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L’architettura del
computer e la CPU
(parte 2)
Dott.ssa Ramona Congiu
1
Anatomia del
computer
Dott.ssa Ramona Congiu
2
L’Unità centrale
3
Anatomia del computer
4
La scheda madre
All’interno del computer si trova la
scheda madre che contiene tutti i circuiti
a cui sono collegati il microprocessore, la
memoria, l’alimentatore a altri dispositivi.
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L’unità centrale di elaborazione
L’unità centrale di elaborazione (CPU) è il
centro nevralgico del computer.
In quasi tutti gli elaboratori la CPU è
costituita da un microprocessore.
Le CPU sono ricavate da sottili lamine di
silicio (chip) di facile ed economica
produzione.
Ogni chip contiene milioni di piccolissimi
interruttori acceso/spento, i transistor,
collegati tra loro da tracce di alluminio.
I transistor e i fili di collegamento formano
circuiti che elaborano dati e consentono così
ai computer di svolgere i più svariati compiti.
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L’unità centrale di elaborazione
Dato che il microprocessore svolge un gran
numero di funzioni, spesso, in momenti
fondamentali dell’attività di elaborazione si
verificano dei rallentamenti.
Per velocizzare le prestazioni del computer si
possono aggiungere altri microprocessori, detti
coprocessori che, sotto il controllo della CPU,
svolgono compiti specifici che di norma
richiedono tempo.
I coprocessori sono un tipo particolare di
processore parallelo.
In genere due o più processori possono
condividere alla pari le altre risorse del sistema
operando indipendentemente l’uno dall’altro ma il
sistema operativo deve coordinarne le attività. 7
Caratteristiche del microprocessore
Maggiore è la quantità di dati che un
computer può trasmettere ed elaborare,
maggiori sono la sua velocità e la sua
potenza.
I primi PC potevano elaborare soltanto 8
bit alla volta. In breve tempo comunque
arrivarono prima a 16, poi a 32 e
successivamente a 64 bit e ancora oggi le
loro prestazioni sono in continuo
miglioramento.
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Caratteristiche del microprocessore
I chip hanno un orologio incorporato
(clock) che ha la funzione di stabilire la
velocità di tutte le operazioni svolte al
computer.
Questa velocità viene misurata in
megahertz (MHz).
In genere più alta è la velocità del click,
maggiore è la velocità dell’elaboratore.
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Caratteristiche del microprocessore
Gli elaboratori sono programmati per svolgere vari
compiti mediante una serie di istruzioni semplici che
sono dette insieme di istruzioni del microprocessore.
Un insieme di istruzioni molto grande consente al
microprocessore di svolgere un’ampia gamma di
funzioni.
I microprocessori con un insieme di istruzioni
complesso è detto CISC.
I chip che ricorrono a un insieme di istruzioni ridotto
sono chiamati RISC.
I RISC hanno una speciale architettura interna che
consente l’esecuzione di più istruzioni in un unico
ciclo di elaborazione e sono più semplici ed
economici dei CISC.
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Quanto sono grandi i circuiti di un
chip?
I chip sono talmente piccoli che i milioni di
transistor che contengono sono creati con
fili incredibilmente sottili, misurati in micron
(millesimi di millimetro).
Un capello umano ha uno spessore di 100
micron, mentre i circuiti più piccoli sono
creati con fili di 0.9 micron.
Un capello potrebbe quindi contenere 110
fili.
Più questi sono sottili, più piccoli possono
diventare i chip e ciò significa chip più
economici e veloci.
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La memoria: ROM e RAM
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La memoria
Per svolgere le sue funzioni un elaboratore
deve avere una memoria dove archiviare i
programmi e i dati necessari.
Esistono diversi chip di memoria, ma
fondamentalmente si possono distinguere
due categorie:
◦ La ROM (Read Only Memory, memoria di sola
lettura)
◦ La RAM (Random Access Memory, memoria ad
accesso casuale)
Entrambe sono molto veloci
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La memoria ROM
La ROM è una memoria statica e inalterabile.
È chiamata anche memoria non volatile.
