Cosa c`è dentro un computer?

Lez. 13
Cosa c’è dentro un computer?
Apriamo la “scatola magica”…
13/11/09
Dentro il computer
La scheda madre
• È la base di tutta la componentistica
• Si fissa sul case del pc, un po’ come la
pasta per la pizza si stende sulla teglia
• Su di essa vengono inserite delle
schede di espansione, un po’ come gli
ingredienti della pizza
La struttura hardware secondo
von Neumann (1946)
Central Processing Unit (CPU)
Unità di controllo + Unità aritmetico-logica + Registri
ISTRUZIONI
INPUT
DATI
MEMORIA
programmi e dati
OUTPUT
Slot PCI-express
North Bridge
Porte I/O
INPUT
OUTPUT
Central
Processing
Unit (CPU)
Batteria
tampone
Unità di controllo +
Unità aritmetico-logica
+ registri
MEMORIA
programmi e dati
South Bridge
Connettore IDE
Connettore SATA
Slot per memorie RAM
Socket
per
CPU
La memoria ROM-EPROM-FLASH
• Contiene il BIOS (Basic Input-Output System)
della scheda madre; è un insieme di istruzioni
dalle funzionalità molto limitate:
– eseguire il controllo dell'hardware all'accensione (il
POST, Power On Self Test)
– avviare un programma di gestione delle periferiche
se non vengono rilevati errori nell'esecuzione dei
test;
– avviare una schermata a video con una breve
descrizione dell'hardware presente;
– far partire la routine di boot che avvia l'OS.
Il chipset
• Il Chipset è un componente che mette in contatto la
CPU con le altri parti della scheda madre
• Normalmente i chipset sono costituiti da 2 chip
separati (da cui il nome)
• Il Northbridge ha il compito di gestire le connessioni
CPU-memoria-AGP/PCI Express
• Il Southbridge è invece la parte più lenta del Chipset.
le informazioni provenienti dalla CPU possano prima
dal northbridge e solo successivamente nel
southbridge. Si deve dunque fare carico delle
connessioni riguardanti gli Slot PCI e via dicendo, fra
cui ovviamente il controller per i dischi rigidi con
interfaccia EIDE e SerialATA
IL MICROPROCESSORE
Il cuore della macchina: la CPU
• Contiene diversi circuiti, ognuno dei
quali preposto ad un compito specifico
• È necessario che ogni circuito sappia
quando inviare e quando ricevere le
informazioni dagli altri
• Questo compito (come un vigile urbano)
spetta al Clock del processore
Il cuore della macchina: la CPU
• CU: Control UNIT, l’unità che controlla tutti i processi; legge
•
•
•
•
dati ed istruzioni dalla memoria centrale e li esegue, poi li
memorizza adeguatamente; Qui arrivano anche i segnali
esterni sullo stato del sistema, tra cui i colpi del clock;
ALU: Arithmetic-Logic UNIT, che esegue le operazioni
aritmetiche e logiche
Registri: celle di memoria interne alla CPU usate per
immagazzinare le informazioni utili per eseguire le istruzioni
Bus: le strade di comunicazione che permettono ai dati, agli
indirizzi e ai risultati di viaggiare dentro la CPU e fuori di
essa verso la memoria
Clock: permette a tutti gli elementi interni e esterni alla CPU
di muoversi a ritmo, come in una coreografia
• FPU: Floating Point Unit, che si occupa di eseguire calcoli in virgola
mobile.
Il CLOCK
• È necessario un segnale ritmico per
sincronizzare il funzionamento dei vari
dispositivi
• È generato da un oscillatore a cristalli di
quarzo
• È simile al timoniere del canottaggio
Il CLOCK /2
• La frequenza o velocità di clock è il numero di
colpi di clock che vengono eseguiti in una
determinata unità di tempo
• L'unità di misura usata è l'hertz, ovvero il
numero di cicli di clock eseguiti in un secondo
• Poiché i clock sono in genere molto veloci, si
usano i multipli kilohertz (Khz), megahertz
(Mhz) e gigahertz (Ghz) per indicare
rispettivamente mille, un milione e un
miliardo di cicli al secondo.
