2. Hardware - Insegnamento di Informatica
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2. Hardware Insegnamento di Informatica Elisabetta Ronchieri Corso di Laurea di Economia, Universitá di Ferrara I semestre, anno 2014-2015 Elisabetta Ronchieri (Universitá) Insegnamento di Informatica I semestre, anno 2014-2015 Argomenti Anatomia[Curtin, 2012] Componenti Unitá centrale di elaborazione Memoria Bus Porte Periferiche Periferiche di Ingresso Periferiche di Uscita Periferiche di Ingresso e Uscita Architettura di John Von Newman 1 / 73 Argomenti Anatomia[Curtin, 2012] Componenti Unitá centrale di elaborazione Memoria Bus Porte Periferiche Periferiche di Ingresso Periferiche di Uscita Periferiche di Ingresso e Uscita Architettura di John Von Newman 2 / 73 Anatomia del computer 3 / 73 Scheda madre o Motherboard É dove sono fissati i componenti dell’elaboratore. 4 / 73 Argomenti Anatomia[Curtin, 2012] Componenti Unitá centrale di elaborazione Memoria Bus Porte Periferiche Periferiche di Ingresso Periferiche di Uscita Periferiche di Ingresso e Uscita Architettura di John Von Newman 5 / 73 Unitá centrale di elaborazione I Unitá centrale di elaborazione o CPU (Central Processing Unit) é la mente del sistema informatico, che controlla il flusso dei programmi ed esegue le singole istruzioni. I CPU é anche chiamato processore o microprocessore. A livello fisico la CPU é un circuito elettronico I I I I costituito da alcuni milioni di transistor in un singolo chip (circuito integrato) avente dimensione di pochi centimetri quadrati. Svolge le funzioni: aritmetiche, logiche e di controllo. Parte superiore e retro del microprocessore Intel Core i7. 6 / 73 Compatibilitá tra microprocessori I I I I Microprocessori sono catalogati per famiglia costruttrice, quali Intel e Motorola. Differenze tra processori si possono avere all’interno della stessa famiglia o tra famiglie diverse. Primo PC dell’IBM montava il microprocessore dell’Intel 8086. Un programma: I I I scritto per i primi microprocessori dell’Intel possono funzionare anche in quelli della stessa famiglia piú recenti; che sfrutta le innovazioni dell’ultimo microprocessore di una famiglia puó non funziona correttamente con i modelli precedenti. Programmi per i processori Intel possono non funzionare su processore Motorola. I Si possono usare gli emulatori per ovviare a questo problema: HW e SW vengono aggiunti per far funzionare un programma scritto per un microprocessore diverso da quello dell’elaboratore. 7 / 73 Come velocizzare le prestazioni L’elaboratore delega alcuni compiti ad altri microprocessori: Coprocessori (processori paralleli) sotto il controllo della CPU svolgono compiti precisi ma sono dispendiosi: I migliorano elaborazione dei suoni; I accellerano i tempi di visualizzazione sullo schermo. 8 / 73 Come velocizzare le prestazioni L’eleboratore delega dei compiti ad altri microprocessori: Multiprocessori condividono le stesse risorse operando in modo indipendente, coordinati dal sistema operativo. 9 / 73 Come migliorare le prestazioni Espandere la capacitá: I aumentare il numero di bit (dimensione di parola o lunghezza di parola) da trattare durante l’elaborazione (partiti da da 8 bit siamo arrivati a 64); I aumentare la quantitá di dati che l’elaboratore puó trasmettere ed elaborare. Giá disponibili elaboratori in grado di elaborare piú di 64 bit. Il numero di bit determina la dimensione massima delle istruzioni eseguibili in un istante. Piú é elevato il numero di bit che la CPU riesce ad elaborare in un istante, maggiore é la sua capacitá elaborativa. 