Architettura di un calcolatore e
principali caratteristiche tecniche
e tecnologiche
Sommario
Il modello di Von Neumann
Principali componenti di un personal computer:
Unità centrale di elaborazione (CPU)
Gerarchia e tipi di memoria
Dispositivi comuni di input/output
Fattori che influenzano le prestazioni di un computer:
Velocità della CPU
Dimensione della RAM
Il processore e la memoria della scheda grafica
Varie tipologie di calcolatori
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Modello di Von Neumann [1]
Verso la metà del secolo scorso,
sotto l’impulso dello sforzo bellico
dovuto alla II guerra mondiale, gli
sviluppi dell’elettronica hanno reso
possibile costruire dispositivi che
sono particolarmente adatti ed
efficienti per la memorizzazione e la
successiva elaborazione di stringhe
di bit.
La disponibilità di una macchina in
grado di elaborare l’informazione in
formato binario e di farlo in maniera
“programmata” sono la base
dell’architettura dei moderni
calcolatori elettronici.
I computer che utilizziamo oggi
hanno tutti una struttura che può
essere descritta mediante un
modello che ha preso il nome da
un matematico ungherese, John
Von Neumann.
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Modello di Von Neumann [2]
Durante gli anni della II guerra mondiale ed in quelli immediatamente
successivi, Von Neumann fece parte del team che progettò questo nuovo tipo
di macchina che avrebbe avuto la larghissima diffusione che oggi conosciamo.
Utilizzando la codifica universale fornita dal codice binario, l’idea fu quella di
memorizzare nella macchina non solo i dati, ma anche le istruzioni che le
occorrevano per svolgere determinate operazioni.
Ciò rendeva la macchina “programmabile”, cioè non era più necessario
reinserire le istruzioni a ogni esecuzione ottenendo un minor spreco di tempo
ed una maggiore velocità di operazione
Lo scopo originale di queste macchine era quello di calcolare a grandissima
velocità le complesse tabelle numeriche che occorrevano per i calcoli balistici
relativi alle traiettorie dei proiettili (da qui il nome di “calcolatori”).
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Modello di Von Neumann [3]
La struttura descritta dal Modello di
Von Neumann comprende sei unità
fondamentali:
Memoria
CU
BUS
L’Unità di controllo si occupa di
controllare tutte le operazioni del
calcolatore, interpretare le istruzioni
prelevate dalla memoria e inviare alle
altre unità i segnali per l'esecuzione
delle operazioni.
L’Unità aritmetico-logica, detta ALU
(Arithmetic & Logic Unit), fornisce la
capacità di effettuare operazioni
aritmetiche di base .Queste due unità
sono spesso integrate in una CPU,
Central Processing Unit – Unità di
Elaborazione Centrale
Input
ALU
CPU
Le componenti fondamentali di un
moderno calcolatore elettronico
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Output
Modello di Von Neumann [4]
Memoria
CU
BUS
La Memoria che ha lo scopo di
conservare le istruzioni e i dati da
elaborare e i risultati ottenuti dalle
elaborazioni;
L’Unità di ingresso (Input) che
immette le informazioni nel
calcolatore per farle elaborare;
L’Unità di uscita (Output) che riceve
le informazioni dalla memoria del
calcolatore per renderle pronte
all’uso;
le unità di ingresso e uscita sono
anche dette periferiche. Il Bus, vero e
proprio canale di comunicazione che
consente ai dati di transitare fra
diversi componenti del calcolatore.
Input
ALU
CPU
Le componenti fondamentali di un
moderno calcolatore elettronico
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Output
modello di Von Neumann [5]
Come lavora un Calcolatore Elettronico basato sul Modello di Von Neumann?
Cerchiamo di rispondere in maniera semplificata ma corretta a questa
domanda.
Come abbiamo detto l’ipotesi di partenza è che sia le istruzioni che i dati
sono disponibili in memoria (ad esempio sono state opportunamente
“caricate” nella memoria usando l’unità di input).
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modello di Von Neumann [6]
In queste ipotesi, per ogni
istruzione del programma:
la CPU, tramite la sua parte
Controllo, ordina il prelevamento
di una istruzione dalla Memoria;
la esegue utilizzando le
opportune unità coinvolte durante
l’esecuzione può, di volta in volta:
•usare la ALU
•effettuare altri accessi in
Memoria per leggere o scrivere
dati
•effettuare operazioni di ingresso
(per es. leggi un dato dalla
tastiera) o di uscita (per es.
visualizza il risultato sul video).
BUS
la decodifica, cioè la interpreta
capendo quali azioni comporta;
Memoria
CU
Input
ALU
CPU
Le componenti fondamentali di un
moderno calcolatore elettronico
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Output
Principali componenti di un personal computer [1]
Ci occuperemo ora di descrivere in maggior dettaglio l’architettura di un Personal
Computer.
Una nota di colore: è interessante notare che mentre inizialmente gli elaboratori
elettronici erano degli “scatoloni” dal design poco accattivante che custodivano
dei circuiti elettrici per l’elaborazione di dati, con il passare del tempo si è
sviluppato un vero e proprio culto per il computer, tanto che le case produttrici
sono in continua competizione nella realizzazione di macchine dal design
futuristico tale da renderle anche oggetti di arredo.
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Principali componenti di un personal computer [2]
Come abbiamo già detto, tutti i moderni calcolatori, anche se con design e
funzioni diverse, hanno la stessa architettura di base, che riprende
quella del modello di Von Neumann.
