Lezione 5
Il calcolatore
Definizione di Calcolatore
Calcolatore, Elaboratore, Sistema di calcolo, Sistema di elaborazione,
computer.
Il calcolatore è una macchina a programma memorizzato: le azioni che
compie in modo automatico non sono decise all’atto della fabbricazione e non
sono sempre le stesse, ma sono definite di volta in volta da un insieme di
comandi (programma) che vengono registrati in forma opportuna nella sua
memoria, insieme ai dati su cui tali azioni debbono essere compiute.
I moderni calcolatori possono essere definiti come macchine o automi di
calcolo generale.
Il calcolatore
Tipi di calcolatori
Sistemi per il calcolo parallelo e la multiutenza
• Supercomputer
• Mainframe
• Minicomputer
Personal computer (PC). Sistemi ideati per la mono utenza
• PC Desktop
• Laptop
• Notebook
• Ultrabook
• Netbook
• Tablet
• Palmtop (PDA)
• Smartphone
Terminali
Il calcolatore
Alan Mathison Turing
•
•
•
•
•
È un logico matematico inglese
Nato a Londra nel 1912
Morto nel 1954 per avvelenamento da cianuro di potassio
È uno dei padri fondatori dell’informatica moderna
Nel 1936 pubblicò un saggio rivoluzionario sul funzionamento di una
macchina teorica.
Turing progetta una macchina teorica in grado di simulare il comportamento di
un uomo intento a eseguire un calcolo aritmetico (macchina di Turing).
La macchina di Turing è una macchina ideale che agisce su i dati
memorizzati su un nastro di lunghezza virtualmente infinita, seguendo un
insieme prefissato di regole.
Il calcolatore
La Macchina di Turing È costituita da:
1.Un nastro di lunghezza potenzialmente infinita, suddiviso in sezioni o celle
2.Un’unità di lettura e scrittura
3.Una memoria interna, che può assumere un insieme finito di stati
4.Un insieme di simboli distinti (alfabeto della macchina)
Il calcolatore
La macchina a registri a programma memorizzato (di Von Neumann )
Tale macchina è sviluppata nel 1945 dal matematico John Von Neumann. È
costituita da una unità di elaborazione centrale (CPU), una memoria divisa in
celle dotate di indirizzi (registri) e due nastri divisi in celle, uno di ingresso
(input) e uno di uscita (output).
Il modello di Von Neumann è
importante in quanto su di esso è
basata la maggior parte dei
moderni computer programmabili.
Nel modello di von Neumann i dati
e le istruzioni del programma
condividono lo stesso spazio
di memoria.
Il calcolatore
Architettura Harvard
E’ caratterizzata dalla separazione dei dati e dalle istruzioni del programma
attraverso bus separati.
L'architettura Harvard viene spesso
utilizzata in processori specializzati
come i DSP per il trattamento dei dati
audio o video.
Inoltre molti microcontrollori utilizzati in applicazioni industriali utilizzano questa
architettura. Per esempio i controllori PIC prodotti da Microchip Technology Inc e i
controllori AVR prodotti da Atmel Corporation.
Il calcolatore
Architettura Super Harvard: simile all’architettura Harvard ma con l’aggiunta di
funzionalità che ne aumentano il rendimento, per esempio con l’aggiunta di un
instruction cache e un I/O controller.
Instruction Cache: contiene solitamente le ultime n
istruzioni del programma e viene utilizzata quando si
presentano dei loop.
I/O Controller: controller dell’Input/Output per
trasferimento dati in memoria ad alta velocità.
La struttura del calcolatore (1)
In generale nei calcolatori, basati sul modello di Von Neumann, si
possono individuare quattro componenti:
CPU (Central Processing Unit)
Memoria centrale
Bus di sistema
Periferiche
CPU
Memoria
centrale
BUS di sistema
tastiera
mouse
memoria di
massa
Periferiche
monitor
La struttura del calcolatore(2)
Caratteristiche del modello di Von Neumann
1. Possibilità di eseguire differenti programmi memorizzati.
2. Il programma è una sequenza di istruzioni da eseguire per ottenere la
soluzione ad una data classe di problemi.
3. La selezione dell’istruzione da eseguire è rigidamente fissata.
4. La connessione tra le unità funzionali avviene con un singolo flusso di
informazione tra memoria e processore: architettura a BUS
I bus (1)
Per connettere tutti i dispositivi si può connettere ciascun dispositivo agli altri
(connessione punto a punto) oppure collegare tutti i dispositivi a un unico insieme di
linee, il bus.
connessione
punto-punto
connessione
Con bus
Il bus rende la progettazione più
semplice; sono necessari meno
connessioni con costi più
contenuti, inoltre per aggiungere
nuovi componenti al sistema è
sufficiente collegarli al bus.
I bus (2)
•
Le unità funzionali sono fra loro collegate attraverso un unico canale di
comunicazione, il bus.