10 / 73 Come migliorare le prestazioni Aumentare la velocitá d’elaborazione: I aumentare la velocitá del microprocessore determinata dalla frequenza o velocitá di clock (misurata in MHz - milioni di cicli effettuati in un secondo), che esprime il numero di colpi di clock che vengono eseguiti in una certa unitá di tempo. Il ciclo di clock é il tempo che trascorre tra il verificarsi di due successive operazioni della CPU. Piú é alta la velocitá e piú é veloce l’esecuzione di un programma. Frequenza di esecuzione e numero di bit determinano la potenza della CPU. 11 / 73 Come migliorare le prestazioni Aumentare l’efficienza: I aumentare il numero di istruzioni eseguibili dal microprocessore, ossia la sequenza di bit. Piú é elevato il numero di istruzioni del microprocessore e piú sono le funzioni che il microprocessore puó svolgere. CISC (Complex Instruction Set Chips): I svolge un ampia varietá di istruzioni > 300; I puó essere rallentato per il numero di operazioni effettuate; I %80 delle operazioni pu essere eseguito usando il 20% del set delle istruzioni (quindi le istruzioni possono essere diminuite). RISC (Reduced Instruction Set Chips): I svolge un numero di istruzioni minore dei CISC (circa 200). I risulta piú veloce, economico e semplice del CISC. Divario tra CISC e RISC oggi é notevolmente diminuito. 12 / 73 Come comparare le prestazioni Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi - Gordon Moore, 1964. [Baldi, 2002] Raddoppio del numero di transistor ogni 1,5 anni: + Transistor = + Veloce (oltre 1012 transistor entro 2020) 13 / 73 Dovremmo avere un wafer di silicio che contiene molti chip, molto piú grande di quello reale. Nella realtá l’aumento dei transistor é inferiore ai 18 mesi. 14 / 73 Come comparare le prestazioni La frequenza operativa dei circuiti integrati raddoppia ogni 3 anni - William Joy, 1984. MIPS = 2(anno−1984) Usa un indice per esprimere la velocitá degli elaboratori: MIPS (Milion of Instructions Per Seconds). 15 / 73 Come comparare le prestazioni Benchmark (programmi di verifica elle prestazioni). I Permettono di determinare l’elaboratore piú veloce. I Effettuano operazioni su numeri interi e in virgola mobile. I Possono essere ottimizzati per una delle operazioni precedenti. I La velocitá di esecuzione di un benchmark in un sistema tiene conto delle caratteristiche del benchmark stesso e delle caratteristiche dell’elaboratore. 16 / 73 Cosa concludere I Data la legge di Moore: il numero di componenti integrati su un singolo chip raddoppia ogni 18 mesi. I Data la legge di Joy: la frequenza operativa dei circuiti integrati raddoppia ogni 3 anni. I Considerato che il costo e le dimensioni dei sistemi elettronici diminuiscono con il passare del tempo. I Si puó dire che tra 10 anni: Chip 100 volte piú complessi; Clock 10 volte piú veloci; Capacitá di calcolo 1,000 volte superiori. 17 / 73 ROM e RAM L’elaboratore dispone di una memoria per contenere dati e programmi. I I chip di memoria si distinguono in due categorie: 1. ROM (Read Only Memory) - memoria di sola lettura; 2. RAM (Random Access Memory) - memoria di accesso casuale. I Sono entrambe molto veloci poiché non hanno parti mobili e i dati vengono trasmessi elettronicamente. I Facilmente integrabili nell’elaboratore tramite i moduli di memoria, circuiti che contengono piú chip di memoria. 18 / 73 Involucri di memoria SIMM (Single In-Line Memory Module) DIMM (Dual In-Line Memory Module) 19 / 73 ROM I É statica ed inalterabile. I É detta memoria non volatile, perenne, necessaria per l’avvio del computer: lo spegnimento dell’elaboratore non altera i dati contenuti in essa. I Il suo contenuto non é modificabile dall’utente. I I dati possono essere di nuovo usati quando si riaccende l’elaboratore. I I dati contengono programmi e istruzioni necessari all’avvio della macchina (BOOT). 