Architettura hardware del calcolatore

Architettura hardware del calcolatore
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Architettura hardware del calcolatore
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Scopo della lezione
• Descrivere l’architettura di base dei
moderni calcolatori, cioè le componenti
hardware fondamentali e il loro ruolo.
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L’architettura hardware del calcolatore
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Architettura hardware del calcolatore
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Architettura hardware del calcolatore
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Architettura hw
La macchina di von Neumann
• Un calcolatore è un oggetto complesso
costituito da diverse parti che interagiscono
tra di loro.
• Studiare l'architettura di un calcolatore
significa individuare le componenti
hardware fondamentali, comprenderne i
principi generali di funzionamento e capire
come esse interagiscono tra di loro.
• Degli anni ’40 è la scoperta che un
programma può essere codificato e
archiviato in memoria proprio come i dati.
• Il modello di calcolatore basato sul concetto
di programma memorizzato si chiama
macchina di von Neumann.
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Informatica
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Architettura hardware del calcolatore
La macchina di von Neumann
La macchina di von Neumann
UNITÀ CENTRALE
memoria
principale
(centrale)
il processore
la memoria
le periferiche
interconnesse attraverso bus
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• Un calcolatore moderno è costituito da 4
componenti hardware principali:
•
•
•
•
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La scheda madre
• Scheda madre (motherboard): piastra su cui, attraverso
un circuito stampato, sono collegati tutti i componenti
hardware (CPU, RAM, controller, …)
• La scheda madre contiene anche slot liberi per l’aggiunta
di
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Unità centrale e periferiche
• Processore, memoria centrale e interfacce
alle periferiche (controller) comunicano
attraverso bus e costituiscono l’unità
centrale.
• Memoria secondaria e i dispositivi che
permettono l’interazione tra uomo e
macchina (detti dispositivi di ingresso e
uscita o I/O) costituiscono le periferiche.
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• memoria supplementare
• co-processori
• schede (rete, audio, video, …)
• Collegate alla scheda madre si trovano anche alcune
prese (chiamate porte) per il collegamento di periferiche
esterne
• mouse, tastiera, modem
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Architettura hardware del calcolatore
Una scheda madre
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Componenti hw del computer
Periferiche
Memorie
di massa
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Tastiera Mouse
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Monitor
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Memoria CPU
centrale
BUS
Input
Output
Input/Output (I/O)
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Il processore
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• Il processore, o CPU (Central
Processing Unit) è l’unità di
elaborazione centrale del computer
• Controlla le funzioni del computer,
esegue le operazioni aritmetico-logiche
ed elabora i dati.
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Il processore
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Architettura hardware del calcolatore
Il processore
• 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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• Pertanto oggi si parla di microprocessore
costituito da circuiti integrati
• VLSI, Very Large scale Integration
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Il processore
• milioni di elementi tra loro collegati contenuti in una
superficie quasi microscopica
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Il processore
Componenti:
• l’unità di controllo (CU):
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Il processore
• Ogni modello di microprocessore è in grado
di riconoscere solo programmi scritti nel
proprio linguaggio macchina
• Ogni modello di microprocessore, ha un
proprio linguaggio macchina, diverso da
quello di altri processori
• Il linguaggio macchina contiene tutte e sole le
istruzioni che possono essere eseguite
direttamente dal microprocessore
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• sovrintende al trasferimento di dati e istruzioni tra le
componenti
• interpreta le istruzioni
• controlla le operazioni correlate
• l’unità aritmetico-logica (ALU)
• esegue tutte le operazioni logico-aritmetiche
• i registri
• piccole memorie che contengono le informazioni per
eseguire l’istruzione corrente (generali, speciali)
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Architettura hardware del calcolatore
Il processore - Clock
• In ogni ciclo scandito dal clock il microprocessore
svolge un’operazione elementare
• Ogni istruzione del linguaggio macchina
viene eseguita dal microprocessore
svolgendo una serie di operazioni