•
In definitiva i bus sono i canali di trasferimento dati tra i vari componenti
del calcolatore e sono costituiti da un insieme di collegamenti in rame
localizzati sulla scheda madre dell'elaboratore.
Dispositivi di Input/Output
CPU
Memoria
principale
I/O
I/O
I/O
BUS
Indirizzi
Dati
Controllo
I bus (3)
Nei primi sistemi i bus indirizzavano anche la memoria. Questa veniva
aumentata per mezzo di apposite schede inserite negli slot collegati al bus.
Quando la velocità dei processori superò quella delle periferiche, la memoria dei
nuovi sistemi fu indirizzata separatamente.
Nel corso degli anni l’organizzazione dei calcolatori e dei bus ha subito notevoli
variazioni. Conseguentemente, le vecchie denominazioni hanno perso o
modificato il loro significato. Generando notevole confusione riguardo i termini.
Attualmente i bus di un calcolatore possono essere suddivisi in due categorie:
• System BUS che collega la CPU con la memoria principale e con la cache di
livello L2.
• I/O BUS che si dirama dal bus di sistema per fornire un canale di
comunicazione tra la CPU e le altre periferiche.
RAM (1)
• È detta memoria centrale o memoria dell’utente.
• È una memoria di tipo volatile. Lo spegnimento dell’elaboratore determina la
cancellazione dei dati in essa contenuti
• Consente l’accesso random (casuale) ai dati, senza bisogno di rispettare una
sequenza ben definita.
Esistono vari tipi di memoria che si differenziano per velocità, costo ed uso, i
principali tipi sono:
• la DRAM (Dynamic RAM)
• la SRAM (Static RAM)
RAM (2)
La DRAM (Dynamic RAM)
Le celle di memoria mantengono i dati solo per breve tempo e quindi devono
essere aggiornate centinaia di volte al secondo. Si suddivide in varie tipologie tra
queste le più recenti:
DDR DRAM (Double Data Rate) DRAM
• È in grado di sincronizzarsi con il clock che controlla la CPU e lavora a 2.5V
DDR2 DRAM
• Evoluzione della DDR RAM in grado di trasportare il doppio dei dati. Lavora a 1.8V.
DDR3 DRAM
• Evoluzione della DDR2, che consente la duplicazione della velocità di trasferimento
variabile tra 800 Mbit/s e 1,5 Gbit/s.
• Opera a una 1.5 o 1.65 V con frequenza compresa
tra 800 e 2133 MHz
DDR4 DRAM
• Evoluzione della DDR3 con maggiore densità e
maggiore velocità di trasferimento dati. Lavora con
tensione pari a 1.2V econ frequenze compresa tra
1600 e 3200MHz.
I moduli DDR, DDR2 e DDR3 e DDR4 non sono
tra di loro compatibili e per evitare errori di
assemblaggio, per ogni versione, la tacca è
stata posizionata in modo diverso.
DDR4
DDR
DDR2
DDR3
RAM (3)
La SRAM (Static RAM)
• È un tipo di RAM volatile che non necessita di refresh.
• Consentono di mantenere le informazioni per un tempo teoricamente illimitato.
• Hanno bassi tempi di lettura e bassi consumi.
• Sono più costose della DRAM perché usano molti componenti per cella.
• Sono solitamente utilizzate per le memorie cache.
Normalmente i chip di memoria non sono inseriti direttamente nel computer, ma
sono assemblati in appositi circuiti stampati (moduli di memoria) e poi inseriti negli
slot di espansione della scheda madre.
Esistono due tipi di moduli: DIMM (Dual In-line Memory Module) e SIMM (Single Inline Memory Module).
La differenza tra questi due tipi è il numero di
pin che hanno. DIMM ha il doppio dei pin della
SIMM, infatti questi moduli hanno lo stesso
numero di pin per ogni lato, ma nel caso della
SIMM i connettori su entrambi i lati sono
collegati tra loro.
Per ogni tipo di RAM si deve considerare un
particolare tipo di SLOT.
La scheda madre
È la scheda elettronica principale del calcolatore, essa contiene tutti i
componenti elettronici necessari all’elaborazione dei segnali, i collegamenti
di interfaccia tra i vari componenti interni del computer, e verso le periferiche
esterne.
La sua qualità è determinante per le prestazioni e l’affidabilità di tutto il
calcolatore.
Si occupa di trasmettere e temporizzare centinaia di segnali diversi
tra CPU, RAM, schede di espansione e periferiche attraverso i bus di sistema
Motherboard (scheda madre), Mainboard (scheda principale), Scheda di
sistema, MB, M/B , Planar board (scheda piana)
La scheda madre
La scheda madre
Schema logico della
scheda madre
In una generica scheda madre sono
presenti i seguenti componenti:
•
•
•
•
•
•
Socket e Microprocessore
RAM
BUS
Chipset
ROM
CMOS
Il Chipset
È l'insieme di circuiti integrati che si
occupa di distribuire e incanalare il i
segnali che passano attraverso il bus
di sistema, tra CPU, RAM e controller
delle periferiche di ingresso/uscita.
