Architettura di un elaboratore
Lezione n. 6
Lo schema di riferimento
Schermo
Interfaccia
ingresso/uscita
Tastiera
Mouse
Interfaccia
Interfaccia
ingresso/uscita ingresso/uscita
Memoria
di massa
Interfaccia
ingresso/uscita
Ø× Ø× Ø× Ø×
…
Memoria
centrale
CPU
Ø× Ø×
Bus dati
Bus indirizzi
Bus di controllo
Corso di Informatica Giuridica
(Sciuto D. e altri, Introduzione ai sistemi informatici, McGraw-Hill, 2002)
2
1
Tipi di elaboratore
Supercomputer: hanno elevatissime capacità di calcolo e di
solito contengono piu’ unità di calcolo. Esempi: Cray, SPM
(calcolatori paralleli), presso CINECA (Centro Interuniversitario di
Calcolo, Bologna). www.cineca.it
Mainframe: potente elaboratore che svolge funzioni
centralizzate, di solito di contabilità o amministrative
Server: e’ una denominazione della funzionalità del computer
che gestisce altri computer connessi a esso in rete
Personal Computer (PC): computer di basso costo che possono
elaborare in modo autonomo. Esempi: desktop, workstation
Smart phone, palmari (PDA), play station (PSP), Ipod, …
Sistemi embedded
3
Corso di Informatica Giuridica
La macchina di Von Neumann - schema
Corso di Informatica Giuridica
(da Ceri, Mandrioli, Sbattella, Informatica: Arte e Mestiere, Mc Graw-Hill, 1999)
4
2
ENIAC (Elecronic Numerical Integrator and
Computer) costruita all'Universita' della
Pensilvania - 1943 - 1946
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5
La macchina di Von Neumann - componenti
Componenti fondamentali:
Unita’ di elaborazione (CPU): contiene I dispositivi elettronici in
grado di acquisire, interpretare ed eseguire le istruzioni. E’ divisa
in due parti: Unità di controllo (UC) e Unità Aritmetico – logica
(ALU)
Memoria centrale: contiene istruzioni e dati
Periferiche: permettono lo scambio di informazioni fra
l’elaboratore e l’esterno. Le periferiche comprendono anche le
memorie secondarie o memorie di massa
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6
3
La memoria - BIT e BYTE
L’informazione viene codificata in modo binario, ossia in una
sequenza finita di 1 e di 0
La più piccola unità di informazione memorizzabile o
elaborabile è il bit (binary digit) che corrisponde allo stato di
un dispositivo fisico che ha due possibili stati: differente
tensione elettrica (alta o bassa in memoria centrale), differente
stato di polarizzazione magnetica (positiva o negativa nelle
memorie secondarie), alternanza fra luce e buoi nella
trasmissione dati
7
Corso di Informatica Giuridica
Informazioni binarie
Bit: informazione elementare
costituita da una cifra binaria (0 o 1,
On o Off, Sì o No);
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(© Sartor)
8
4
BIT e BYTE - terminologia
L’unita’ minima del linguaggio digitale e’ il bit
1 byte= 8bit (256 combinazioni)
2 10 byte= 1 Kilobyte (1KB)
2 10 KB=1 Megabyte (1MB)
2 10 MB= 1 Gigabyte (1GB)
2 10 GB= 1 Terabyte (1TB)
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9
La tecnologia digitale
CPU, memoria centrale e dispositivi sono realizzati
con tecnologia elettronica digitale.
Dati ed operazioni vengono codificate mediante
componenti suscettibili di assumere solo due stati
tensione alta(TA)/tensione bassa(TB), aperto/chiuso,
magnetizzato positivamente/magnetizzato negativamente,
riflettente la luce/non riflettente la luce
A ciascuno dei due stati è associata una cifra binaria, o bit,
0 e 1. Es: 1 = Tensione alta e 0 = Tensione bassa; ecc.