20 / 73 RAM I É detta anche memoria centrale o dell’utente. I É detta memoria volatile, necessaria per l’esecuzione dei programmi: lo spegnimento dell’elaboratore (o la mancanza di corrente) fa perdere il contenuto della RAM. I Serve a memorizzare i programmi che si stanno eseguendo e i dati che servono alla CPU. I Il termine random (casuale) indica che l’accesso ad un’area o ad un’altra della memoria non comporta differenze di velocitá: accesso random (come per ascoltare canzone su CD); mentre accesso sequenziale (come per ascoltare canzone su nastro). 21 / 73 Tipi di RAM DRAM (Dynamic RAM) I É la piú diffusa. I Dynamic (dinamiche) poiché le celle conservono i dati per breve tempo e devono essere rinfrescate (aggiornate) ad intervalli di tempo regolari (circa ogni 64 ms con frequenza di 15 Hz). SRAM (Static RAM) I Static (statica), quindi non necessita di continui aggiornamenti. I É piú grande, veloce e costosa delle DRAM. I É usata per la memoria Cache. 22 / 73 Altri tipi di memoria: memoria virtuale I Non esiste fisicamente ma solo logicamente. I Aumenta la memoria a disposizione dell’elaboratore che memorizza i dati e i programmi non usati fuori dalla RAM ossia su Hard disk. Utilizzarla: I I I I riduce il costo totale del sistema, poiché é piú economico memorizzre su Hard disk che su RAM; tuttavia rallenta l’esecuzione dovendo trasferire i dati da Hard disk e RAM e viceversa. É implementata dai moderni sistemi operativi per ovviare alla possibilitá di finire lo spazio della memoria RAM. 23 / 73 Altri tipi di memoria: memoria virtuale I I I I Il sistema operativo gestisce il trasferimento dei dati e del programma tra Hard-Disk e RAM. Inoltre il sistema memorizza nella memoria del computer solo le parti che interssano all’elaborazione corrente. Mette il resto su Hard disk. Quando l’elaboratore ha bisogno dei file su Hard Disk, il sistema vi trasferisce dei dati dalla RAM e poi trasferisce i dati dall’Hard disk alla RAM. 24 / 73 Altri tipi di memoria: cache I É una memoria ad alta velociá. I É localizzata tra la CPU e la memoria centrale. I Usa chip di memoria spesso di tipo SRAM. Vi sono due livelli: I 1. livello 1 (L1): é all’interno della CPU (contiene fino a 256 Kilobyte nei desktop); 2. livelllo 2 (L2): é un modulo di memoria presente sulla scheda madre (contiene oltre 2MB). 25 / 73 Altri tipi di memoria: cache I Elaboratore controlla se i dati sono in cache: I I se i dati sono in cache si ha cache hit; altrimenti, si ha cache miss, e li carica dalla memoria centrale piú lenta. I La cache riduce i tempi di accesso ai dati. I Elaboratore sceglie i dati da inserire in cache in modo random. 26 / 73 Altri tipi di memoria: buffer I Alcuni programmi assegnano ad una piccola parte della memoria RAM la funzione di buffer. Esempi: I I I I dati immessi dalla tastiera; elaborato del cut & paste (taglia e incolla) e copy & paste (copia e incolla); testo cancellato; clipboard. 27 / 73 Gerarchie di memoria I Per ottimizzare la memoria disponibile in termini di prestazioni e spesa relativa vi é una gerarchia a tre livelli: 1. Memoria cache (memoria molto veloce, di piccole dimensioni e costosa) 2. Memoria centrale (memoria veloce, di medie dimensioni e abbastanza costosa: RAM) 3. Memoria di massa o secondaria (memoria lenta, di notevoli dimensioni ed economica: Floppy Disk, Hard Disk, CD-RW, DVD-RW). 28 / 73 Bus I É composto da collegamenti in rame. I É localizzato sulla scheda madre. I Tramite i collegamenti, l’informazione viene trasmessa tra i vari componenti del sistema. I Permette di collegare nuovi dispositivi all’elaboratore. Vi sono i seguenti tipi di bus: I 1. Bus di sistema (o esterno); 2. Bus locale (o interno); 3. Bus espanso (o interno). 