Operativo
Perché costruire un sistema a livelli:
– Per i progettisti: modularità -> semplicità nella
progettazione, nella realizzazione e nell’estensione
(modificabilità); naturale strategia di gestione della
complessità
– Per gli utilizzatori: virtualizzazione -> fare apparire la
realtà in modo diverso (più semplice e/o più gradevole)
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Hardware
Windows
Unix/Linux
Mac OS
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È il livello di SW con cui
interagisce l’utente
e comprende
programmi quali :
Compilatori
Editori di testi
Fogli elettronici
Sistemi bancari
Navigatori per Web
…..
gcc, Word, PowerPoint
Excel, Explorer
Photoshop, Gimp
È il livello di SW che interagisce direttamente
con l’hw e che si occupa di un uso corretto
ed efficiente delle risorse fisiche (processore, memorie,
periferiche etc.)
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4
I componenti di un sistema di elaborazione
Componenti di un sistema di elaborazione
• Nel caso di un sistema monoutente:
• In generale:
Applicazioni
Sistema operativo
A cosa serve il SO?
Un S.O. implementa una macchina virtuale più agevole e più sicura da
programmare ed utilizzare rispetto all’hw sottostante.
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Organizzazione a strati
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Architettura del Software
•Software = insieme (complesso) di programmi
- Organizzazione a strati, ciascuno con funzionalità di livello più alto
rispetto a quelli sottostanti:
programmi utente
Sistema
Operativo
“Macchine Virtuali”
HW
•Firmware:
strato di (micro-)programmi che agiscono direttamente sullo strato
hardware
memorizzato dal costruttore su una memoria permanente (ROM)
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Cosa è il software?
Esecuzione di un programma
Il software è un insieme di programmi che permettono
ad un calcolatore di offrire agli utenti determinate
funzionalità
Cosa è un programma?
L’esecuzione delle azioni nell’ordine specificato
dall’algoritmo consente di ottenere, a partire dai dati di
ingresso, i risultati che risolvono il problema
dati
input
– Un programma è un’entità statica, descritta in un
linguaggio ben definito, che specifica:
• l’insieme di istruzioni che il calcolatore deve eseguire
•
la sequenza in cui devono essere eseguite
Applicazioni
Quando un programma viene messo in esecuzione si ha
l’attivazione di un processo.
Un processo è un’entità dinamica, il cui stato
rappresenta il modo in cui si esegue il programma
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Sistema operativo
Hardware
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Quali e quanti applicativi software?
Per
Per
Per
Per
Per
calcolo scientifico
videoscrittura
memorizzazione e recupero dati
comunicazione
svago, …
Foglio elettronico
– Tabelle di valori e generazione di grafici: Excel, Lotus,
OpenOffice Calc
Software per database
– Sistema per l’archiviazione ed il recupero efficiente di dati
in formato digitale: Access, Oracle, MySQL, …
Le multinazionali del software (IBM, Microsoft, EDS, …)
Grandi software house
Gruppi di sviluppatori di free software
Gruppi di ricerca per prototipi
Singole persone
…
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Sofware per elaborazione testi
– Creazione, modifica e stampa di un documento: Word,
Editor, OpenOffice Writer
Per ogni categoria, esistono innumerevoli applicativi
software prodotti da fonti diverse:
–
–
–
–
–
–
- 22 -
Esempi
Esistono tanti tipi di applicativi software:
–
–
–
–
–
risultati
output
Software per presentazioni
– Creazione di testi/immagini per diapositive e prospetti:
PowerPoint, Acrobat, …
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Esempi
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Software per la comunicazione
– Creazione, invio e ricezione di posta elettronica: Outlook,
Eudora, …
– Navigazione su Web: Explorer, Firefox, …
Sistemi operativi
Software per il calcolo
– Simbolico e/o numerico: Matlab, …
Software di utilità
Cos’è un virus informatico ?
– Antivirus, antispyware, …
– E’ un programma software anche lui …
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Funzioni dei sistemi operativi
Definizioni
Realizzano le operazioni base necessarie per l’uso
efficace del computer, ma non supportate direttamente
dall’hardware
–
–
–
–
–
–
Il sistema operativo (OS):
–
–
–
–
–
–
Esegue il boot
Gestisce la memoria centrale
Gestisce il processore
Gestisce i dispositivi di input/output
Gestisce i file
Gestisce le connessioni alle reti e le comunicazioni
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Un Sistema Operativo è un insieme di programmi che
servono a gestire le attività fondamentali di un
calcolatore:
Lettura o scrittura di file
Caricamento ed esecuzione di programmi
Gestione della memoria
Gestione dei dispositivi di input/output
Comunicazione tra calcolatori (rete)
Gestione degli utenti
Un sistema operativo funziona da intermediario fra
l’utente e l’hardware, con lo scopo di fornire un
ambiente nel quale l’utente possa eseguire i programmi
in maniera “sicura” ed efficiente
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Tipi di sistemi operativi
Tipi di sistemi operativi
Il mondo Windows:
Windows95, Windows98, Windows2000, Windows NT
Workstation/Server, Windows CE, Windows XP, Windows
Vista, Windows 7, Windows 8
Sistemi operativi più diffusi:
Microsft Windows
– XP
– Vista
Il mondo Unix/Linux:
Sun Solaris, IRIX, HP-UX, SCO, Linux, …
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Sistema operativo (S.O.)