Dati ed operazioni sono codificate mediante sequenze di
bit
010000100010001….
sartor
Corso di Informatica Giuridica
10
5
Sistemi di codifica
Sistemi posizionali, cioè ogni cifra di un numero
rappresenta un valore che dipende
dalla posizione della cifra (posizione calcolata a partire dalla
fine del numero, iniziando a contare da 0), e
dalla base del sistema di numerazione
Valore = Cifra * BasePosizione
132410 = 1 * 103 + 3 * 102 + 2* 101 + 4 * 100
(1.000) + (300) + (20) +
(4)
3
2
1
11012 = 1 * 2 + 1 * 2 + 0 * 2 + 1 * 20
(8) +
(4) +
(0)
1
Quanti numeri posso rappresentare con 10 dita?
(© Sartor)
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11
Sistema binario
Anche nel sistema binario
Valore = Cifra * BasePosizione
In particolare
Valore = Cifra * 2Posizione
1
23
1
22
0
21
1
20
11012 = 1310
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(© Sartor)
12
6
Passare da decimale a binario
13 : 2 = 6 resto 1
6 : 2 = 3 resto 0
3 : 2 = 1 resto 1
1 : 2 = 0 resto 1
1310 = 11012
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13
Rappresentazioni nel sistema binario
Numeri 13 ⇒ 1101
Caratteri alfabetici e numerici:
Immagini e fotografie
Tavole di conversione ASCII: Fanno corrispondere ad ogni
carattere o numero un gruppo di 8 bit. Vi sono 256 gruppi
diversi di bit, e pertanto con 8 bit si possono rappresentare
256 simboli diversi.
Una sequenza di 8 bit viene chiamata byte o carattere
in bianco e nero (es. 0 = punto bianco; 1 = punto nero)
Immagini a colori
Suoni
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14
7
Algebra di Boole
algebra di variabili suscettibili di assumere
due valori (0, 1; ON, OFF; vero, falso)
15
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Operatori BOOLEANI
AND 0
0 0
1 0
0
0 0
1 1
OR
NOT 0
1
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1
0
1
1
1
1
1
0
Es.
Es.
Es.
(© Sartor)
1100 AND
1010
1000
1100 OR
1010
1110
1010 NOT
0101
16
8
I circuiti che realizzano le operazioni
elementari
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(© Sartor)
17
Una semplice rete logica
R= (A AND B) OR (NOT C).
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(© Sartor)
18
9
Reti logiche
Reti logiche elementari, costruite con gli elementi
appena indicati possono eseguire operazioni elementari
(addizioni, sottrazioni, confronti)
Combinando operazioni elementari, si possono eseguire
tutte le operazioni di base effettuabili da parte
dell’elaboratore. Addizione, sottrazione, scorrimento,
confronto. Sono queste le operazioni eseguibili
direttamente dall’hardware, che caratterizzano la CPU
RISC: reduced instructions set computer e
CISC: complex instruction set computer
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19
Reti logiche e circuiti integrati
Le reti logiche sono oggi realizzate mediante transistor,
dispositivi composti di materiale semiconduttore (che
permettono il passaggio di corrente solo in particolari
condizioni)
Circuito integrato: circuito complesso, realizzato su
un’unica piastrina di silicio
Microprocessore: circuito integrato contenente una CPU
completa (unità logico-aritmetica, unità di controllo,
registri)
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20
10
CPU
1971: 4004 Microprocessor
21
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Maschere di CPU - Pentium III
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1999: Pentium® III Xeon(TM) Processor
22
11
Piastra madre
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23
Schede
I chip sono collocati su schede a circuiti stampati
Scheda madre: la scheda principale ai cui connettori
si collegano I dispositivi. Contiene la CPU, la
memoria centrale, i principali controller
Schede di espansione: contengono ulteriori
componenti hardware, e si collegano agli slot di
espansione del computer (per aggiungere memoria,
adattatore video, scheda grafica, modem interno,
ecc.)