Il suo contenuto viene predisposto dalla casa
produttrice al momento della creazione e
non può essere modificato dall’utenza.
I dati in essa immagazzinati vengono
richiamati all’accensione del computer e non
si perdono con lo spegnimento.
Solitamente questi dati sono dei programmi
e delle istruzioni necessarie all’avvio della
macchina.
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La memoria RAM
La RAM, detta anche memoria centrale serve a
memorizzare dati e programmi di ogni tipo.
Quando si carica un programma o si crea un
documento, i dati immessi nell’elaboratore
tramite tastiera sono immagazzinati nella RAM.
Di solito, quando il computer viene spento, i
dati e i programmi presenti in questa memoria
vengono persi.
La memoria RAM è infatti una memoria
volatile.
Il termine random indica la modalità di
reperimento dei dati nella memoria.
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Tipi di memoria
Esistono vari tipi di memoria.
Un progettista di computer decide di usare una o
l’altra in base ai parametri quali la velocità, il costo e
la funzione che deve svolgere.
◦ DRAM (Dynamic RAM): è il tipo di memoria centrale
più diffuso. È chiamata dinamica perché le celle di
memoria mantengono i dati solo per breve tempo e
devono quindi essere aggiornate centinaia di volte al
secondo.
◦ SRAM (Static RAM): molto più veloce ma anche più
costosa, è una memoria statica che non deve essere
continuamente aggiornata.
Data la sua velocità viene utilizzata soprattutto in una
speciale area di memoria detta Cache. Questi chip di
memoria flash memorizzano dati analoghi alla DRAM
ma non sono volatili.
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I moduli di memoria SIMM e DIMM
In quasi tutti i sistemi per aggiungere
memoria non si installano singoli chip,
bensì moduli di memoria.
Si tratta di circuiti stampati che
contengono chip di memoria e che a loro
volta sono inseriti in appositi slot della
scheda madre.
Esistono due moduli, SIMM e DIMM.
I DIMM hanno quasi completamente
soppiantato di SIMM.
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Altri tipi di memoria
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La memoria virtuale
I programmi e i file molto estesi possono eccedere la
memoria disponibile anche se questa è molto grande.
Per evitare questo problema i moderni sistemi
operativi memorizzano parte dei dati e dei programmi
al momento non utilizzati fuori dalla memoria RAM.
Questo tipo di gestione della memoria è detto
memoria virtuale.
Quando l’elaboratore ha bisogno dei dati memorizzati
nell’hard disk, trasferisce nell’hard disk dei dati che si
trovavano nella RAM così da avere spazio nella RAM,
quindi trasferisce i nuovi dati utili dall’hard disk alla
RAM.
Questo sistema è conveniente dal punto di vista
economico anche se rallenta l’esecuzione durante i
movimenti.
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La memoria virtuale
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La cache
Quando un elaboratore effettua delle
operazioni, trasferisce spesso i dati tra la
CPU, il disco fisso e la memoria.
Per elaborare i dati questi devono essere
spostati nella CPU.
Poiché per effettuare questa operazione
occorre un certo tempo sono state ideate
delle tecniche per accelerarla.
La più comune consiste nel memorizzare i
dati in una speciale area di memoria ad alta
velocità chiamata cache, localizzata tra la
CPU e la memoria centrale.
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La cache
Quando il processore ha bisogno di certi
dati controlla prima se questi sono presenti
nella cache, se non ci sono li ricarica dalla
RAM.
Il computer effettua delle previsioni per
tentare di indovinare cosa l’utente andrà a
richiedere successivamente.
Quando l’utente richiede dei dati che
l’elaboratore deve reperire nella RAM o
sull’hard disk, insieme a questi vengono
trasferiti anche i dati successivi.
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La cache
La cache utilizza speciali chip di memoria
molto più veloci ma con un costo
maggiore rispetto a quelli della memoria
normale.
Esistono due livelli di memoria cache:
◦ Cache di livello 1: fa fisicamente parte del chip
del microprocessore
◦ Cache di livello 2: è costituita da chip di
memoria installati in speciali alloggiamenti
della scheda madre.