elementari
• Il numero di operazioni elementari
necessario per completare l’esecuzione di
un’istruzione in linguaggio macchina può
essere dell’ordine di 7-10
• la durata tipica di un ciclo di clock oggi giorno è inferiore al
nanos
• Il numero di cicli di clock nell’unità di tempo, o
frequenza di clock, si misura in GHz
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Il processore
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• Altri fattori contribuiscono alle prestazioni di un
processore
• memoria, bus, cache, natura dei programmi eseguiti
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Xeon 3 GHz
Pentium 4 2.2 GHz
Athlon 1.6 GHz
PowerPC G5 2 GHz
• È uno dei parametri caratteristici di un processore
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Il processore - Clock (esempio)
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• Es. Pentium vs PowerPC
•
•
•
•
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Il processore - Clock
• Dati due processori con lo stesso linguaggio
macchina, risulterà più veloce quello con
frequenza di clock maggiore
• Non è possibile dire nulla su processori con
linguaggi macchina diversi
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Computer A
• 500 MHz
• 10 operazioni
elementari per
istruzione
Computer B
• 400 MHz
• 6 operazioni
elementari per
istruzione
devono eseguire un programma
di 100M istruzioni macchina
A impiegherà 2s
B impiegherà 1,5s
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Il processore - Esecuzione
Il processore - Registri
• caricamento del programma (scritto in
linguaggio macchina) dal disco alla memoria
centrale (RAM)
• per ogni istruzione del programma, esecuzione
di tre operazioni, che costituiscono il ciclo della
macchina
• fetch
• decode
• execute
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L’esecuzione di un programma richiede
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• Sono solitamente poche decine (32-64)
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Il processore - Ciclo macchina
• Fetch
• il processore preleva, dalla locazione di memoria il cui
indirizzo è specificato nel Program Counter, l’istruzione
da eseguire e la carica nel Registro Istruzione
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• Il Program counter: registro che contiene
l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire
• Il Registro istruzione: registro in cui viene
caricata l’istruzione da eseguire
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• per trasferire i dati dalla/alla memoria,
• per salvare i risultati parziali delle operazioni
artimetico/logiche
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• Registri speciali sono:
• registri che servono per caricare i dati su cui
l’istruzione opera e i risultati intermedi
• Per eseguire le operazioni elementari il
processore utilizza delle memorie di piccole
dimensioni fisicamente interne al processore, i
registri
• alle quali accedere in modo veloce:
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Il processore - Registri
• Registri generici:
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• Decode
• il processore decodifica l’istruzione da eseguire
• Execute
• il processore esegue le operazioni corrispondenti
all’istruzione
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processore
Il processore - Più d’uno
• A seconda del tipo di uso che si fa del
computer, per migliorarne le prestazioni si
possono aggiungere dei co-processori
registro
registro
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memoria
bus di sistema
Il processore - Registri
registro
registro
interfacce alle periferiche
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registro
registro
registro
co-processore
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interfaccia alle periferiche
Il processore - Più d’uno
registro
bus di sistema
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co-processore
• gestione dello schermo, calcolo scientifico,
crittografia
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Il processore - Più d’uno
memoria
• processori specializzati nell’esecuzione di
compiti specifici che operano sotto il controllo
della CPU
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processore
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• Il miglioramento con un co-processore è legato
ad una particolare funzionalità
• Si possono costruire sistemi con più CPU che
operano in modo simultaneo e indipendente, e
condividono le altre risorse del computer
• il sistema operativo coordina l’accesso alle risorse
• In questo caso si parla di sistemi paralleli, o
multi-processore, o ancora di elaboratori
vettoriali
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Il processore - Più d’uno
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Componenti hw del computer
Periferiche
registro
registro
registro
processore
interfaccia alle periferiche
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memoria
bus di sistema
processore
registro
registro
registro
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Monitor
Tastiera Mouse
Memorie
di massa
Memoria CPU
centrale
BUS
Input
Output
Input/Output (I/O)