Ricapitolando questo Modello prevede:
un’unità centrale di elaborazione (CPU) che effettua e controlla le
operazioni, elabora e smista i dati di ingresso e di uscita;
una memoria centrale che registra le istruzioni di un programma e i
dati;
le unità periferiche di input/output che svolgono funzioni di
comunicazione tra l’utente ed il calcolatore;
I bus necessari per scambiare dati tra le varie componenti.
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Principali componenti di un personal computer [3]
Nei PC contemporanei possiamo
sempre ritrovare alcune componenti
fisiche. Ad esempio:
La CPU ovvero il processore;
Le Memorie - Rom, Ram, hardisk;
I dispositivi di input/output
Il Modello di Von Neumann deve
essere realizzato nella pratica con
opportune componenti. Proviamo a
capire la corrispondenza tra le
componenti fisiche ed il Modello.
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La CPU [1]
Il vero e proprio cuore del PC è il
microprocessore.
Esso corrisponde a quella che nel
Modello di Von Neumann veniva
chiamata CPU
la CPU, acronimo di Central
Processing Unit, è l’unità centrale di
elaborazione. Prende il nome di
processore poiché svolge
sistematicamente precise operazioni,
elabora dunque un “processo”. Infatti,
legge le istruzioni e i dati dalla
memoria ed esegue le istruzioni.
Tra le più famose industri costruttrici
si annoverano:
Intel, Motorola, IBM, AMD
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La CPU [2]
Un moderno microprocessore è
realizzato come un unico
componente elettronico integrato
(anche detto microchip o, più
semplicemente, chip) ed è
composto da:
•un’unità di controllo
che interpreta le istruzioni da
eseguire e coordina le azioni delle
altre componenti del calcolatorie;
•Un unità aritmetico-logica
che esegue le operazioni
matematiche;
•zone di immagazzinamento (cioè
piccole memorie) dove vengono
custoditi i dati in fase di
elaborazione;
•Un bus “interno”
tra le componenti della CPU
salti
cache dati
cache istruzioni
unità di controllo
bus
unità
di
unità di
elabo
razion elaborazione a
virgola mobile
e
interna
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La CPU [3]
Tra le zone di immagazzinamento
della CPU ve ne sono alcune dette
registri che possono contenere:
i dati che si stanno elaborando;
le istruzioni che il processore
deve eseguire.
Uno speciale registro contatore,
spesso detto Program Counter o
Prossima Istruzione, si occuperà di
controllare l’ordine con il quale
vengono eseguite le istruzioni del
programma, tenendo presente quale
istruzione il processore sta
eseguendo in quel determinato
momento.
Registro
Prossima istruzione
3
Posizione
Istruzione
1
Somma
2
Stampa
3
Sottrai
…
…
…
…
…
Memoria
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La CPU [4]
Una caratteristica fondamentale del
processore è la sua velocità, cioè la
capacità di eseguire uno o più
operazioni al secondo.
Questa velocità viene regolata da un
orologio, detto “clock”.
La cosiddetta velocità di clock viene
espressa in Hertz o cicli al secondo.
Il legame tra la velocità di clock e la
capacità elaborativa del processore è
molto complesso.
Molto spesso, tuttavia, si può
affermare che maggiore è la velocità
di esecuzione delle singole
operazioni maggiore è la potenza del
processore.
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La CPU [5]
A livello fisico i processori sono
realizzati (con un processo detto di
“integrazione”) su chip contenenti
milioni di transistor.
Ogni transistor può essere visto
come un interruttore che con il suo
stato di “aperto” o “chiuso” può
elaborare un bit di informazione.
Il processore si connette alla scheda
madre mediante opportuni
“piedini” (ovvero piccoli connettori
elettrici).
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La CPU [6]
Il processore viene realizzato mediante una tecnologia
detta a circuito integrato che produce un
componente detto chip. Un chip si può descrivere
come un insieme di cristalli di silicio lavorati e
assemblati.
Non conducendo elettricità per natura, il silicio deve
essere “drogato”, cioè trattato con elementi chimici.
I cristalli allo stato puro vengono sviluppati in
speciali forni sottovuoto. Le piastrine di silicio
vengono successivamente esposte a sostanze
chimiche, per rendere possibile il passaggio di
corrente elettrica. Il silicio così trattato diventa
semiconduttore. Le barre di silicio vengono poi
tagliate in sottili lamine dette wafer che
contengono molti chip (vedi figura a lato).
chip
wafer
I singoli chip vengono testati e quelli non idonei
scartati mentre quelli validi verranno estratti dal
wafer con un laser o con una lama di diamante.
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La CPU [7]
Per poterli maneggiare facilmente i chip
vengono messi all'interno di un
supporto di plastica mediante un
procedimento detto packaging
(impacchettamento).
Il packaging del 486
Dato l’elevato livello di integrazione
raggiunto (in un chip di lato 1 cm x 1
cm sono oggi presenti milioni di
transistor) uno dei grandi problemi da
affrontare è il surriscaldamento
provocato dal passaggio della corrente.
Per evitare che il processore si surriscaldi
e lavori male, o che addirittura si guasti
completamente, viene coperto da una
sostanza morbida refrigerante e sopra
di esso viene montata una ventola a
motore.
Vista ingrandita del chip
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