La ROM
La ROM (Read Only Memory) memoria a sola lettura, in cui i dati sono
memorizzati in fase di costruzione e non possono essere modificati
successivamente. Essa contiene il BIOS (Basic Input-Output System), in cui
sono contenute le istruzioni che la CPU deve eseguire al momento
dell’accensione del computer (Boot process). L'architettura delle memorie
ROM è una matrice in cui ad ogni intersezione di riga e colonna vi è una cella
di memoria che corrisponde ad una locazione di memoria in cui viene scritto il
bit in fase di costruzione.
La lettura avviene tramite l'invio delle
linee di indirizzo al decodificatore:
esso ha il ruolo di attivare una riga
della matrice del codificatore, la
quale
restituisce
l'informazione
contenuta nelle memorie localizzate
nelle
intersezioni
della
riga
selezionata e le colonne.
La CMOS
• È una piccola RAM in cui sono memorizzate le impostazioni del BIOS
• Il CMOS è un semiconduttore che assorbe poca energia
• A computer spento è alimentata da una piccola batteria a litio
Pannello di configurazione dell’UEFI(BIOS)
Una evoluzione del BIOS , presente su computer con windows 8.x e 10, è
L’UEFI (Unified Extensible Firmware Interface).
L’UEFI ha un’interfaccia grafica, presenta il supporto per mouse e touch-screen
e dispone di alcune funzioni di sicurezza.
Per entrare nell’UEFI del computer è possibile utilizzare due metodi.
Metodo A
1. Spegnere il computer.
2. Accendere il computer e premere immediatamente il tasto F2, F10 o il
tasto Canc se si utilizza un computer fisso, per entrare nella
configurazione dell’UEFI (BIOS).
Pannello di configurazione dell’UEFI(BIOS)
Metodo B:
1. Aprire il menù Start e selezionare la voce Impostazioni.
2. Selezionare Impostazioni.
3. Aprire il menù dell’icona Aggiornamento e sicurezza.
4. Selezionare Ripristino.
5. Pigiare sul bottone Riavvia ora che si trova sotto la voce Avvio avanzato
6. Il sistema verrà riavviato e visualizzerà il menu di avvio di Windows
7. Selezionare risoluzione dei problemi.
8. Scegliere Opzioni avanzate.
9. Selezionare impostazioni del Firmware UEFI.
10. Pigiare su Riavvia per riavviare il sistema ed entrare UEFI.
Pannello di configurazione dell’UEFI(BIOS)
Nello schermo sono presenti un certo numero di schede, in cui ci sono tutte le
impostazioni del computer.
Pannello di configurazione dell’UEFI(BIOS)
Per muoversi nell’UEFI si devono usare le frecce direzionali della tastiera:
Su/Giù per selezionare un’opzione.
Destra/sinistraper modificare il suo valore o per passare da una scheda all’altra
se è selezionato il menu in alto.
Premendo il tasto Invio, per selezionare un’opzione e cambiare il suo valore.
In genere il menu dell’UEFI è suddiviso in questo modo.
• Main in cui ci sono le impostazioni che riguardano la data, l’ora e le informazioni
sul computer in uso.
• Advanced contiene le impostazioni avanzate su processore (CPU), rete, porte
USB eccetera.
• Security ci sono le impostazioni sul Secure Boot (quando disponibili) e
della password di protezione dell’UEFI.
• Boot ci sono le opzioni per modificare l’ordine dei dispositivi di avvio.
• Save&Exit ci sono le impostazioni per uscire dall’UEFI salvando le modifiche
apportate alle sue impostazioni, non salvandole, oppure ripristinando i valori di
fabbrica.
Pannello di configurazione dell’UEFI(BIOS)
Il Secure Boot è una funzione di sicurezza dell’UEFI che impedisce
l’esecuzione di sistemi operativi sprovvisti di apposita firma digitale. Per
consentire l’esecuzione dei sistemi operativi che non dispongono di una firma
digitale valida (come molte sistemi operativi tipo Linux) da Security dell’UEFI,
scegliere il Secure Boot menu e nelle opzioni di Secure boot e impostare
quest’ultima su Disabled.
Il Legacy BIOS è una funzione che permette di emulare il vecchio BIOS sui PC
equipaggiati con l’UEFI. Può essere utile per installare tutti quei sistemi operativi
che non supportano UEFI (es. Windows 7). Per impostare la modalità Legacy
BIOS sul proprio computer si deve selezionare Boot dell’UEFI e impostare
l’opzione Boot mode su Legacy BIOS.
Pannello di configurazione dell’UEFI(BIOS)
Pannello di configurazione dell’UEFI(BIOS)
L’ordine dei dispositivi di boot è quello che il computer segue per avviarsi. Per
cambiare l’ordine dei dispositivi di avvio, si deve aprire il menù Boot dell’UEFI e
impostare l’opzione Boot Option #1 sul dispositivo scelto.