29 / 73 Bus di sistema I I Unisce la CPU agli altri dispositivi, quali memorie e interfacce I/O. Prevede due tipi di linee: 1. linee di indirizzi che trasmettono l’indirizzo dei dati dalla CPU alla memoria; 2. linee di dati che trasmettono i bit dei dati stessi dalla CPU alle altre unitá funzionali o viceversa; 3. linee di controllo che trasmettono il codice corrispondente all’istruzione da eseguire (da CPU verso la memoria) o l’informazione relative all’espletamento dell’istruzione (viceversa). I I I I collegamenti sono tra CPU e memoria, e CPU e interfacce di I/O. Ampiezza del bus é determinata dalle linee dei dati: : + linee ci sono, + dati possono essere inviati; + linee, + bit possono essere trasferiti nello stesso momento. É giá in grado di trasmettere 64 bit e 128 bit (diepende dall’elaboratore). 30 / 73 Bus Locale I Gestisce le periferiche, tolte dal bus di sistema, e collegate, assieme alla CPU ed alla memoria, ad una linea di trasmissione dei dati pi ampia. I Permette di trasferire dati piú velocemente da memoria a CPU e da CPU allo schermo o altri dispositivi. 31 / 73 Tipologie di bus Locale Tipo di bus locale1 ISA (Industry Standard Architecture) EISA (Extended Industry Standard Architecture) PCI (Peripheral Component Interconnect) AGP (Accelerated Graphics Port) x 1 AGB (Accelerated Graphics Port) x 8 PCI Express 1.0 x 1 PCI Express 3.0 x 16 Clock Numero bit di Dati per cicli di clock 4.77 MHz 8 1 Velocitá di trasferimento 4.77 MBps 8 MHz 8.33 MHz 16 32 1 1 8 MBps 33.3 MBps 33 MHz 32 1 133 MBps 66 MHz 32 1 266 MBps 66 MHz 32 8 2.1 GBps 2.5 GHz 8 GHz 1 16 1 1 250 MBps 16 GBps 1 Ulteriori dettagli al link http://www.hardwaresecrets.com/printpage/ everything-you-need-to-know-about-the-pci-express/190 32 / 73 Bus espanso I É caratterizzato da slot di espansione presenti sulla scheda madre dove si inseriscono le schede degli adattatori. I É direttamente collegato al bus di sistema. I Adotta varie tecnologie dalla Plug and Play al sistema Docking. Permette di espandere un personal computer per adattarlo alle proprie esigenze arrivando a creare anche sistemi multimediali in grado di fornire all’utente: I I I I I animazioni (uniá lettore CD-ROM e DVD-ROM); grafica di alta qualitá (acceleratore di grafica); collegamento ad Internet (modem); audio (schede audio). 33 / 73 Tecnologia Plug and Play I Per aggiungere un nuovo componente al sistema, tramite questa tecnologia, é possibile: I I automaticamente riconoscere, riconfigurare, caricare i driver (software di controllo) appropriati, controllare lo stato di tutto l’hardware. I Il sistema operativo carica o scarica i driver delle periferiche da collegare o scollegare. I La tecnologia richiede un sistema operativo, in particolare la parte BIOS (Basic Input Output System) e dispositivi da installare: 34 / 73 Sistema docking I É adottato per far collegare i portatili (che non hanno schede di espansione ma PC CARD) ai desktop e docking station. I É caratterizzato da due sistemi: 1. warm docking che permette di premere il pulsante di sospensione del portatile. 2. hot docking che non richiede di spegnere il computer ne di premere il pulsante di sospensione del portatile. 35 / 73 Porte I Consentono il collegamento delle periferiche esterne all’unitá centrale. I Sono alloggiamenti in cui sono inseriti i connettori delle periferiche. I Sono in genere posizionate sul retro del PC, ma possono trovarsi anche di fronte. 36 / 73 Porte Sono di vario tipo. Esempi di porte di interfacce di comunicazione: I porta seriale (indicate con sigla RS 232 C o COM1 e COM2); I porta parallela (detta anche interfaccia centronics indicata con sigla LPT); I porta USB (Universal Serial Bus); I porta Firewire (nota con la sigla IEE 1394); I PS2. 