Cos`è l`informatica? (parte2)

a.a. 2006-'07
Cos’è l’informatica?
(parte2)
Laboratorio di Informatica - Sez.A
Lez. T2 (teoria)
L.A. Ripamonti
Scopo della lezione
† Proseguire la descrizione dei
componenti hardware del calcolatore
e il suo funzionamento secondo il
modello di macchina di Von Neumann
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Motori per l’esecuzione di istruzioni
† I computer possono:
„ eseguire deterministicamente istruzioni per elaborare
informazioni
† I computer:
„ non hanno immaginazione né creatività
„ non hanno intuito
„ non possiedono senso dell’humor, ironia, decoro,
proporzione e non capiscono le sottigliezze
„ non sono crudeli né vendicativi
„ non hanno alcuna forma di libero arbitrio
„ …
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Il ciclo macchina
† Un ciclo in cinque passi:
1.Fetch istruzione
2.Decodifica istruzione
3.Fetch Dati
4.Esecuzione Istruzione
5.Restituzione Risultato
Per capire il ciclo macchina
è necessario comprendere
l’organizzazione interna
dell’elaboratore
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Macchina di Von Neumann
† È la struttura base di qualsiasi
calcolatore elettronico
CPU
MEMORIA
CENTRALE
Interfaccia I/O
BUS DI SISTEMA
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Memoria centrale
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Memoria centrale
† È la memoria di lavoro (la RAM):
„ contiene informazioni necessarie (istruzioni, dati) per
far svolgere un programma alla CPU
† L’unità di informazione minima è il bit (binary digit):
„ può essere considerato come una casella in cui è
possibile scrivere il simbolo 0 oppure il simbolo 1 (e
solo quelli)
† La capacità della memoria si misura nel numero di
byte che contiene complessivamente:
† 256 MB memorizzano 268 435 456 caratteri (circa
l’equivalente di otto enciclopedie da dieci volumi)
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Memoria centrale
†
Nella memoria centrale sono
caricati il sistema operativo, i
programmi e i dati (che se non
usati risiedono sull’HD):
„
il sistema operativo viene
copiato in una zona ad esso
riservata della memoria centrale
all’avvio del computer (e lì
rimane fino a quando verrà
spento il computer)
„
dati e programmi sono caricati
di volta in volta nello spazio
restante e scaricati sul disco
quando non sono più in uso
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Memoria: i bit e la codifica delle
informazioni
† Con 1 solo bit si possono rappresentare due
elementi diversi:
„ si assegna al primo elemento la codifica 0 e al
secondo la codifica 1
† Con 2 bit si possono rappresentare 4
elementi diversi:
„ 00, 01, 10, 11
† Con n bit si possono rappresentare 2n
elementi diversi
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Memoria: il byte
† Una sequenza di 8 bit è detta byte, ed è
diventata un’unità di misura della
disponibilità di memoria
„ spesso è anche la minima unità di memoria
trasferibile tra la memoria e la CPU
† Permette di rappresentare i caratteri
stampabili (le lettere dell’alfabeto, le cifre, i
simboli della punteggiatura, …) usando una
sequenza di 7+1 bit:
„ un bit di controllo e 7 per la codifica
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Memoria - word
† Una word (o parola) è un insieme di bit
accessibili simultaneamente dalla CPU
† Una CPU viene spesso identificata
attraverso la lunghezza della parola che
contiene gli indirizzi di memoria che la CPU
è in grado di usare (microprocessore a 16,
32, 64 bit)
† La dimensione comune di una word è 32
bit
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Memoria: bit, byte e word
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Prefissi
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Celle di memoria
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Celle di memoria
† Ogni cella di memoria contiene un
byte ed è contraddistinta da un
indirizzo:
„ l’unità minima indirizzabile può anche
essere la word
„ Volendo scrivere o leggere un dato
nella/dalla memoria il processore deve
sempre specificare l’indirizzo della cella
alla quale vuole accedere
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Memoria: proprietà
†
Velocità
„
„
†
†
†
†
di accesso (t impiegato dal processore per accedere ad un indirizzo)
di trasferimento (quantità di dati trasferita in una unità di t), anche
chiamata ampiezza di banda, si misura in bit/sec
Capienza (quantità di byte che può contenere)
Costo (misurato in euro per byte)
Modalità di accesso
„
„
in lettura (la possibilità di reperire le informazioni memorizzate)
in scrittura (la possibilità di modificare le informazioni memorizzate)
„
le memorie volatili perdono il contenuto in assenza di alimentazione
elettrica
le memorie permenenti lo mantengono (per un tempo che dipende
dal tipo di dispositivo: decenni o più)
Volatilità (la possibilità di mantenere/perdere il proprio
contenuto anche in assenza di alimentazione elettrica):
„
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La memoria volatile
† Perde il suo contenuto se non viene
alimentata elettricamente
† genericamente indicata con il termine RAM
(Random Access Memory) perché il tempo
di accesso ad una cella di memoria non
dipende dalla sua posizione fisica, ma è lo
stesso per tutte le celle
† La memoria centrale, le cache e i registri
del processore sono memorie volatili
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La memoria permanente
† Memorie di sola lettura, ROM, Read Only
Memory
„ il contenuto, una volta immagazzinato, è
inalterabile
† Memorie di lettura e scrittura
„ i contenuti possono essere letti e anche cambiati