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La memoria centrale
La memoria centrale
• Svolge funzioni di immagazzinamento delle informazioni
sulle quali opera il processore
• dati e programmi
• L’unità di informazione minima è il bit (binary digit)
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• può essere considerato come una casella in cui è possibile
scrivere il simbolo 0 oppure il simbolo 1 (e solo quelli)
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• La sua capacità 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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Architettura hardware del calcolatore
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Architettura hardware del calcolatore
Nella memoria centrale sono
caricati il sistema operativo e i
programmi e i dati, che
diversamente risiedono sul
disco
• 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
La memoria - Bit e codifica
• Con 1 solo bit si possono rappresentare due
elementi diversi
Zona riservata al
sistema operativo
• si assegna al primo elemento la codifica 0 e al
secondo la codifica 1
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•
Memoria Centrale
La memoria centrale
Programmi
applicativi e dati
Area libera
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• Con 3 bit, si possono rappresentare 8 elementi
diversi
• Con n bit si possono rappresentare 2n elementi
diversi
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La memoria - Word
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• spesso è anche la minima unità di memoria trasferibile
tra la memoria e la CPU
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• 00, 01, 10, 11
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• Una sequenza di 8 bit è detta byte, ed è
diventata un’unità di misura della disponibilità di
memoria
• un bit di controllo e 7 per la codifica
• Con 2 bit si possono rappresentare 4 elementi
diversi
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La memoria - Byte
• Permette di rappresentare i caratteri stampabili
(le lettere dell’alfabeto, le cifre, i simboli della
punteggiatura, …, per un totale compreso tra 90
e 120) usando una sequenza di 7+1 bit
34
• 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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La memoria - Bit, byte, word
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La memoria - Le celle
1
1 0 0 1 0
1 1
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BIT
1
BYTE
10010111100101111001011110010111
WORD
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Architettura hardware del calcolatore
La memoria - Le celle
La memoria - Proprietà
• Ogni cella di memoria contiene un byte ed è
contraddistinta da un indirizzo
• Velocità
• di accesso
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• tempo impiegato dal processore per accedere ad
uno specificato indirizzo
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• 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
40
• di trasferimento
• quantità di dati trasferita in una unità di tempo
• anche chiamata ampiezza di banda, e si misura in
bit/sec
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Architettura hardware del calcolatore
La memoria - Proprietà
La memoria - Proprietà
• Capienza
• Volatilità
• quantità di byte che può contenere
• Costo
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• 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
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• La memoria centrale, le cache e i registri del
processore sono memorie volatili
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– non in eterno, ma per un tempo che dipende dal tipo di
dispositivo: decenni o più
Architettura hardware del calcolatore
La memoria permanente
• Memorie di sola lettura, ROM, Read Only
Memory
• il contenuto, una volta immagazzinato, è inalterabile
• Memorie di lettura e scrittura
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• è lo stesso per tutte le celle
• la possibilità di mantenere/perdere il proprio contenuto
anche in assenza di alimentazione elettrica
• le memorie volatili perdono il contenuto in assenza
di alimentazione elettrica
• le memorie permenenti lo mantengono
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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
42
• 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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Architettura hardware del calcolatore
La memoria - Gerarchia
• Esiste una dipendenza inversa tra costo di
realizzazione e velocità di una memoria
• Per questo motivo 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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La memoria - Gerarchia
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Hard
disk
processore
Interfaccia
alle periferiche
Scheda madre
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Dimensione
Accesso
(frequenza) (tempo)
Registri
< 1KB
~ 1 GHz
< 1 ns
Cache I liv.
~ 10 KB
~ 1 GHz
< 1 ns
registro
registro
registro
Cache I liv.
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La memoria - Gerarchia
registro
Memoria centrale
Cache
II liv.