37 / 73 Porta seriale I Permette di collegare modem e vecchi mouse. I Usa solo due linee per inviare e ricevere dati. I Invia 1 bit alla volta. I Rallenta il trasferimento dei dati uscendo in successione su una sola linea (si nota di piú su computer che elaborano fino a 64 bit nello stesso istante). I Fornisce una connessione lenta, quindi non adatte per dispositivi come stampante, con cavo anche lungo 300 metri. 38 / 73 Porta parallela I Permette di collegare stampanti, scanner, e altri dispositivi che inviano piú dati rispetto al modem o mouse. I Usata per il collegamento delle stampanti e di memorizzazione esterna. I Invia 8 bit alla volta su altrettante linee parallele. I Consente comunicazioni piú veloci tra elaboratore e dispositivi di input e output. I Fornisce una connessione veloce, ma il cavo non supera i 30 metri. 39 / 73 Porte USB e Firewire I Utilizzano cavi sottili che facilitano i collegamenti. I Possono collegare i dispositivi in serie usando una sola porta. I Usano la tecnologia Plug and Play. I Trasmettono i dati molto piú velocemente delle porte seriali e parallele, I Permettono di aggiungere e rimuovere un dispositivo con il computer acceso (hot plugging), I USB consente il collegamento di qualsiasi periferica. I Fireware permette il collegamento di fotocamere o videocamre digitali. I USB connette fino a 127 dispositivi con moltiplicatore di porte HUB, mentre Firewire fino a 63 dispositivi. I USB 2.0 trasmette fino a 480 MBps, mentre Firewire arriva fino a 800 MBps. 40 / 73 Altre porte Porte di interfaccia di comunicazione: I I I I PS2 invia 1 bit per volta; usata per tastiera e mouse. SCSI (Small Computer System Interface) ha una elevata velocitá parallela; usata per collegare Hard disk, scanner, e masterizzatori dotati di tecnologia SCSI; collega fino a 15 dispositivi in cascata. Schede di rete ethernet invia 10MB al secondo; collega varie postazioni distanti con cavi ethernet. Schede audio munito di segnale analogico per lo stereo (blue), segnale in uscita per cuffie e casse (verde) e segnale in ingresso per microfono (rosa). Porte di connessione di una scheda video: I VGA trasmette segnali analogici. I DVI (Digital Video Interface) trasmette segnali digitiali per i monitor di nuova generazione come LCD. I TV-out connette un televisore con presa SCART o TV-out. 41 / 73 Senza fili! Esistono tecnologie che permettono di evitare luso di cavi di collegamento. I Tecnologie wireless. I Raggi infrarossi. I Bluetooth. I Wifi. 42 / 73 Argomenti Anatomia[Curtin, 2012] Componenti Unitá centrale di elaborazione Memoria Bus Porte Periferiche Periferiche di Ingresso Periferiche di Uscita Periferiche di Ingresso e Uscita Architettura di John Von Newman 43 / 73 Periferiche I I Facilitano l’interazione tra computer e uomo. Vi sono di tre tipi: 1. Periferiche di Ingreso (Input): permettono di inviare informazioni al computer; 2. Periferiche di Uscita (Output): permettono di ricevere dal computer informazioni; 3. Periferiche di Ingreso e Uscita: permettono un’interazione con computer sia per fornire sia per ottenere informazioni. 44 / 73 Periferiche di Ingresso Sono di vario tipo. Indicate alcune. 45 / 73 Tastiera I Inserisce i caratteri alfanumerici. I Permette di immettere dati, testi e comandi al computer. I Le tastiere si differenziano per la disposizione dei tasti (legata al paese di utilizzo) e per il numero di tasti. I Vi sono le tastiere ergonomiche per migliorare l’interazione uomo-macchina. I Vi sono tastiere virtuali con l’ausilio del touch screen. 