Architettura di un PC

Architettura di un PC
Hardware
Insieme di circuiti elettronici ed
elettromeccanici che costituiscono un
calcolatore
Architettura
Combinazione delle funzionalità operative
delle singole unità hardware del
calcolatore, del flusso delle informazioni e
del controllo tra esse
Lo schema funzionale di un PC corrisponde
ancora oggi a quello della macchina di Von
Neumann
MA
lo sviluppo della tecnologia e del
software ha permesso la realizzazione
di computer sempre più veloci e a
basso costo.
In un Personal Computer il
sistema operativo è essenzialmente
monoutente ma consente il
multitasking
I S.O. operativi più utilizzati sono:
•Windows: XP, 2003, Vista
•Linux (versione di UNIX per PC)
distribuzioni Linux: RedHat, Mandrake,
Debian, ecc.
Un PC si presenta come:
• un video
• una tastiera
• un mouse
• delle periferiche
• un contenitore plastico o metallico,
detto case o cabinet che racchiude
tutti gli altri componenti
Inoltre, in genere, nel case sono presenti :
1. le schede di espansione (slot), che
espandono le funzioni della scheda
madre per pilotare dispositivi esterni
(scheda video, audio, di rete,...)
2. altri componenti (alimentatore,
ventole, ...)
BUS (definizione)
è il canale di comunicazione, il collegamento
fisico che rende possibile il trasferimento di
informazioni tra i componenti.
Il numero di linee (numero di bit che
possono essere trasferiti
contemporaneamente) e la velocità di
trasferimento sono determinanti per
evitare colli di bottiglia nella comunicazione
tra i vari componenti
AMPIEZZA DI BANDA
misurata in bps (bit/s)
Logicamente, possiamo definire tre tipi di bus:
1. Bus Indirizzi
linee che trasportano gli indirizzi di memoria. (tipicamente ha
64 linee)
2. Bus Dati
trasportano le informazioni vere e proprie. (tipicamente ha
64 linee)
3. Bus di Controllo
trasportano segnali di controllo in tutto il sistema.
Bus di comunicazione standard
• PCI (Peripheral Component Interconnect)
– parallelo: 32/64 bit di ampiezza del bus
– evoluzione dei bus proprietari Intel ISA ed EISA
- velocità massima di trasferimento 133 MB/s per
bus a 32-bit
- processore/periferiche ad alta velocità, ad esempio
video (PCI Express 2.0, 2007 fino a 20 GB/sec)
Bus di comunicazione standard
•SCSI (Small Computer System Interface)
- parallelo: 16 bit di ampiezza del bus
- velocità massima di trasferimento 320 MB/s
– essenzialmente nato per connettere dischi e
dispositivi specifici ad alta velocità, ad es. CD-ROM
•SATA (Serial ATA)
- velocità massima di trasferimento 300 MB/s
- nato per connettere memoria di massa
CPU
La CPU è costituita da un unico circuito integrato
(chip), detto microprocessore.
Esso è costruito su uno strato di silicio, contiene
milioni di transistor ed è installato su uno speciale
zoccolo (socket) saldato sulla scheda madre
Legge di Moore
Il numero di transistor per processore raddoppia ogni 18 mesi
La RAM
Durante l’esecuzione i programmi risiedono
nella memoria primaria o principale, la cui
velocità operativa dipende dai tempi di
reazione dei componenti elettronici
Random Access Memory (memoria ad
accesso casuale): ogni voce può essere
raggiunta in un prefissato lasso di tempo
misurato a partire dall’istante della
specifica del suo indirizzo
La RAM
La RAM sul PC è composta da moduli che vengono
inseriti in slot presenti sulla scheda madre
Classificazione della RAM
SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) è detta dinamica perché i
bit della memoria mantengono i dati solo per breve tempo e
devono quindi essere aggiornati continuamente (refresh).
9 PC2-3200: DDR2-SDRAM memoria
3,200 GB/s per canale.
9 PC2-4200: DDR2-SDRAM memoria
4,267 GB/s per canale.
9 PC2-5300: DDR2-SDRAM memoria
5,333 GB/s per canale.
9 PC2-6400: DDR2-SDRAM memoria
6,400 GB/s per canale.
9 PC2-8500: DDR2-SDRAM memoria
7,533 GB/s per canale
a 200 MHz con chip DDR2-400,
a 266 MHz con chip DDR2-533,
a 333 MHz con chip DDR2-667,
a 400 MHz con chip DDR2-800,
a 533 MHz con chip DDR2-1066,
SRAM (Static RAM) è detta statica perché conserva i dati senza
bisogno di refresh ed ha una velocità di accesso ancora più alta.
Essendo più costosa viene utilizzata essenzialmente per la cache.
Quanta RAM deve avere un PC?