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Lettore
floppy,
cd, ...
bus di sistema
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La memoria - Gerarchia
Registri
Cache I livello
Cache II livello
Memoria centrale
Hard disk
Supporti
magnetici e ottici
• Se voglio prepararmi un piatto di spaghetti guardo se ne
ho nella dispensa; se non ne trovo lì allora devo andare
dal panettiere sotto casa perdendo un po’ di tempo in più;
se non ne trovo neanche lì devo andare al supermercato,
dove perderò ancora più tempo
• Analogamente, quando il processore ha bisogno di un
dato, prima guarda se è presente nella sua memoria
interna; se non lo trova lì lo va cercare nella memoria
centrale un po’ più lenta, se non c’è neanche lì, lo va a
cercare sul disco fisso che ha tempi di accesso e
trasferimento superiori
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•
•
•
•
•
•
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Cache II liv. 256/512 KB
~ 1 GHz
Memoria
256/512 MB
< 1 ns
~ 100 MHz ~ 10 ns
Hard disk
~ 80 GB
~ 1 KHz
~ 1 ms
Supporti
a piacere
~ 100 Hz
~ 10 ms
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Architettura hardware del calcolatore
La memoria - Gerarchia
• Al vertice della gerarchia ci sono i registri
della CPU
• Ognuno di essi può contenere una parola
• La capacità complessiva è inferiore a 1 KB
• Sono molto veloci ma anche molto costosi
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La memoria - Gerarchia
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• La cache di I livello (L1) è integrata nel
processore, quella di II livello (L2) risiede su un
chip a parte
La memoria - Gerarchia
• Supporti magnetici
• 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
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• dati/programmi a cui si accede spesso
Architettura hardware del calcolatore
• La memoria centrale è il livello sotto le cache nella
gerarchia
• Vi vengono caricati i dati e i programmi per essere
eseguiti
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• Al secondo livello è la cache, una memoria RAM
più veloce di quella centrale
• Utilizzata come “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
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La memoria - Gerarchia
• E` condivisa tra tutti i programmi in esecuzione
simultaneamente
50
• Hard disk, floppy, zip
• Scrittura e lettura
• Bassa velocità di
accesso
• Basso costo
• (in alcuni casi)
portabilità
• Alti consumi energetici
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La memoria - Gerarchia
Componenti hw del computer
Periferiche
• Supporti ottici
• CD-ROM, DVD
• Bassa velocità di
accesso
• Write once, read many
• Basso costo
• Portabilità
• Alti consumi energetici
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Architettura hardware del calcolatore
Monitor
Tastiera Mouse
Memorie
di massa
Memoria CPU
centrale
BUS
Input
Output
Input/Output (I/O)
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Architettura hardware del calcolatore
Il bus
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• E` il canale fisico che mette in comunicazione
le varie componenti del calcolatore
• 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
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Il bus
56
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• l’ampiezza del bus influenza la velocità del
computer
Architettura hardware del calcolatore
57
Architettura hardware del calcolatore
58
Il bus
• 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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• In un dato istante, sul bus può passare
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Il bus
• 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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Architettura hardware del calcolatore
59
Architettura hardware del calcolatore
Componenti hw del computer
60
Periferiche
Periferiche
• Ogni periferica è costituita da 3
componenti
Monitor
Tastiera Mouse
Memorie
di massa
Memoria CPU
centrale
BUS
Input
Output
Input/Output (I/O)
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• dispositivo fisico
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• device
• controller
• componente elettronica di controllo
• device driver
• componente software che deve essere
installata in memoria per il corretto
funzionamento del dispositivo
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Architettura hardware del calcolatore
61
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Il driver
Il controller
• è realizzato su un circuito stampato (scheda) che si
inserisce in uno slot nella scheda madre
• si collega, tramite appositi fili, a dispositivi periferici
all’interno del computer o a connettori cui sono attaccati i
dispositivi esterni