46 / 73 Mouse I É un dispositivo di puntamento che segnala al computer gli spostamenti del puntatore sul monitor. I Mouse possono essere a sfera, cordless e ottici. I Ha un movimento meccanico caratterizzato dalla pallina posizionata sul basso. I Trackball é equivalente al mouse ma con il movimento meccanico posizionato verso l’alto. 47 / 73 Altro I Scanner, fotocamere e telecamere digitali sono usate per l’inserimento di immagini. I Fotocamere e telecamere digitali usate anche per l’inserimento di filmati. I Modem viene usato per l’inserimento di dati. I Microfono usato per i suoni. 48 / 73 Scanner I I Permette di inserire immagini ma anche testo. Usa la tecnica OCR (Optical Character Recognition): I I I La scansione del documento produce un’immagine grafica detta bitmap. Lo scanner effettua l’analisi delle zone chiare e scure per individuare le zone con testo e immagini. Inoltre lo scanner ricerca in una propria libreria nella matrice di caratteri quelli corrispondenti ai caratteri incontrati nella immagine 49 / 73 Periferiche di Uscita Sono di vario tipo. Indicate alcune. 50 / 73 Monitor I Monitor a cristalli liquidi LCD (Liquid Cristal Display): I I I I I Permette un’immagine piú nitida. Non emette radiazioni elettromagnetiche. É piú costoso e piú delicato. Ha una migliore qualitá della riproduzione dell’immagine. Usa modalitá grafica per visualizzare le immagini: I I I I Lo schermo é una griglia di quadratini ciasuno dei quali é un pixel. La risoluzione del monitor si esprime in pixel orizzontali x pixel verticali, e dipende dalla scheda installata. La risoluzione del monitor fornisce la definizione dell’immagine: piú é elevata la risoluzione e meno precisa sará la risoluzione ottica. Il numero di bit per pixel determina il numero di colori disponibili: piú é elevata la risoluzione e il numero di bit per pixel, e maggiore memoria serve per immagazziarli. 51 / 73 Stampanti I Per tutte le stampanti: I I I Tra le piú diffuse: I I I I I I la misura di velocitá é in cps (caratteri per secondi) e ppm (pagine per minuto); la misura di qualitá é in dpi (dots per inch o punti per pollice). a getto d’inchiostro: generlamente economica, veloce e silenziosa; laser: destinata ad uso professionale e piú costosa della getto d’inchiostro, silenziosa e veloce; ad aghi: tecnologia vecchia, lenta e altamente rumorosa; a sublimazione; multifunzione: svolge anche quella di scanner, in alcuni casi anche invio di fax e di email; Il Plotter é un tipo di stampante. 52 / 73 Periferiche di Ingresso e Uscita Sono di vario tipo. Indicate alcune, tra cui modem, schede audio e schede di acquisizione o riproduzione video. 53 / 73 Memoria di Massa I É detta memoria esterna o secondaria: necessaria per l’immagazzinamento dei dati. I Mantiene le informazioni anche a computer spento. Dotata di dispositivo di memorizzazione: I I I esegue la scrittura dei dati dalla memoria centrale sul supporto di memorizzazione; esegue la lettura caricando i dati dal supporto alla memoria centrale. I Dotata di supporto di memorizzazione, ossia il componente fisico dove vengono immagazzinati i dati. I Puó essere ad accesso random (casuale, come per i dischi) o sequenziale (come per i nastri). I Molto meno costosa della memoria principale. 54 / 73 Dispositivi e supporti I La registrazione magnetica viene usata di norma per memorizzare dati su dischetti, dischi rigidi e nastri. I La registrazione ottica viene impiegata per i CD e DVD. I La registrazione magneto-ottica serve per archiviare file di grandi dimensioni su dischi ad alta capacitá. I La memoria flash o allo stato solido é impiegata in dispositivi di piccole dimensioni, come macchine fotografiche, telefoni, computer tascabili e schede intelligenti. 