Architettura PC
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La maggior parte degli Utenti PC ignora i componenti interni di un PC ed il funzionamento logico
Noi indagheremo proprio in questo campo
Architettura e struttura di un
PC
Tutti i PC basano la loro architettura su quella nota come Architettura di Von Neumann
La logica di funzionamento e le componenti logico/funzionali di un computer sono note dagli anni 40 e rispondono al nome di Architettura di Von Neumann
L' AVN Non è un computer ma un MODELLO LOGICO/FUNZIONALE
MODELL DI VON NEUMANN
Clock
Macchina sincrona: le istruzioni/operazioni iniziano appena dopo il tick del clock e terminano subito prima del tick successivo
Segnale di clock
Tick
Principio di funzionamento
CU inizia il prog dalla prima istruzione, carica i dati e decodifica l'istruzione e quindi la passa all'ALU per l'esecuzione
I risultati intermedi o finali vengono depositati in memoria o su un dispositivo di output
Passa alla successiva istruzione da eseguire grazie ad uno speciale puntatore ( il registro Program Counter)
Il processo viene ripetuto sino al termine del programma
Byte e BUS (1)
Tutti i componenti comunicano tra loro per mezzo dei BUS che sono dei collegamenti elettrici su cui viaggiano i bit
I bit sono logicamente accorpati in byte, un insieme di 8 bit
I BUS possono essere a 8, 16, 32, 64 bit cioè raggruppano 8, 16, 32, 64 ”fili” di collegamento Struttura Fisica dei PC
Un contenitore (CASE o CORPO MACCHINA)
Un alimentatore
Una piastra di circuito stampato (la scheda madre o matherboard)
Una CPU alloggiata sulla scheda madre
Dei banchi di memoria alloggiati anch'essi nella scheda madre
...+ molti altri componenti.... Struttura Fisica PC
Il CASE o CORPO MACCHINA
Tre tipi fondamentali di CASE
Case standard
Case integrato
Case portatile
Case Standard (1)
Case Standard (2)
Case Standard (3)
Può contenere
Scheda madre
Alimentatore (uno o due)
Molte periferiche tra cui
Lettore/Masterizzatore CD/DVD(1 o 2)
Da 1 a 4 Hard Disk
Schede video (nella scheda madre integrate o no)
Schede audio (nella scheda madre integrate o no)
Case Standard (4)
È costituito in metallo o alluminio
All'inizio: disordine e no standardizzazione
In seguito: standardizzazione e abbattimento dei costi (la standardizzazione fa si che ci siano pochi titpi di case con alcuni diversi fattori di forma adatti a contenere gli altri componenti)
Le connessioni con periferiche esterne sono di solito rese disponibili sul retro del case (la maggior parte) e alcune (audio/usb) sul pannello anteriore
Si può espandere facilmente inserendo nuove periferiche/componnti
Case Integrato
Case Integrato (2)
E' stato introdotto storicamente dalla Apple
Lo schermo è un po più spesso e contiene tutti i componenti elettronici e fisico/meccanici fondamentali (scheda madre, memorie, Hard Disk, masterizzatore cd/DVD, etc.)
Meno diffuso del case standard ma più ”prestigioso” e più caro
Difficilmente espandibile
Case Portatile
Case Portatile (2)
IBM 5100, il primo computer trasportabile
PESO: 24 KG!!!
I portatili attuali sono l'ultima evoluzione di quello!
Attualmente i portatili si vendono quanto i PC con Case standard e sono molto più leggeri
Contengono al loro interno tutta l'elettronica necessaria
Tutto ciò è stato reso possibile dall'evoluzione...
Case portatile (3)
Sempre più leggeri, più potenti e veloci
Il limite alla riduzione delle dimensioni è la dimensione dell'Hard Disk e lo spazio necessario per le connessioni oltre alla dissipazione del calore della CPU
Notebook → Netbook
Connessioni di solito sui lati così come il masterizzatore
La scheda Madre
Componente fisico principale: si tratta di una piastra di circuito stampato a più livelli (…) che raccoglie tutta l'elettronica del PC tranne l'alimentatore
Nelle prime schede madri solo HW per le funzioni principali...ora contiene in modo integrato anche l'HW per schede audio, video, schede di rete
Così come per i case ancora di più per le schede madri si è arrivati ad una standardizzazione con pochi fattori di forma che si possono adattare ai vari case in produzione o viceversa. Anche per i portatili
La scheda Madre (2)
Struttura Scheda Madre Standard
I BUS
BUS (a cosa servono): sono i sistemi/sottosistemi che trasferiscono i dati e a volte l'alimentazione all'interno della matherboard e tra questa e le periferiche esterne
BUS (a livello fisico) : sono delle connessioni elettriche realizzate con “piste” di rame o altro materiale conduttivo nella scheda madre o con “fili” raggruppati in “piattine” di solito, che servono per traferire dati (sopratutto) e alimentazione (USB)
BUS – Seriali e Paralleli
PATA e SATA ( parallel/Serial Advanced Technology Attachment) servono per collegare la scheda madre con le periferiche interne, tipicamente gli Hard Disk
Gli ultimi hard Disk hanno di solito una interfaccia SATA, sino a qualche hanno fa c'erano solo i PATA che si chiamavano semplicemente ATA o anche IDE o EIDE (Enanched Integated Drive Electronics)
http://it.kioskea.net/contents/pc/ide­ata.php3
Trasmissione Parallela
In questo tipo di trasmissione vengono trasmessi più bit in un colpo (tick) solo
Per Es. 8 bit = 1 Byte (in realtà 32, 64...)
Ogni byte viene trasmesso su 8 piste parallele, ognuna delle quali pota sempre un byte dello stesso peso (sapete cosa è vero?)