• può essere più o meno intelligente a seconda della
periferica che controlla
• riceve gli ordini dal processore e li impartisce al
dispositivo fisico
• cosa fare (leggere/scrivere), dove, quanto
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Architettura hardware del calcolatore
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Periferiche - Il controller
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Periferiche - Tipi di Porte
• SCSI (Small Computer Standard Interface)
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• trasferisce più bit alla volta
• per stampanti e alcuni dispositivi di memoria di massa
• la lunghezza massima consentita ai cavi è di 30 m
• è parte del software di sistema
Architettura hardware del calcolatore
• Le periferiche sono collegate fisicamente al computer
attraverso opportune porte (connettori)
• La modalità di collegamento può essere
• seriale
• parallela
• Il driver è il programma che gestisce la
periferica
• Viene consegnato insieme alla periferica (di
solito memorizzato su un CD-ROM) e deve
essere installato in memoria
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Periferiche - Porte
• trasferisce un bit alla volta
• serve per il modem o alcuni tipi di stampante che non
richiedono una elevata velocità di trasmissione
• i cavi possono avere lunghezza anche di 300 m
62
• permettono di collegare più componenti alla
stessa porta
• garantiscono una elevata velocità di
trasmissione
• utilizzate per disco fisso, lettore CD-ROM,
scanner
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Architettura hardware del calcolatore
65
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Tipi di Porte
Periferiche - Tipi di Porte
• FireWire
• USB (Universial Serial Bus)
• trasmissione molto più veloce rispetto alla seriale
• stesse caratteristiche di base delle USB
• più veloci delle USB
• utilizzano cavi sottili facilitando così i collegamenti
• permettono il collegamento in serie di dispositivi
diversi (fino a 127 dispositivi)
• distribuiscono la corrente
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• USB 2.0 fino a 480 Mb/s, USB 1.1 fino a 12 Mb/s
• dispositivi a basso consumo non necessitano di fili di
alimentazione
• permettono di aggiungere e rimuovere dispositivi a
computer acceso (hot plugging)
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Architettura hardware del calcolatore
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Periferiche - Tipi di Porte
• Infrarossi
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• più costose
Architettura hardware del calcolatore
• Wi-Fi (IEEE 802.11)
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• FireWire 400 fino a 400Mb/s e cavi fino a 4.5 m
• FireWire 800 fino a 800Mb/s e cavi fino a 100m (se
in fibra ottica)
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Periferiche - Tipi di Porte
• collegamento wireless in crescente
sviluppo
• lo scambio di dati avviene in assenza di fili
via radio
• sostituisce la connessione alla rete locale
via cavo
• banda tra 10 Mb/s (802.11b) e 54 Mb/s
(802.11g)
66
• lo scambio di dati avviene in assenza di fili
attraverso un raggio infrarosso emesso dall’unità
• la traiettoria del raggio è una retta e quindi le porte
dei dispositivi devono essere perfettamente
allineate
• il raggio infrarosso non può essere interrotto,
quindi non ci devono essere ostacoli tra le due
porte
• usato solitamente per collegare un computer alla
stampante in ufficio o ad un terminale portatile tipo
telefono cellulare o PDA
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68
Architettura hardware del calcolatore
69
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Memorie di massa
Periferiche - Memorie di massa
• Dischi magnetici, CD, DVD, “chiavi” USB, zip
Capacità
• Memorizzano grandi quantità di dati in modo
permanente
• La potenza si misura nel numero di byte che
contengono complessivamente
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• dispositivi di Input e Output
• un hard disk da 60 GB memorizza 64 424 509 440
caratteri
• circa l ’equivalente di 1900 enciclopedie da dieci volumi
• Caratterizzabili dal tipo di accesso
• sequenziale o casuale
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Architettura hardware del calcolatore
• Le informazioni vengono memorizzate sui due lati di
ciascun disco
• Un insieme di testine, una per ogni disco, legge e
scrive i dati muovendosi avanti e indietro radialmente
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Scrivibile
Prezzo
Floppy
1.4 MB
SI
SI
15 E
Zip
250 MB
SI
SI
200 E
HD
60 GB
NO
SI
180 E
CD
600 MB
SI
NO
50 E
6 GB
SI
NO
90 E
DVD
NB Il prezzo è riferito alla periferica
71
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Il disco fisso
• Suddiviso in tracce (concentriche) e settori (porzioni
