Elementi di base del calcolatore

Elementi di base del calcolatore
ƒ Registri:
ƒ dispositivi elettronici capaci di memorizzare
insiemi di bit (8, 16, 32, 64,…)
ƒ Clock:
ƒ segnale di sincronizzazione per tutto il sistema
ƒ si misura in cicli/secondo [Hz]
(3 GHz = 3 x 109 Hz ⇒
1 ciclo è eseguito in 1/3 x 10-9 s = 0.3ns)
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Il calcolatore
ƒ Macchina per eseguire sequenze di
operazioni elementari
ƒ Hardware → Architettura
ƒ Software → Programmi
(algoritmi + strutture dati = programmi, N.Wirth)
ƒ Von Neumann (1945) (SISD)
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Calcolatore di Von Neumann
Unità di Controllo (CU)
Ingresso
(Input)
Memoria
Uscita
(Output)
Unità artimetica (ALU)
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Unità di Ingresso
ƒ Comunica con il calcolatore:
ƒ 1. Trasduttori (posizione, temperatura,
pressione, luminosità,…)
ƒ 2. Parte elettronica (per mantenere
l'informazione, per codificarla, per
segnalare lo stato dell'unità,…)
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Unità di Ingresso
ƒ Permette di:
ƒ introdurre dati
ƒ introdurre programmi
ƒ comunicare con dispositivi normalmente
non compatibili con il calcolatore (funziona
cioè da interfaccia)
ƒ Esempi:
tastiera, mouse, convertitori A/D, telecamere,
microfoni, scanner, lettori di codici a barre,...
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Unità di Uscita
ƒ Sistema usato dal calcolatore per
comunicare con il mondo esterno:
ƒ 1. Parte elettronica (per mantenere
l'informazione, per codificarla, per
segnalare lo stato dell'unità,…)
ƒ 2. Attuatori (trasformano il segnale
elettrico digitale in: posizione, temperatura,
pressione, luminosità,…)
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Unità di Uscita
ƒ Permette al calcolatore di:
ƒ comunicare con il mondo esterno
attraverso dispositivi normalmente non
compatibili con il calcolatore (funziona cioè
da interfaccia)
ƒ Esempi:
stampante, monitor, plotter, altoparlanti, convertitori
A/D,...
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Unità di Ingresso-Uscita
ƒ Alcuni sistemi possono essere utilizzati
indipendentemente come Ingresso e
Uscita:
ƒ dispositivi di memorizzazione esterna
(dischi, nastri magnetici)
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Unità di Controllo
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Sequenzializzazione delle operazioni
Fetch (lettura istruzione da memoria)
Interpretazione del codice operativo
Esecuzione dell’istruzione
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Unità Aritmetico-Logica
(Arithmetic Logic Unit, ALU)
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Comandata da segnali di controllo
Esegue operazioni aritmetiche e logiche
Accumulatore e Flags
Esegue operazioni su:
ƒ dati semplici (+,-,… and, or, …, shift, compl2)
ƒ dati complessi (*, /, +,- in doppia precisione)
ƒ floating point (anche come microprogrammi)
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Memoria
ƒ Memoria principale e secondaria
ƒ Modalità di accesso:
ƒ Sequenziale
ƒ Casuale
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Memoria
ƒ Organizzazione della memoria
ƒ Unità di informazione, caratterizzata da:
ƒ indirizzo o locazione
ƒ contenuto
ƒ Parametri caratteristici:
ƒ capacità [esempio 64 Mega bytes]
ƒ tempo di accesso [esempio 50 ns]
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Memorie a Sola Lettura
ƒ ROM - Read Only Memory o
memorie a sola lettura
ƒ La CPU, durante l'esecuzione di un
programma, può effettuarne solo la
lettura
ƒ L'informazione permane anche se viene
meno la tensione di alimentazione
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Memorie a Sola Lettura
ƒ La scrittura può essere effettuata con
modalità e tempi diversi:
ƒ PROM: Programmable ROM - La memoria è
scrivibile, dal costruttore o dall’utilizzatore, una
volta per tutte
ƒ EPROM: Erasable PROM - La memoria è scrivibile
all'utilizzatore e cancellabile con raggi ultravioletti
ƒ EAROM: Electrically Alterable ROM (EEPROM o
E2PROM) - Le celle di memoria sono più volte
riscrivibili elettricamente
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Memorie RAM
ƒ RAM - Random Access Memory
ƒ Memorie (di solito) a semiconduttore ad
accesso casuale che sono sia leggibili
sia scrivibili
ƒ L'informazione scompare se viene meno
la tensione di alimentazione
ƒ RAM statiche o RAM dinamiche
L'acronimo RAM viene utilizzato correntemente per indicare le memorie a lettura e scrittura
utilizzate come memorie principali di un sistema di elaborazione
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Memorie Flash
Le Flash memory sono memorie a stato solido (non hanno parti in
movimento) e sono memorie non volatili (mantengono
l’informazione anche se non sono alimentate) che si stanno
diffondendo in molteplici campi
Densità
elevata
ROM
DRAM
FLASH
Non
Volatile
EEPROM
Lettura e
scrittura
elettrica
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Dati e Programmi
ƒ Von Neumann introdusse il calcolatore
con programma immagazzinato la cui
memoria contiene sia i dati che il
programma (OpCodes, Operands)
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Architettura del calcolatore
ƒ BUS dei dati, BUS degli indirizzi e BUS
di controllo
ƒ PC, Instruction Reg., Address Reg.,
Data Reg.
ƒ Parallelismo del calcolatore
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Funzionamento del calcolatore
ƒ L'unità di controllo sequenzializza due
attività:
ƒ caricamento dell'istruzione (fetch)
ƒ esecuzione effettiva dell'istruzione
(execution)
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