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24
12
L’Unita’ centrale di elaborazione - CPU
La CPU contiene :
Unità di controllo (UC)
Unità Aritmetico Logica (ALU)
Clock di sistema
REGISTRI:
(Registro: piccola porzione di memoria capace di memorizzare una
sequenza di bit, di solito 1 o più parole)
Registro dati (DR)
Registro indirizzi (AR)
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25
Dettaglio della macchina di Von Neumann
Corso di Informatica Giuridica
26
13
L’Unita’ centrale di elaborazione - registri
Registro istruzione corrente (CIR). Contiene, istante per istante,
l’istruzione in esecuzione
Registro Contatore di programma (Program Counter PC).
Contiene, istante per istante, l’indirizzo della prossima istruzione
che deve essere eseguita
Registro interruzioni (Interrupt register INTR). Contiene
informazioni sullo stato delle periferiche
Registri contenenti operandi e risultati delle ultime operazioni fatte
Registri di lavoro
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27
La memoria centrale
Concettualmente e’ una sequenza di celle, ciscuna delle quali
contiene una parola (word)
Le parole di uno stesso elaboratore hanno tutte la stessa
lunghezza (32 o 64 bit di solito)
Ciascuna cella di memoria puo’ essere indirizzata, cioe’ viene
associata in modo univoco ad un indirizzo
L’indirizzamento della memoria avviene tramite un registro,
detto registro degli indirizzi
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28
14
La memoria centrale
RAM (Random Access Memory): memoria volatile,
modificabile. Mantiene memorizzati I programmi che si stanno
utilizzando e I dati in fase di elaborazione.
La RAM e’ organizzata in moduli (SIMM o DIMM)
ROM (Read Only Memory): memoria non volatile. Contiene le
istruzioni dette firmware.
Corso di Informatica Giuridica
29
CPU – ciclo di memoria
In grado di eseguire solo istruzioni
codificate in linguaggio macchina
Ciclo Fetch – Decode - Execute
1.
2.
3.
4.
Prendi l’istruzione corrente dalla memoria e
mettila nel registro istruzioni (IR) (fetch)
Incrementa il Program Counter (PC) in modo che contenga l’indirizzo
dell’istruzione successiva
Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode)
Se l’istruzione necessita di un dato in memoria determina dove si
trova e caricalo in un registro della CPU
5.
Esegui l’istruzione (execute)
6.
Torna al punto 1 e opera sull’istruzione successiva
Corso di Informatica Giuridica
30
15
Ciclo Fetch–Decode–Execute
Fetch
Decode
Execute
Corso di Informatica Giuridica
(da Curtin e altri, Informatica di base, McGraw Hill Italia, 2002)
31
L’interazione fra CPU e memoria - ciclo macchina
1.
Caricamento (Fetch): l’UC preleva l’istruzione successiva
presente in memoria
2.
Decodifica (Decode):l’UC interpreta l’istruzione e trasferisce I
dati a cui questa fa riferimento dalla memoria alla ALU
3.
Esecuzione (Execute): la ALU esegue l’operazione logica o
aritmetica richiesta dall’istruzione
4.