interne ad una traccia)
• Ruota a velocità costante
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• protezione dalla polvere
Rimovibile
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Periferiche - Il disco fisso
• Disco rigido o hard disk
• Supporto di tipo magnetico con capienza (oggi) di
centinaia di GigaByte
• Posizionato all’interno dello chassis
• Consiste di una pila di dischi magnetici rigidi (di tipo
Winchester) fissati su un perno rotante, racchiusa in
un contenitore a tenuta d’aria
70
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72
Architettura hardware del calcolatore
73
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Il disco fisso
Periferiche - Il disco fisso
• Quando il computer è acceso il disco fisso è sempre in
rotazione, per evitare perdita di tempo per raggiungere
la velocità di regime
• viene chiamato fisso perché non è estraibile
• riceve l’indirizzo al quale leggere (scrivere),
costituito dal numero di traccia e di settore, e la
quantità i byte da trasferire
• si muove posizionandosi sulla traccia specificata
nell’indirizzo
• aspetta che arrivi il settore specificato (il disco è in
rotazione)
• esegue l’operazione di lettura o scrittura
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• Accesso casuale
• Per eseguire un’operazione di lettura (o
scrittura), la testina
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Architettura hardware del calcolatore
75
• questa possibilità di risparmio energetico è utile soprattutto
nei portatili quando sono utilizzati senza il filo di alimentazione
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Il disco fisso
• L’organizzazione dei dati sul disco fisso è complessa dato
che i file possono cambiare dimensione a piacere
• I file sono gestiti come collezioni di settori (o blocchi)
memorizzati dove c’è spazio libero, anche non contiguo
• Il sistema operativo mantiene in un’area del disco fisso le
informazioni relative allo spazio libero e alla
“ricostruzione” di ciascun file, sparpagliato in zone diverse
del disco
• Sistemi operativi diversi hanno criteri diversi di gestione
del disco fisso
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• Alcuni sistemi permettono all’utente di richiedere di
“spegnere” automaticamente il disco (cioè di farlo
fermare) quando non viene utilizzato
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Periferiche - Il disco fisso
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74
• Se si fa un uso “intensivo” del disco, può
succedere che lo spazio disponibile sia ancora
molto, ma molto frammentato
• In questi casi è bene utilizzare un programma di
compattazione del disco, che sposta tutti i file in
aree contigue rendendo così disponibile un’area
di blocchi contigui
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76
Architettura hardware del calcolatore
77
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - I nastri magnetici
• Piccoli dischi magnetici estraibili, di limitate capacità
(1.44 MB in genere)
• Come i dischi rigidi, sono organizzati in tracce e settori su
entrambi i lati e utilizzano una testina come dispositivo di
lettura e scrittura
• Sono protetti da una custodia di plastica (in origine
flessibile, da cui l’aggettivo floppy)
• Per permetterne l’estrazione, il dischetto è fermo e viene
messo in rotazione solo quando c’è una richiesta di
accesso
• In via di estinzione, soppiantati da altri dispositivi molto
più capienti e ugualmente poco costosi
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Architettura hardware del calcolatore
•
•
•
•
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Periferiche - I floppy disk
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• Le informazioni sono organizzate a spirale dal
centro verso il bordo esterno
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• QIC (Quarter Inch Committee)
• DAT (Digital Audio Tape)
• DLT (Digital Linear Tape)
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - I Compact Disc
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• i CD-ROM sono utili per archiviare dati con la
garanzia che i dati non possono essere cancellati
Basso costo
Grande capienza (ordine dei GigaByte)
Accesso sequenziale lento
Necessaria un’unità di lettura/scrittura diversa a
seconda del tipo di nastro
• Alcuni esempi:
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Periferiche - I Compact Disc
• Dispositivi a lettura ottica di grandi capacità
(centinaia di Megabye)
• I primi CD erano di sola lettura, e venivano
dunque chiamati CD-ROM, oggi ne esistono
di riscrivibili (CD-RW)
78
• La memorizzazione dei dati avviene incidendo dei solchi
sulla superficie del disco (presenza del solco = 1,
assenza=0)
• La lettura avviene attraverso un raggio laser
• La velocità di trasferimento delle informazioni dipende