In base al numero di utenti:
Mono-utente (mono-user)
– un solo utente alla volta può utilizzare il sistema
Le funzioni offerte dal S.O. dipendono dalla complessità
del sistema di elaborazione:
gestione delle diverse risorse hardware
gestione della memoria centrale
organizzazione e gestione della memoria di massa
interpretazione ed esecuzione di comandi elementari
gestione della multi-utenza e del multi-tasking
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Classificazione dei S.O.
Strato di programmi che opera al di sopra di hardware e
firmware e gestisce l’elaboratore
–
–
–
–
–
Linux
Unix
Mac OS-X di Apple (per Macintosh)
Multi-utente (multi-user)
– più utenti in contemporanea possono interagire con la
macchina
– il S.O. deve fornire a ciascuno l'astrazione di un sistema
“dedicato”
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Classificazione dei S.O.
Interazione dell’utente con il S.O.
In base al numero di programmi in esecuzione:
Mono-programmato (mono-task)
– diversi S.O. possono realizzare diverse macchine virtuali
sullo stesso hardware
– aumenta l’astrazione nell’interazione utente/elaboratore
– si può eseguire un solo programma per volta
Un utente "vede" l’elaboratore solo tramite il S.O., che
simula una “macchina virtuale”
•
Multi-programmato (multi-task)
•
– il S.O. permette di eseguire più programmi in
contemporanea (su una sola CPU)
– il S.O. deve gestire la suddivisione del tempo della CPU
fra i vari programmi (time-sharing)
senza S.O.: sequenze di bit
con S.O.: comandi, programmi, dati
Il S.O. traduce le richieste dell’utente in opportune
sequenze di comandi da sottoporre alla macchina fisica
– Il S.O. traduce qualsiasi operazione di accesso a risorse
hardware, implicitamente richiesta dal comando
dell’utente
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Informatica 2012/2013
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Interazione dell’utente con il S.O.
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Interazione dell’utente con il S.O.
Interfaccia testuale
– Il S.O. interagisce con l’utente mediante l’interpretazione
di linee di comando
– esempi: DOS, Linux
Utente
“esegui progr1”
“risultato = 10”
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S.O.
input da tastiera
ricerca codice di “progr1” su disco
carica in RAM codice e dati
<elaborazione>
output su video
Interfaccia grafica o GUI (Graphical User Interface)
– tutti i programmi e le funzioni sono mostrati sullo
schermo mediante simboli immediatamente comprensibili
(icone)
– esempi: Windows, MacOS (Macintosh), Linux+KDE
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Le funzioni di un S.O.
Le funzioni di un S.O.
Esecuzione delle applicazioni
Archiviazione di dati e programmi
– carica il programma binario prodotto della compilazione (e
residente su disco) nella RAM,
– cede il processore all’applicazione da eseguire
– mette a disposizione dell’utente una visione astratta della
memoria secondaria (il file system basato sulle astrazioni
file/archivi e folder/cartelle)
– gestisce la realizzazione di queste astrazioni sul supporto
fisico (disco) gestendo tutti i dettagli legati alla
lettura/scrittura dei settori
Facilitazione dell’accesso ai dispositivi di I/O
– interagisce con le periferiche facendosi carico di tutti i
dettagli fisici (es. modem, reti, video…)
– mette a disposizione operazioni di lettura/scrittura ad alto
livello che possono essere usate senza conoscere i dettagli
tecnici della periferica
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Le funzioni di un S.O.
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….
Gestione delle risorse
Fine per oggi…
– ripartisce le risorse disponibili fra le varie applicazioni
(processore, RAM, periferiche)
– evita che ci siano malfunzionamenti dovuti all’uso
contemporaneo di risorse
•
es: un word processor e un web browser che
inviano contemporaneamente dati alla stampante
potrebbero provocare una stampa erronea
– ottimizza le prestazioni adottando delle politiche che
permettano di sfruttare al meglio tutte le parti del
computer
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