Memorizzazione (Store):I risultati delle operazioni svolte sono
memorizzati nella memoria
Corso di Informatica Giuridica
32
16
L’interazione fra CPU e memoria - evoluzione
Nella macchina di Von Neumann le fasi di elaborazione si
succedono in modo sincrono rispetto alla scansione temporale
di un orologio di sistema (clock)
Modelli evoluti di questa architettura prevedono di introdurre
varie forme di parallelismo, cioè esecuzione contemporanea
delle attività di elaborazione
Corso di Informatica Giuridica
33
L’Unita’ centrale di elaborazione - prestazioni
La velocita’della CPU viene misurata in Megahertz (milioni di cicli
al secondo, misurati con il clock del processore)
Processori di tipo diverso non vanno confrontatisulla base del
ciclo di clock
MIPS (milioni di istruzioni per secondo)
Legge di Joy: MIPS=2(anno-1984)
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34
17
I bus
I bus sono collegamenti che permettono la trasmissione delle
informazioni tra I vari componenti del sistema. Numero di linee
determina l’ampiezza del bus. 32 o 64 bit
Bus di sistema. Collega la CPU ad altri dispositivi del computer,
fra cui la memoria. In ogni istante di tempo il bus collega due
unita’ funzionali: una trasmette I dati e l’altra li riceve, controllato
dall’unita’ centrale di elaborazione
Corso di Informatica Giuridica
35
I bus - tipologie
Le linee del bus vengono suddivise in tre categorie:
Bus dati: trasferisce dati
Bus indirizzi: trasferisce indirizzi; per esempio contenuto del
registro indirizzi dall’unita’ di elaborazione centrale alla memoria
Bus controlli: trasferisce un codice corrispondente all’istruzione
da eseguire
Corso di Informatica Giuridica
36
18
Esempio: operazione di lettura
La CPU:
1.
Carica l’indirizzo della parola da leggere nel registro
indirizzi e lo trasmette alla RAM tramite il bus indirizzi
2.
Richiede un’operazione di lettura inviando il codice del
comando tramite bus controlli
La RAM:
3.
Sposta tramite bus dati il contenuto della parola indirizzata
nel registro dati
4.
Segnala alla CPU, tramite bus controlli, che l’operazione e’
terminata
37
Corso di Informatica Giuridica
La struttura del computer
Corso di Informatica Giuridica
(© Sartor)
38
19
Slot di espansione
Agli slot di espansione presenti sulla scheda madre si possono
inserire le schede degli adattatori
Le schede degli adattatori sono collegate al bus di sistema
Possono avere diverse funzioni: collegarsi a Internet (modem),
utilizzare fax, scanner, audio ecc.
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39
Le memorie secondarie - struttura
Sono costituite da due elementi distinti:
1.
Il dispositivo di memorizzazione: ha la funzione di scrivere o
leggere i dati sul supporto
2.
Il supporto di memorizzazione: è il componente fisico su cui
vengono memorizzati i dati
Tipi di supporto:
memoria magnetica (nastri, dischi)
memoria ottica (compact disc, DVD)
memoria magneto-ottica (dischi magneto-ottici)
Corso di Informatica Giuridica
40
20
Le memorie
secondarie - tipi
Le memorie secondarie presenti in un PC sono:
disco fisso (può essercene più di uno)
floppy disk
compact Disk
DVD
unità nastro per il backup (opzionale)
...
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41
Le memorie secondarie - caratteristiche
1.
Accesso: Sequenziale (nastro), diretto (dischi o cd)
2.
Formattazione: suddivisione del disco in tracce e settori
3.
Velocità: velocità di accesso (ai dati sul supporto) + velocità di
trasferimento (dei dati dalla memoria secondaria alla memoria
centrale RAM). I dischi fissi (HD) offrono una velocità più alta
rispetto a quelli rimuovibili
4.
Capacità di memorizzazione: quantità di dati che un supporto è
in grado di memorizzare. HD >10 GB, CD <1GB, floppy 1,4MB
5.
Evoluzione continua: Ipod 80 Gb, Blue ray fino a 500Gb
Corso di Informatica Giuridica
42
21
Le memorie secondarie - il disco fisso
tracce, cilindri, settori, cluster
controller del disco fisso: interfaccia per comunicare con
l’elaboratore. Esempi: IDE (piu’ vecchia), EIDE, SCSI (piu’
veloce).