dalla velocità di rotazione del disco, che a sua volta
dipende soltanto dal dispositivo di lettura
• i dispositivi in commercio sono contrassegnati dalla sigla 2x, 4x,
…, 16x per indicare la velocità del dispositivo rispetto ai primi
messi in commercio
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Architettura hardware del calcolatore
81
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - I DVD
Periferiche - Input
• I dispositivi di input acquisiscono dati
dall’esterno e li traducono in un formato
consono al calcolatore
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• capacità di memorizzazione molto aumentata
(ordine dei GigaByte) grazie alla densità di
scrittura più elevata
• data la differente densità di memorizzazione, il
dispositivo di lettura di DVD è diverso da quello
di CD
• il lettore di DVD è capace di leggere anche i
CD ma non viceversa
•
•
•
•
tastiera
dispositivi di puntamento
microfono
scanner
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Architettura hardware del calcolatore
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Periferiche - La Tastiera
Periferiche - Puntamento
• La tastiera è il dispositivo che permette
all’utente di digitare i comandi e inserire
dati
• La pressione del dito su ogni tasto genera
un segnale elettrico corrispondente al tasto
selezionato, che viene inviato al processore
• Permettono all’utente di selezionare le entità
grafiche presentate sullo schermo alle quali sono
associati dei comandi
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• mouse
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• Digital Versatile Disk
Architettura hardware del calcolatore
82
• meccanico
– mosso su una superficie rigida, lo spostamento del cursore sullo
schermo è basato sul movimento di una sfera di gomma posta
alla base del dispositivo, e solidale con due rotelle che rilevano
lo spostamento in direzioni ortogonali
• ottico
– alla base del dispositivo sono presenti una sorgente luminosa
(LED, light emitting diode) e un fotorilevatore che trasforma in
indicazioni di movimento le interruzioni del fascio dovute al
movimento del dispositivo sulla superficie di appoggio
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Architettura hardware del calcolatore
85
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Puntamento
Periferiche - Uscita
• touchpad
• piccola superficie sulla quale una matrice di sensori
identifica il movimento del polpastrello
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• trackball
• il meccanismo di funzionamento è lo stesso del
mouse, ma la mano dell’operatore muove
direttamente la sfera che indica il movimento
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Architettura hardware del calcolatore
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Architettura hardware del calcolatore
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Periferiche - Lo schermo
• Caratteristiche
• risoluzione
• numero di pixel (colonne x righe) che formano lo
schermo
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• come un ricamo a punto croce
• Data la grande mole di dati da elaborare dovuta al
numero di pixel e alla presenza del colore, ormai tutti
i PC sono forniti di una scheda grafica che gestisce lo
schermo
• I dispositivi di output acquisiscono dati dal
computer in un formato di rappresentazione
interno e li traducono in un formato adeguato
all’uomo per trasferirli all’esterno
• schermo
• stampante
• casse audio
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Periferiche - Lo schermo
• Presenta i risultati delle elaborazioni
• È costituito da una griglia di piccole celle, dette pixel
(picture element)
• Ogni pixel è caratterizzato da un indirizzo, ed ha
associate informazioni riguardo al colore
dell’immagine di cui fa parte
86
– 640x480 (VGA, video graphics array), 800x600 (super
VGA), 1024x768
• determina la nitidezza dell’immagine, tanto
maggiore quanto maggiore è il numero di pixel
• dimensione
• misurata in pollici (inch, 1” = 2,54 cm)
• dimensioni più diffuse: 15”, 17”, 19”
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Architettura hardware del calcolatore
89
Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Lo schermo CRT
Periferiche - Lo schermo CRT
• stessa tecnologia degli schermi televisivi
• l’immagine da visualizzare è una matrice di bit, e il
valore corrispondente ad ogni bit viene convertito in un
comando al tubo a raggi catodici che solleciterà in
modo opportuno il pixel corrispondente
• nel caso di immagini a colori si tratta di matrici multiple
• erano i più diffusi per PC da tavolo
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• Cathode Ray Tube (Tubo a raggi catodici)
Architettura hardware del calcolatore
90
• Ogni pixel è suddiviso in tre strisce (o punti) di