S.O. sempre più voluminosi
Sistema Operativo
RAM consigliata
DOS
640 KB
Dos con Win 3.xx
16 MB
Windows 95
64 MB
Windows 98
128 MB
Windows NT
256 MB
Windows 2000
512 MB
Windows XP
512 MB
Windows Vista
1024 MB
Quanta RAM ha il tuo PC?
ROM
Quando si spegne un PC il contenuto della RAM viene
perso (memoria volatile)
le istruzioni da eseguire al momento
dell’accensione devono risiedere su una
memoria non volatile
ROM
Read Only Memory
BIOS
(Basic Input Output System) è un insieme di
istruzioni residenti permanentemente su
ROM e che vengono eseguite all’accensione
del computer.
Il BIOS si incarica di eseguire una procedura di
autodiagnostica (controlli e verifiche sulla memoria
RAM, tastiera, processore, drive, disco fisso, porte di
comunicazione, ...) e di caricare il kernel del sistema
operativo da memoria di massa
EEPROM
Il BIOS tradizionalmente era costruito sul chip ROM
durante il processo di fabbricazione del computer
Attualmente la ROM può essere parzialmente
cancellata e riprogrammata
(EEPROM, Electrically Erasable and Programmable ROM)
possibilità di personalizzare le
istruzioni del BIOS
Cache
Per accelerare il processo di trasferimento delle
informazioni tra memoria RAM e CPU è stata
introdotta un’area di memoria piccola ma molto
veloce:
la cache memory
La cache memorizza in anticipo le istruzioni e i
dati che più probabilmente il processore dovrà
utilizzare subito dopo l’istruzione che sta
eseguendo in quel momento
ogni volta che la CPU richiede qualche dato:
prima controlla nella cache e se è disponibile lo preleva
altrimenti
la cache acquisisce quel dato dalla RAM e la CPU usa
quel dato
Livelli della cache
cache di livello 1 (L1) posta nella CPU
stessa, molto veloce e con capacità fino a
256 Kb
cache di livello 2 (L2) posta sulla scheda
madre tra CPU e RAM e con capacità fino a
poco più di 4 Mb
Chipset
Si incarica di gestire e coordinare il
funzionamento di tutti i componenti
presenti sulla motherboard
(Controllo I/O, gestione dell’elettronica
dei dischi e CD-ROM, richieste di
interrupt, accessi diretti alla memoria,...)
Slot e schede
Le slot di espansione sono alloggiamenti posti sulla
scheda madre che permettono l’installazione di
interfacce hardware o schede per il collegamento
con le periferiche
possibilità di connessione di dispositivi con
caratteristiche differenti che possano
funzionare in modo compatibile e corretto
Esempio
La scheda grafica converte il segnale
digitale proveniente dalla CPU in
segnale analogico per il video
La scheda audio converte il segnale
digitale in suoni e viceversa
Porte
Per collegare le periferiche alle schede bisogna
inserire i loro cavi in apposite prese, dette porte,
poste generalmente sul retro del cabinet
PS/2 (collegamento del mouse e della tastiera)
Seriali
SCSI
USB
Firewire
Porte
Le porte seriali (1 bit per volta) utilizzano solo 2 linee
di trasmissione, come i circuiti telefonici e collegano
dispositivi lenti (ad es. il modem)
Le porte SCSI (Small Computer
System Interface) collegano fino a 15
periferiche ad una stessa porta
(riduzione del numero di slot occupate)
mediante una connessione a catena tra
un dispositivo e l’altro (Daisy chaining)
e sono usate per collegare HD, CDROM, scanner,...
Porte
Le porte USB (universal Serial Bus)
connettono ogni tipo di dispositivo,
permettono di collegare in serie fino a 127
periferiche. Si distinguono in base
all’ampiezza di banda:
9 1.5 Mbit/s. Generalmente utilizzato per
tastiere, joystick,…
9 12 Mbit/s.
9 480 Mbit/s. (USB 2.0)
Porte
Le porte firewire permettono di
collegare fino a 63 dispositivi, compresi
quelli ad ampia banda passante
(videocamere, macchine fotografiche,
DVD, ...) e consentono connessioni ad
Internet ad alta velocità.
Memorie di massa
costituiscono il supporto su cui
immagazzinare informazioni in modo
permanente
Esempio:
•dischi rigidi o Hard Disk (HD)
•dischetti
•CD ROM
•Nastri (data cartridge)
Le memorie di massa si possono classificare in:
•magnetiche
•ottiche
•allo stato solido
Memorie magnetiche
Le memorie magnetiche sfruttano la
polarità delle particelle magnetiche
presenti sulla superficie del supporto.
Quando un file viene scritto, la testina di
lettura-scrittura emette impulsi elettrici che
possono modificare la polarità delle particelle
magnetiche, mentre quando un file viene letto, le
particelle magnetiche inducono sulla testina una
corrente elettrica, che viene trasmessa come una
sequenza di 0 o 1.