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La cache
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I buffer
Alcuni programmi assegnano a una piccola
parte della RAM la funzione di buffer
I buffer hanno varie applicazioni.
Per esempio mantengono in memoria i
dati immessi con la tastiera in attesa che
vengano accettati dalla CPU.
Un altro esempio può essere quello della
memorizzazione dei dati durante la fase di
copia/taglia e incolla.
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L’interazione tra CPU e
memoria
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L’interazione tra CPU e memoria
La CPU e la memoria interagiscono
nell’esecuzione dei programmi e
nell’elaborazione dei dati.
La CPU è costituita da due componenti:
◦ L’unità di controllo: esegue le istruzioni dei
programmi, controlla le attività del microprocessore
e controlla il flusso di istruzioni tra questo e la
memoria.
◦ L’unità logico-aritmetica: effettua operazioni
aritmetiche e logiche.
Queste due unità collaborano con la memoria
in un processo distinto in quattro fasi che porta
al completamente di un ciclo della macchina.
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Il ciclo della macchina
Il ciclo della macchina si divide in quattro
fasi:
◦
◦
◦
◦
Caricamento
Decodifica
Esecuzione
Memorizzazione
Il tempo necessario ad effettuare le prime
due operazioni è detto tempo
d’istruzione, quello per le ultime due è
detto tempo di esecuzione.
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Il ciclo della macchina
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I registri
Per i primi microprocessori l’addizione tra
due numeri era un problema perché avevano
un unico canale di accesso alla memoria e
quindi potevano vedere un numero per
volta.
Per ovviare a questo problema uno dei due
numeri veniva trasferito in una piccola area
di memorizzazione detta registro, facente
parte del microprocessore stesso.
I microprocessori moderni hanno vari tipi di
registri che rivestono diverse funzioni.
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I bus di input e output
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I bus di input e output
All’interno dell’elaboratore ci sono dei
collegamenti che consentono la
trasmissione delle informazioni tra i vari
componenti del sistema.
Questi collegamenti formano il bus, cioè
la linea di comunicazione attraverso cui
passano le informazioni, siano esse
interne o esterne.
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Il bus
Il bus di un computer è costituito da un
insieme di collegamenti in rame localizzati
sulla scheda madre dell’elaboratore.
Il bus di sistema: il bus di sistema è un
gruppo di collegamenti che uniscono la CPU
agli altri dispositivi del computer.
I bus locali: per aumentare le prestazioni, le
periferiche non sono collegate al bus di
sistema, ma attraverso i bus locali sono
collegate, insieme alla CPU e alla memoria, a
una linea di trasmissione dati più ampia.
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Adattatori e sistemi multimediali
Molti utenti personalizzano il computer per
renderlo più adatto alle proprie esigenze.
Questo è possibile grazie agli slot di
espansione presenti nella scheda madre
dell’elaboratore, in cui si possono inserire le
schede degli adattatori.
Gli slot di espansione sono collegati
direttamente al bus di sistema, e pertanto le
schede che vi vengono inserite operano
come se fossero state installare
nell’elaboratore fin dall’inizio.
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La tecnologia Plug and Play
Spesso, quando si vuole aggiungere un componente al
proprio computer, è necessario riavviare il computer
e configurare il nuovo dispositivo.
Per ovviare a questo problema alcuni sistemi
operativi presentano caratteristiche plug and play,
sono cioè in grado di configurare automaticamente i
nuovi dispositivi hardware.
Quando si collega un nuovo dispositivo il sistema
operativo lo riconosce automaticamente e carica il
driver corrispondente senza riavviare il sistema.
La tecnologia plug and play richiede tre componenti:
◦ Un sistema operativo
◦ Un BIOS (Basic Input-Output System) ovvero una
porzione della ROM in grado di controllare lo stato di
tutto l’hardware presente
◦ I dispositivi da installare
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I sistemi multimediali
Al momento gli slot d’espansione sono usati
soprattutto per trasformare i computer in
sistemi multimediali in grado di fornire
all’utente audio, animazioni e grafica di alta
qualità.