Corso di Informatica Giuridica
(da Curtin e altri, Informatica di base, McGraw Hill Italia, 2002)
43
Dischi
Corso di Informatica Giuridica
44
22
Geometria dei dischi
I dischi sono costituiti da platter, ciascuno con due superfici
Ogni superficie è costituita da anelli concentrici detti tracce
Ogni traccia è costituita da settori separati da gaps
traccia
superficie
traccia k
gaps
perno
settori
45
Corso di Informatica Giuridica
Geometria dei dischi
cilindro k
superficie 0
platter 0
superficie 1
superficie 2
platter 1
superficie 3
superficie 4
platter 2
superficie 5
perno
Le tracce “allineate” formano un cilindro
Corso di Informatica Giuridica
46
23
Operazioni sui dischi
braccio
perno
Le testine di lettura/scrittura si muovono in maniera
univoca da cilindro a cilindro
Corso di Informatica Giuridica
47
IL backup dei dati
Backup: copia di tutti i dati (o almeno dei più importanti)
Motivazione: si possono verificare incidenti che
causano la perdita dei dati sul disco fisso
Destinazione: floppy disk, per limitate quantità di dati
(poco sicuro); CD, dischi fissi removibili oppure unità
nastro (maggiore capacità di memorizzazione), unità
ottiche
Corso di Informatica Giuridica
48
24
Legge di Moore - enunciazione
Nel 1965 Gordon Moore suppose che le prestazioni dei
microprocessori sarebbero raddoppiate ogni 12 mesi
Nel 1975 questa previsione si rivelò corretta e prima della fine del
decennio i tempi si allungarono a 2 anni, periodo che rimarrà valido
per tutti gli anni Ottanta
La legge, che resta valida fino ai nostri giorni, viene riformulata alla
fine degli anni Ottanta ed elaborata nella sua forma oggi definitiva,
ovvero che le prestazione dei processori raddoppiano ogni 18 mesi
Questo vuol dire che c’è un incremento di circa il 60% all’anno
49
Corso di Informatica Giuridica
Legge di Moore – implicazioni
Il progresso della tecnologia provoca un aumento del numero
di transistor per cm2 e quindi per chip
Un maggior numero di transistor per chip permette di produrre
prodotti migliori (sia in termini di prestazioni che di funzionalità)
a prezzi ridotti
I prezzi bassi stimolano la nascita di nuove applicazioni (e.g.
non si fanno video game per computer da milioni di $)
Nuove applicazioni aprono nuovi mercati e fanno nascere
nuove aziende
L’esistenza di tante aziende fa crescere la competitività che, a
sua volta, stimola il progresso della tecnologia e lo sviluppo di
nuove tecnologie
Corso di Informatica Giuridica
(Sartor)
50
25
Le periferiche di input/output – le porte
La comunicazione con le periferiche avviene tramite porte (alloggiamenti,
di solito posti sul retro, in cui vengono inseriti I cavi delle periferiche)
Porte seriali (porte di comunicazione asincrona): due linee per
inviare e ricevere dati; un bit per volta
Porte parallele (interfacce centronics): 8 bit per volta
Porte SCSI (Small Computer System interface): permettono di
collegare più dispositivi alla stessa porta
Porte USB (Universal Serial Bus): più veloci; possono collegare fino
a 127 dispositivi ad una sola porta
Porte Firewire (IEEE 1394): tecnologia più potente di USB
Corso di Informatica Giuridica
51
Le periferiche di input
Input di testo:
Input di dati
Lettori di codici a barre
Riconoscitori vocali
...
Input di grafica
Tastiera
Scanner (riconoscimento ottico dei caratteri OCR). Il testo viene
convertito dalla forma stampata a quella elettronica
Scanner grafico (scanner piano oppure a tamburo). Per le immagini a
colori sono necessari tre filtri per leggere verde,rosso e blu (scala RGB)
Strumenti di puntamento
Mouse
Puntatori di gomma
Joystick
Corso di Informatica...