nel tempo (FlashROM)
† Tipicamente contiene informazioni utilizzate
per eseguire particolari funzioni, come
l’avvio del computer (BIOS)
† Ha bassi consumi energetici
„ adatta per PDA, riproduttori MP3
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Gerarchie di memoria
† costo e velocità di una memoria sono proporzionali,
quindi la memoria di un computer è distribuita su
dispositivi HW diversi, organizzati in una gerarchia di
memorie:
† ai livelli più alti della gerarchia di memorie ci sono le
memorie più veloci, più piccole, più costose
„ registri e cache
† ai livelli più bassi ci sono quelle più lente, più capienti,
più economiche:
„ CD, DVD, dat, zip
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Gerarchie di memoria
† Registri
† Cache I livello
† Cache II
livello
† Memoria
centrale
† Hard disk
† Supporti
magnetici e
ottici
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Gerarchie di memoria
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Gerachie di mem. - registri
† Al vertice della gerarchia ci sono i
registri della CPU:
„ ognuno di essi può contenere una parola
„ capacità inferiore a 1 KB
„ sono molto veloci ma anche molto
costosi
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Gerachie di mem. - cache
† Al secondo livello è la cache, una memoria
RAM più veloce di quella centrale:
„ “magazzino” a metà strada tra la memoria
centrale e il processore
„ Contiene informazioni che il sistema operativo di
volta in volta ritiene più urgenti e utili
(dati/programmi a cui si accede spesso)
† La cache di I livello (L1) è integrata nel
processore, quella di II livello (L2) risiede
su un chip a parte
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Gerachie di mem. – mem. centrale
† La memoria centrale è il livello sotto le cache
† Vi vengono caricati i dati e i programmi per essere
eseguiti:
„ quando il computer è spento tutte le informazioni
risiedono sul disco fisso e sulle ROM
„ quando lo si accende, per primo viene caricato il
sistema operativo insieme alle informazioni
necessarie al suo funzionamento, poi i programmi
che l’utente esegue e i relativi dati
† E` condivisa tra tutti i programmi in esecuzione
simultaneamente
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Gerachie di mem. – altri supporti
† Supporti ottici:
„ CD-ROM, DVD
„ Bassa velocità di accesso
„ Write once, read many
„ Basso costo
„ Portabilità
„ Alti consumi energetici
† Supporti magnetici:
„ Hard disk, floppy, zip
„ Scrittura e lettura
„ Bassa velocità di accesso
„ Basso costo
„ (in alcuni casi) portabilità
„ Alti consumi energetici
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Hard disk
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Il bus di sistema
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Bus di sistema
† È il canale fisico di collegamento e
comunicazione tra le diverse unità
funzionali del calcolatore:
„ Consente alla CPU di gestire il flusso di
informazioni nel computer e le interazioni I/O
„ E`composto da un insieme di fili
„ In ogni istante, su ogni filo, passa un bit (se il
bus è formato da n fili, può trasferire n bit
contemporaneamente ), e quindi l’ampiezza del
bus influenza la velocità del computer
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Bus di sistema
† Periferiche diverse possono usare tipi di bus
diversi, a seconda della velocità di
trasmissione dati richiesta
† La memoria centrale ha bisogno di un
canale molto più veloce rispetto alle
periferiche
† Oltre al bus di sistema, i PC di oggi sono
forniti anche di un insieme di bus locali che
collegano le periferiche alla CPU
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Il bus di sistema
† In un dato istante, sul bus può passare:
„ un dato in trasferimento tra CPU e memoria o
tra CPU e una periferica
„ un indirizzo che identifica una posizione nella
memoria alla quale la CPU deve leggere o
scrivere
„ un segnale di controllo, come la selezione
dell’unità coinvolta nel trasferimento dati
(sorgente e destinatario) o la definizione della
direzione dello scambio (lettura o scrittura)
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Il processore
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CPU – Central Processing Unit
† È l’elemento attivo del sistema,
sistema in grado di
acquisire, interpretare ed eseguire le
istruzioni di qualsiasi programma si voglia
portare a termine
† I circuiti logici che compongono una CPU
sono costituiti da milioni di transistor
(microscopici interruttori acceso/spento)
collegati tra loro da sottilissimi fili:
„ I circuiti vengono “stampati” su una sottile
lamina di silicio
„ Il chip che corrisponde a una CPU ha una
superficie dell’ordine di una decina di mm2
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Struttura della CPU
RI
SP
(stack pointer)
PC
UC
(unità di
controllo)
Registri
di lavoro
(program counter)
ALU
(unità
aritmetico
logica)
RIST
(registro istruzioni)
RI
(registro indirizzi)
RD
(registro dati)
Bus dati
Bus indirizzi
Bus di controllo
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Unità di misura
† Lo spazio (di memoria) si misura in
„ Bit [b] unita` fondamentale di memorizzazione
(vale 0 o 1)
„ Byte [B] insieme di 8 bit
† Il tempo si misura in secondi [s]
† La frequenza (del clock) si misura in 1/s,
cioè Hertz [Hz]
† L’ampiezza di banda (di trasmissione) si
misura in bits/s [b/s]
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Si ringrazia il gruppo di lavoro: Alberti, Boldi, Gaito,
Grossi, Malchiodi, Mereghetti, Morpurgo, Rosti, Palano,
Zanaboni
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