fosforo (una verde, una rossa, una blu)
• Il colore del pixel dipende dalla luminosità di
ciascuno dei tre elementi che lo compongono
• Il dot pitch è la dimensione delle strisce (o dei
punti), e determina la nitidezza dell’immagine
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Architettura hardware del calcolatore
Periferiche -Lo schermo CRT
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Periferiche - Lo schermo LCD
• Liquid Crystal Display (Schermo a cristalli liquidi)
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• l’immagine viene creata da un insieme di dispositivi
diversi
• lo schermo è costituito da un pannello di cristalli
• un sottile strato di fosfori rossi, verdi e blu genera i
colori colpito dalla luce
• basso costo, consumo energetico ridotto, ristrettezza
del campo visivo
• Inizialmente diffusi per i portatili, sono ora comuni
anche per i computer da tavolo
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Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Lo schermo PDP
Periferiche - Le stampanti
• Trasferiscono su carta i risultati delle
elaborazioni
• Le caratteristiche principali sono
• costituiti da due pannelli di vetro tra i quali si
trovano dei gas inerti che, colpiti da un raggio di
elettroni, generano raggi ultravioletti che a loro
volta stimolano i fosfori verdi rossi e blu
• per ora sono molto costosi, ma più leggeri e piatti
rispetto ai CRT, e sono destinati a soppiantare
questi ultimi
• visuale più ampia dei LCD
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• Plasma Display Panel (Schermo al plasma)
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• risoluzione
• punti (tipografici) per pollice (dpi = dots per inch)
• velocità di stampa
• pagine al minuto
– è un parametro indicativo, perché il tempo di stampa dipende
anche dal tipo di documento (es: solo testo piuttosto che con
immagini)
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Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Le stampanti
Periferiche - Special purpose
• A getto di inchiostro
• Esistono molti altri dispositivi di I/O
specializzati per operazioni particolari
• le immagini sono costituite da punti di inchiostro spruzzati
dagli ugelli della testina
• basso costo, buona qualità di stampa, possibilità di stampa a
colori
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• Stampanti laser
• la modalità di stampa è simile a quella delle fotocopiatrici:
l’inchiostro viene attirato da una superficie che è stata
caricata elettricamente da un raggio laser nelle zone
contenenti l’immagine, e viene poi trasferito sulla carta e
fissato mediante riscaldamento
• il fascio laser può essere anche molto sottile, permettendo
una ottima qualità di stampa
• richiedono manutenzione costante
94
• lettore codice a barre
• strumenti per la misurazione di fenomeni fisici
• termometri, rilevatori della composizione dell’aria
• telecamere
• scanner
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Architettura hardware del calcolatore
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Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - Il modem
Periferiche - Il modem
• permette di trasferire dati da un computer
ad un altro utilizzando la connessione
telefonica
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• Modulatore/Demodulatore
• converte il segnale di tipo digitale generato dal
computer in uno analogico per la linea
telefonica (modulazione) e quello analogico in
ingresso dalla linea telefonica in uno digitale
per il computer (demodulazione)
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Architettura hardware del calcolatore
• Il parametro principale per valutare le prestazioni
di un modem è la velocità di trasmissione,
misurata in Kb/s
• La velocità dei modem di oggi è di 33.6 Kb/s o
56 Kb/s
• I PC di oggi sono dotati di un modem interno
• un modem esterno si collegherebbe alla porta seriale
• Con un opportuno software applicativo è
possibile utilizzare il modem anche come
segreteria telefonica e fax
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Architettura hardware del calcolatore
Periferiche - La rete
T
• archivio mondiale
• “periferica” di input/output più diffusa
• richiede il collegamento ad un Internet Service Provider
– Modem
– ADSL
– T1
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• a livello locale (ufficio, casa)
• a livello mondiale - Internet
100
Prefissi
• Usando lo stesso protocollo (TCP/IP) è possibile
far comunicare tra loro computer e scambiare
informazioni
• wireless o Ethernet
98
Tera
migliaia di
miliardi
240 = 1099511627776
G Giga
miliardi
230 = 1073741824
M
Mega
milioni
220 = 1048576
K
Kilo
migliaia
210 = 1024
Gruppo di lavoro Alberti, Boldi, Gaito, Grossi, Malchiodi, Mereghetti, Morpurgo, Rosti, Palano, Zanaboni