Giuridica
52
26
Le periferiche di output
Schermo o monitor
con tubo a raggi catodici (CRT)
a schermo piatto. Quattro principali tipi di tecnologie: display a cristalli
liquidi, a plasma a colori, elettro-luminescenti, a emissione di campo
Stampante
laser
a getto d’inchiostro
a matrice di punti
Plotter
53
Corso di Informatica Giuridica
Output di testo - i font
Font: tipo di carattere con uno stile e una forma propri.
Caratteristiche
Tipo: esempi più comuni: Courier, Times Nedw Roman,
Arial, Franklin, Bookman ….
Stile: Normale, Grassetto, Corsivo,…
Dimensione: 24 punti, 14 punti,
Corso di Informatica Giuridica
40 punti ….
54
27
Output grafico - elementi
Risoluzione: indica la qualita’ di un’immagine visualizzata
sullo schermo o stampata
Pixel (picture element): lo schermo e’ diviso in pixel.
Risoluzione di 640x480 (VGA), 800x600 (SVGA) , 1280x960
..
Il numero totale di pixel nello schermo dipende dalla
risoluzione utilizzata
A ogni pixel viene assegnato un indirizzo (bit mapping)
Punti per pollice (dots per inch - DPI): misura la risoluzione
di una stampante.
Risoluzione 600dpi, 1200 dpi . . .
55
Corso di Informatica Giuridica
Output grafico - la risoluzione
Rapporto fra risoluzione e grandezza dell’immagine
ingrandimento dell’output
di una stampante laser
risoluzioni diverse
Corso di Informatica Giuridica
(da Curtin e altri, Informatica di base, McGraw Hill Italia, 2002)
56
28
Output grafico - i colori
Gamma dei colori: a ciascun pixel viene assegnato un colore
o una gradazione di grigio.
Corrispondenza biunivoca fra pixel e numero del colore
assegnato in una tavolozza di colori disponbili nella scheda
video (fino a 16 milioni) (settingsÆschermo Æ impostazioni)
Profondità di colore: e’ la gamma di colori disponibile.
Dipende da quanti bit sono usati per memorizzare I dati di ogni
pixel.(1bit = 2 colori; 8 bit=256 colori; 24 bit=16 milioni di
colori).
Memoria video disponibile
Corso di Informatica Giuridica
57
Output grafico – rappresentazione dei colori
Sullo schermo ogni colore e’ rappresentato come
sovrapposizione di 3 colori nelle scale rosso, verde, blu (RGB)
(colori primari)
Le stampanti a colori utilizzano cartucce dei colori Cyano,
Magenta e Giallo (CMY) (colori sottrattivi) ed eventualmente
nero per creare tonalità più scure
Corso di Informatica Giuridica
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29
Estensione alla macchina di Von Neumann
Uso di processori dedicati (coprocessori) che eseguono in
“parallelo” compiti specifici
Modifica della struttura del processore, in modo da poter
eseguire in parallelo le varie fasi di una istruzione (pipelining)
Uso di gerarchie di memorie. Es. Memoria cache,
caratterizzata da alta velocità, in cui vengono trasferite le
informazioni di uso più recente o più comune
Corso di Informatica Giuridica
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Estensione alla macchina di Von Neumann
Uso di processori dedicati (canali di ingresso-uscita) per
trasferire grandi quantità di dati dalla memoria secondaria a
quella centrale senza interferire con la CPU
Architetture multiprocessore: sono dotate di molteplici
processori indipendenti, collegati fra loro da diversi schemi di
interconnessione
Corso di Informatica Giuridica
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30
Conclusioni
La macchina di Von Neumann come modello per il
funzionamento di un elaboratore e sue estensioni
Caratteristiche delle diverse componenti hardware di un
elaboratore (PC in particolare)
(riferimenti ad articoli di wikipedia: Legge di Moore, CPU, Hardware e
sottovoci, Architettura di von Neumann, Hard disk)
Corso di Informatica Giuridica
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31