Dischi magnetici
Un disco rigido è formato da un certo numero di
piatti rotanti alla velocità di 7.200-10.000
giri/minuto, sovrapposti, ciascuno dotato di una o
due superfici magnetizzate
•La superficie di ogni faccia è suddivisa in sottili
tracce (cerchi concentrici) sulle quali vengono
registrate le informazioni. Ogni traccia è suddivisa
in settori
•Ad ogni faccia corrisponde una testina di
lettura/scrittura che di volta in volta viene
posizionata in corrispondenza della traccia da
leggere o scrivere
Dischi magnetici
La scheda di interfaccia, detta controller, ha il
compito di gestire uno o più dischi coordinandone le
attività ed amministrando lo scambio di informazioni
con l'unità centrale
Caratteristiche di un HD:
•capacità (80 Gb fino a 320 Gb)
•velocità di accesso (da 5 ms a 15 ms)
Dischetti (floppy)
Sono supporti magnetici che interagiscono con una
testina di lettura-scrittura posta all'interno di un
apposito dispositivo, detto drive.
Sono costituiti da una lamina magnetica, inserita in
un involucro di plastica, formata da circoli
concentrici (tracce) che a loro volta si dividono in
settori ognuno dei quali può immagazzinare 512
byte
La capacità totale di un dischetto è di 1.44 Mb
Cartucce Zip
Zip somigliano ai dischetti floppy ma sono un po’
più grandi e di forma un po’ diversa.
Per poter essere letti o scritti è necessario
collegare al computer su una porta parallela un
dispositivo speciale (drive).
Sono memorie versatili e portatili.
(capacità da 100 e 250 MB)
Memorie ottiche
Le memorie ottiche sono caratterizzate dal fatto
che la testina di lettura-scrittura invia un raggio
laser che colpisce la superficie del disco.
In scrittura il raggio laser crea una successione di
scanalature sulla superficie del disco con
un’alternanza di zone chiare (intersolchi) e zone
scure (scanalature). In lettura un rilevatore
fotoelettrico misura i diversi gradi di rifrazione
della luce prodotta dal laser.
Dischi ottici
CD - Disco ottico simile a un Compact Disc audio,
sul quale possono essere memorizzati dati, suoni,
immagini e filmati.
Un normale CD-ROM può essere solamente letto,
ma esistono anche supporti registrabili e
riscrivibili
La capacità di un CD è di 650-800 Mb
Come per i dischetti, per poter leggere un CD è
necessario disporre di un opportuno drive
Un CD vergine può essere scritto con un
masterizzatore
Dischi ottici
Nuovi drive sono stati predisposti anche per la lettura
di DVD (digital video o versatile disc),
che costituiscono la nuova generazione di
supporti di memorizzazione
DVD (Digital Versatile Disk) - esteriormente
simili ai CD-ROM possono contenere da 4,7 a 17
GByte (cioè fino a 25 volte la capacità di un
normale CD) sono usati da alcuni anni soprattutto
per i film digitali
Memorie allo stato solido
Le memorie allo stato solido (memorie
flash) sono costruite su chip in grado di
registrare i dati in modo permanente
Vantaggi
velocità di accesso, facilità di
rimozione, piccolo ingombro
Flash Memory
PC card utilizzate prevalentemente nel
networking, telecomunicazioni e applicazioni
industriali
USB memory utilizzate per trasferire file
digitali da un computer ad un altro
Data Cartridge
Sono supporti magnetici ad accesso
sequenziale caratterizzati da
9costi contenuti
9capacità elevata
supporto utilizzato essenzialmente per il
backup (salvataggio) di dati
A proposito di …..
Drive
=
HARDWARE
Dischetti
CD
DVD
Driver
=
SOFTWARE
file accessori al sistema
operativo che consentono
la comunicazione fra il
computer e le varie
periferiche
Periferiche di I/O
Periferiche di Input
•
•
•
•
•
•
•
tastiera
scanner
fax
strumenti di puntamento (mouse, touchpad, joystick,
...)
strumenti di riconoscimento vocale (microfono, ...)
lettori speciali (di codici a barra, di riconoscimento
ottico di caratteri, ...)
telecamere e macchine fotografiche digitali
Periferiche di output
•
•
•
•
•
schermo
stampanti (a getto di inchiostro, laser, ad aghi)
plotter
sintetizzatori vocali
dispositivi a microfilm
SCHERMO
I monitor piatti (a cristalli liquidi, a
plasma, etc.) utilizzano una griglia di
dispositivi luminosi (diodi allo stato
solido o camere riempite di gas), che
si attivano al passaggio di energia
elettrica lungo le righe e le colonne
della griglia