55 / 73 Caratteristiche Memorie Tipo RAM Floppy disk Hard disk CD-ROM DVD Disco magnetico-ottico Tape da 0.25 pollici Tape Dat Velocitá Alta Bassa Alta Bassa Media Media Bassa Bassa Capacitá Bassa Bassa Alta Media Alta Alta Alta Alta Costo Alto Medio Medio Basso Baso Alto Basso Basso Registrazione Elettronica Magentica Magnetica Ottica Ottica Magnetica Magnetica Magnetica 56 / 73 Caratteristiche Memorie I Velocitá di recupero dei dati dipende: I I I velocitá di rotazione, ossia il numero di giri compiuti al minuto; tempo di accesso = tempo di posizionamento + latenza; tempo di posizionamento é il tempo impiegato per localizzare la traccia su cui sono memorizzati i dati; latenza, legata alla velocitá di rotazione del disco, rappresenta il tempo necessario affinché il settore interessato all’operazione passi sotto la testina; velocitá di trasferimento dati, ossia la velocitá per portare i dati dalla memoria di massa alla RAM. 57 / 73 Dischi magnetici I Hard disk é un dispositivo elettro meccanico. I Conserva le informazioni sotto forma magnetica su supporto rotante a forma di piatto su cui agiscono testine di lettura e scrittura. I La testina contiene un induttore: sospeso sopra la superficie e sostenuta da un cuscino d’aria. Le operazioni di scrittura e lettura avvengono come segue: I I I Scrittura: con il passaggio di corrente + o - attraverso la testina, si magnetizza la superficie sotto la testina e le particelle magnetiche si allineano verso sinistra o destra a seconda della polarizzazione della corrente. Lettura: con il passaggio della testina sopra un’area magnetizzata, si induce una corrente + o - nella testina che permette di leggere i bit memorizzati. 58 / 73 Dischi magnetici I Disco si compone di traccia, cilindro e settori: I Traccia é una sequenza circolare di bit. I Settore é una porzione di traccia di dimensione fissa. I Cilindro é l’insieme delle tracce in una data posizione radiale. 59 / 73 Memorie flash I I Dispositivo é elettronico (piú che allo stato solido). Presenta dei vantaggi e degli svantaggi: I I tra i vantaggi abbiamo: tempo di accesso ridotto, maggiore velocitá di trasferimento dei dati, rumorositá assente, maggiore resistenza agli urti; tra gli svantaggi: maggiore prezzo per bit (10 volte il costo di un disco tradizionale), minore durata dell’unitá se usata per frequenti scritture. 60 / 73 Argomenti Anatomia[Curtin, 2012] Componenti Unitá centrale di elaborazione Memoria Bus Porte Periferiche Periferiche di Ingresso Periferiche di Uscita Periferiche di Ingresso e Uscita Architettura di John Von Newman 61 / 73 Architettura di Von Newman Schema architettura Von Newman (1945): detta Bus oriented I componenti fondamentali sono CPU, memoria centrale e i sistemi di I/O. 62 / 73 Architettura di Von Newman I I Tutti i moderni computer usano questa architettura. Si basa su 5 componenti fondamentali: I I I I I CPU per eseguire i programmi immagazzinati nella memoria centrale leggendo le istruzioni ed eseguendole in sequenza. Memoria centrale per i dati e anche i pogrammi (anche i programmi sono dei dati), codificati in forma binaria. Unitá di Input per inserire dati e programmi nel calcolatore. Unitá di Output per restituire all’operatore i dati. Bus per collegare i componenti tra loro. 63 / 73 Architettura di Von Newman I programmi e i dati, codificati in forma binaria, sono trasferiti attraverso il bus dati e caricati in memoria al tempo di esecuzione. Il bus indirizzi é usato dalla CPU per indifcare alla memoria le locazioni dove risiedono le informazioni da trasferire. 64 / 73 CPU I É composta da: I I I I Unitá di controllo o Control Unit che legge le istruzioni dalla memoria centrale e ne determina il tipo decodificandole: invia i segnali di controllo che provocano trasferimenti ed elaborazioni. Clock che sincronizza le operazioni rispetto ad una data frequenza: ad ogni oscillazione del clock viene eseguita una operazione. Unitá operativa con la parte ALU (Arithmetic Logic Unit) che esegue le operazioni necessarie all’esecuzione delle istruzioni quali AND, OR, addizione binaria, prelevando i valori dai registri. Registri che costituiscono una piccola memoria ad alta velocitá usata per memorizzare i risultati temporanei e le informazioni di controllo per il funzionamento della ALU: possono essere letti e scritti molto velocemente. 