I bus
Il Bus è un circuito che mette in contatto le varie parti della
scheda
• Più il Bus è veloce, più veloci saranno i dati che viaggiano da
una parte all'altra della scheda
• Il Bus è composto principalmente dall'FSB (Front Serial Bus),
che connette la CPU al Nortbridge, e ha una velocità che varia
dai 66 agli 800 MHz. Fra i vari Bus:
• Il Back Side Bus che collega la CPU alla memoria Cache
• Il Bus di memoria che collega il northbridge alla memoria
• I bus IDE o ATA che connettono il southbridge ai dischi
• Il bus AGP che connette la scheda video alla CPU.
• Il bus PCI che connette gli slot PCI al southbridge (si tratta
di un bus pensato per sostituire i bus PCI e AGP)
•
RISC e CISC
• Complex Instruction Set Computer (anni ’60)
– Istruzioni molto complesse
– Tempi diversi per ogni istruzione
– Numerosi accessi alla RAM
– Lentezza di esecuzione
• Reduced Instruction Set Computer
– Tempi identici per ogni istruzione
– Istruzioni ridotte al minimo
– Nessun accesso intermedio alla RAM (load/save)
– Velocità (ma uso di molti registri interni)
La memoria RAM
• Detta anche memoria principale
• È l’acronimo di Random-Access
Memory, memoria ad accesso casuale
• È volatile
• Contiene programmi e dati (ricordate
Von Neumann?) nel momento in cui
vengono utilizzati
Le porte di I/O
Porta VGA
Porte USB
Ingressi/uscite audio
Porta Ethernet
I dispositivi di memoria
(magnetici – ottici)
• La Memoria di massa o hard disk: costituisce la
memoria ausiliaria dell’elaboratore, un’estensione
della memoria centrale, dove vengono “appoggiati”
dati e programmi.
• Floppy disk: dischetti che contengono circa 1,44 Mb
• CD-ROM : contiene fino 750 MB di dati
• DVD: contiene da 4,7 a 17 GB
La rivoluzione delle memorie a disco
• I dispositivi di memoria di massa si
dividono in due categorie, a seconda
della modalità di accesso ai dati:
– ad accesso sequenziale (nastri): per
cercare un dato è necessario accedere a
tutti quelli che lo precedono sul dispositivo;
– ad accesso diretto ai dati (dischi). È
possibile grazie all’indirizzamento di
porzioni (blocchi) del dispositivo.
HARD DISK
• È costituito da una
serie di dischi
magnetici rigidi
(piatti) sovrapposti e
ruotanti su un asse
verticale
• La superficie è divisa
in aree di memoria,
sui cui scrive e legge
una testina
• Le testine sono il
doppio dei piatti
Si tratta di un insieme di dischi di alluminio sovrapposti, ricoperti di un film
magnetico e posti sottovuoto
FLOPPY DISK
• Un magnete circolare
flessibile, protetto da
un involucro di
plastica.
• Anch’esso è suddiviso
in tante aree di
memoria, costruite
attraverso la
FORMATTAZIONE.
• Contiene 1,44 Mb
CD ROM e DVD
• Il disco ottico è fatto
di tre strati, di cui uno
in vetro temperato
che produce un
sostrato rigido, poi
una superficie di
registrazione in lega
metallica e infine un
involucro di plastica
trasparente.
Durata delle memorie
• Dischi ottici: circa 15 anni
• Dischi magnetici: circa 10 anni
• Nastri magnetici: circa 5 anni
– Gli strati esterni si logorano e lasciano le
proprie tracce sugli strati interni
alterandone i dati
Serve anche a questo??
Operazione logiche??
• Le dobbiamo pensare come operazioni
per le quali al posto di 1 e di 0
utilizziamo VERO e FALSO
• Come input 2 valori (2 bit) e come
risultato 1 solo valore (1 bit)
• Perché la CPU deve fare questi conti?
AND
• Corrisponde grosso
modo alla nostra
congiunzione “e”
– Oggi piove e oggi è
mercoledì
• È vera solamente se
entrambi i membri
sono
contemporaneamente
veri
A
B
A and B
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
OR
• Corrisponde al
nostro “o” non
esclusivo
• Vel in latino
– CRASH!!!
O è caduta
una bottiglia, o
è caduto un
bicchiere
A
B
A or B
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
XOR
• Corrisponde al
nostro “o” esclusivo
• Aut in latino
– Dico una bugia o
dico la verità
• È vera solo se si
verifica una delle
due condizioni
A
B
A or B
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
NOT
• Corrisponde al
nostro “non”
• Ha come input un
solo bit
A
Not A
0
1
1
0