Un PC per diventare un sistema multimediale
deve avere almeno una scheda audio, un’unità
per leggere ed eventualmente anche scrivere
CD, DVD, un acceleratore grafico.
Queste componenti (salvo quelle di
archiviazione) vengono aggiunte tramite
schede inserite negli slot di espansione del bus
di sistema.
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I sistemi multimediali
Scheda video (Accelaratore grafico)
• E’ il componente del computer che permette di
generare le immagini da mostrare a video. A
seconda dei computer può essere più o meno
potente. Attualmente, le schede video posseggono
un processore dedicato (GPU) che esegue tutti i
calcoli necessari a vedere immagini 3D molto
sofisticate.
•Posseggono anche una quantità di RAM dedicata
che snellisce il lavoro della RAM del computer.
Pertanto, all’acquisto di un computer, è importante
verificare la presenza di una scheda video dedicata
e non completamente condivisa.
•Oggigiorno le schede video più gettonate sono
prodotte dalla NVIDIA e dalla ATI.
37
La comunicazione con le
periferiche
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La comunicazione con le periferiche
I componenti che si collegano al
computer sono detti periferiche.
I più comuni sono la stampante, la tastiera,
il mouse, lo scanner etc.
Le periferiche interne sono collegate
mediante cavi a specifici connettori posti
sulla scheda madre.
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La comunicazione con le periferiche
Per connettere questi dispositivi al
computer bisogna inserire i loro cavi in
apposite prese, dette porte, collocate
sull’elaboratore.
È da lì che le informazioni entrano ed
escono.
Il tipo e il numero di porte varia a
seconda dell’elaboratore, ma di norma
comprende le porte seriali, parallele,
fireware, USB e SCSI.
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Le principali porte Input/Output di
un computer
Le porte possono essere hardware, e quindi di tipo
fisico, o di tipo logico, quindi software.
L’utilizzo di una tipologia di porta rispetto ad un’altra è
determinato in base al tipo di dispositivo che si vuole
collegare.
USB (Universal serial bus) :
◦ Porta
è lo standard più usato per connettere
i componenti multimediali al PC.
È facile da usare e non è necessario
riavviare il computer quando si usa.
Attraverso di essa si possono
collegare molti dispositivi
(Penne USB, Lettori MP3, fotocamere, stampanti etc).
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Le principali porte Input/Output di
un computer
◦ Porta Seriale : è un’interfaccia fisica che viene
tipicamente usate per collegare un modem.
Nella maggior parte dei computer non è più
usata, poiché è stata sostituita dalla porta USB.
◦ Porta parallela : è un’interfaccia nata per
collegare un computer a uno scanner o a una
stampante. Anche queste porte stanno via via
scomparendo, sostituite dalle USB.
◦ Porta firewire: viene comunemente usata per
collegare dispositivi di archiviazione o di
acquisizione video al PC. Può trasferire grandi
quantità di dati e può stabilire una connessione
tra dispositivi anche senza un computer. È
superiore alla USB ma molto meno usata.
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Dall’infrarosso al bluetooth
Collegare vari dispositivi tramite cavi può
risultare noioso.
Nel 1993 la Hewlett-Packard introdusse per
la prima volta sui propri dispositivi la
tecnologia a infrarossi, grazie a cui due unità
possono scambiarsi dati senza essere
collegate tramite cavi. Il raggio infrarosso
emesso dall’elaboratore va infatti a colpire
l’altro elaboratore e in questo modo
vengono trasmessi i file dall’uno all’altro.
L’unico inconveniente è che non devono
esserci ostacoli sulla traiettoria del raggio.
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Dall’infrarosso al bluetooth
Le tecnologie wireless hanno raggiunto
un’efficienza e una maturità ben maggiore e
si apprestano a sostituire le connessioni via
cavo fisico in molti contesti.
Bluetooth: è un sistema di trasmissione radio
che permette di far comunicare dispositivi
elettronici di vario tipo entro un raggio di
100 metri. Il campo principale di questa
tecnologia consiste appunto
nell’interconnessione tra PC, apparati
elettronici domestici, computer palmari,
cellulari e periferiche.
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Fine
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