65 / 73 CPU I I registri risiedono all’interno della CPU. I Hanno le stesse dimensioni. I I registri contengono i risultati parziali dell’elaborazione ed informazioni necessarie al controllo. I Il program counter (PC) é il registro piú importante che indica la prossima istruzione da eseguire. I Instruction Register (IR) memorizza l’istruzione che si sta per eseguire. I All’interno della CPU vi sono altri bus per collegare i vari componenti. 66 / 73 Data Path I Data path comprende i registri e ALU. I Il ciclo di data path va dal passaggio degli operandi attraverso la ALU e la memorizzazione dei risultati nel registro. I Ogni istruzione é eseguita in piú cicli di data path dipende dalla complessitá dell’operazione (divisione). I Nelle architetture non parallele il ciclo di data path corrisponde al ciclo di clock. I La velocitá del ciclo di data path contribuisce a determinare la velocitá della CPU. 67 / 73 Esecuzione delle istruzioni I CPU opera in modo ciclico ripetendo una serie di operazioni: I I I caricamento ossia acquisisce dalla memoria un’istruzione del programma; decodifica ossia identifica il tipo di operazione da effettuare; esecuzione ossia effettia operazioni corrispondenti all’istruzione. 68 / 73 Esecuzione delle istruzioni I I passi seguiti dalla CPU durante l’esecuzione delle istruzioni sono: 1. Legge istruzione dalla memoria e la mette nel Instruction Register; 2. Incrementa il Program Counter per indicare l’istruzione successiva; 3. Decodifica l’istruzione letta; 4. Se l’istruzione usa degli operandi (parole) determina dove si trovano tra memoria e registri; 5. Mette gli operanidi nei registri della CPU se necessario; 6. Esegue l’istruzione; 7. Salva il risultato in un registro; 8. Torna al punto 1. I Il punto 6 puó richiedere dei sottopassi a seconda della complessitá dell’insieme di istruzioni. I La traduzione della istruzione in sottopassi é effettuata da un interprete o microprograma. 69 / 73 Memoria Centrale I Accoglie i dati e i programmi. I Contiene informazione di breve o medio termine, mentre la memoria di massa memorizza informazione di lungo termine. I É in genere di dimensione ridotte e puó accogliere solo una parte dll’informazione disponibile. I É una sequenza di celle di memoria ciascuna contenente una parola (word) che sono sequenze di bit. I I I Le parole all’interno di un elaboratore sono tutte della stessa lunghezza. Nei calcolatori moderni le parole hanno lunghezza ≥ 32. Puó essere vista come una tabella in cui le righe sono le celle e le colonne individuano un bit di memoria: negli incroci tra righe e colonne é memorizzata l’informazione. 70 / 73 Memoria Centrale In questo caso la parola é di 8 bit, ossia 1 byte. 71 / 73 Memoria Centrale I Le celle di memoria sono indirizzate. I L’elaboratore puó selezionare una particolare cella di memoria. I L’indirizzo di una cella di memoria é la sua posizione relativa rispetto alla prima cella di memoria (che ha valore 0). I L’indirizzamento di memoria avviene tramite registro indirizzi che si trova nella CPU. 72 / 73 Per ulteriori letture Livio Baldi, Gianfranco Cerofolini, La Legge di Moore e lo sviluppo dei circuiti integrati, Mondo Digitale (2002), http://www-3.unipv.it/merlo/Baldi_p.3-15.pdf Dennis P. Curtin, Kim Foley, Kunl Sen, Cathleen Morin, Informatica di Base, Cap. 2, 3, 4, 14, 15 e 16, McGraw-Hill (2012) 73 / 73