Funzionamento
1° tick: device scrivente pone il byte sul Bus
2° tick: device rivevente riceve il byte dal Bus
Trasmissione Seriale
La trasmissione avviene un bit alla volta su un unico filo/pista (a livello logico in realtà si usa più di un filo/pista per vari motivi legati alle codifiche di segnale ed alle alimentazioni)
Sembrerebbe meno conveniente della trasmissione parallela ed invece vale il contrario a causa delle interferenze elettromagnetiche che sono molto forti nel caso di trasmissione parallela e che riducono il numero di bit a secondo che si possono inviare (questo nel caso PATA Vs SATA)
SATA
Un byte è trasmesso un bit dopo alla volta con una sequenza precisa (dal più significativo al meno significativo o viceversa)
Funzionamento
1° tick: il bit viene posto sul bus dal device scrivente o trasmettitore
2° tick: il bit viene ricevuto dal dispositivo ricevente
Per le periferiche esterne è ormai usato solo il tipo seriale (USB è un esempio)
SATA è per gli Hard Disk
Struttura Bus Motherboard
I Processori: CPU e GPU
I processori sono gli elementi fondamentali di ormai tantissimi componenti presenti in tantissimi oggetti di uso comune
CPU: Central Processing Unit o Unità Centrale di Processo
GPU: Graphical Processing Unit o Unità di processo Grafica (processore grafico)
CPU
E' il componente fondamentale del PC: il suo compito è quello di eseguire il programma contenuto in memoria (VON NEUMANN)
La CPU è costituita da un certo numero di Unità a discrezione dei progettisti ma sicuramente contiene
CU (control Unit)
ALU (Arithmetic Logic Unit)
Registri (tra cui l'acc, il program counter, etc)
Esempio Di CPU
CPU – Unità di cui è composta
Un'unità a virgola mobile (FPU, Floating Point Unit): si occupa di eseguire i calcoli con i numeri con la virgola detti numeri a virgola mobile. E' una unità fondamentale in quanto solleva l'UC e la ALU dallo svolgimento di tali calcoli
Una unità di gestione della Memoria detta MMU, Memory Managment Unit: è una unità fondamentale che serve per “mappare” gli indirizzi logici dei programmi in indirizzi fisici (ora ve lo spiego) e di gestire la ciddetta memoria virtuale
MMU - Mapping e Memoria
virtuale
I programmi soco fatti in modo tale da “pensare” di iniziare sempre all'indirizzo 0 e terminare all'indirizzo n in memoria: in realtà no è cosi e la traformazione di questi indirizzi detti LOGICI in quelli reali detti FISICI è svolta dalla MMU
Memoria virtuale: oltre a ciò spesso essi “credono” di avere a disposizione una memoria (RAM) molto maggiore di quella reale (fisica) presente nel PC: a tale scopo si usano delle zone di Disco come estensioni della RAM e tutto ciò è gestito dalla MMU
Ciclo di Funzionamento della CPU
Ciclo di Funzionamento della CPU
Instruction Fetch (Acquisizione dell'istruzione): il processore (CU) preleva l'istruzione dall'indirizzo logico memorizzato nel Program Counter
Decodifica dell'istruzione (Decode): sulla base del contenuto dell'istruzione il processore (CU) determina il tipo dell'istruzione ed i suoi (eventuali) dati su cui agire (detti operandi)
Esecuzione dell'istruzione (Execute): l'alu provvede ad eseguire il calcolo richiesto ed a inserire il risultato in uno dei registri. Inoltre il Program Counter viene aggiornato per puntare alla prossima istruzione da eseguire
Miglioramenti CPU
Il funzionamento descritto è semplice da capire ed è seriale (ogni fase segue l'altra)
Per aumentare le prestazioni ngli anni si sono usate varie tecniche tra cui il piping o pipeniling (una tecnica per cui mentre una istruzione è eseguita dalla ALU la CU già preleva la 2° successiva e si decodifica la successiva
Multi Core: più (core) cpu insieme che possono lavorare in parallelo cioè in contemporanea
GPU
I primi PC avevano un connettore nella scheda madre prima ISA e poi PCI o AGP su cui inserire la scheda grafica
Attualmente molte schede madre hanno la scheda grafica integrata nella scheda stessa e si chiama GPU (processore grafico)
La GPU è un processore con architettura PARALLELA il cui scopo è sollevare la CPU dalla gran mole di calcoli che sono necessari per la ricostruzione grafica GPU - Caratteristiche
È progettata esplicitamente per la grafica
Esegue in modo molto efficiente le operazioni in virgola mobile
Utilizza set di istruzioni dedicate per la grafica e per la decodifica video
Grazie ad esse oggi vediamo sfumature, ombre ed altri effetti grafici oltre a video in HD sui nostri PC
Può viene usata anche come ausilio al processore per effettuare grandi moli di calcoli, utilizzando speciali istruzioni
CPU Vs GPU
La CPU ha
Grande CU per compiti molto diversi (processore generico)
Grande cache
La GPU ha
Piccole CU (poche istruzioni specializzate) e piccole cache
Molte ALU
Architettura parallela (esecuzione contemporanea)
CPU Vs GPU
Le MEMORIE
CACHE: è una memoria o un sistema di più memorie che sono molto piccole (max ~2­4 MB) e molto veloci che permettono di ridurre il numero di accessi alla MC aumentando notevolmente la velocità di elaborazione
ROM (chip non volatile, cioè permanente, ossia che conserva i dati/programmi anche ad alimentazione spenta) che contiene i programmi che vengono eseguiti all'avvio cioè il controllo dell'hardware ed il caricamento del sistema operativo
LE MEMORIE
RAM: è la memoria in cui risiedono, a computer acceso, i dati e i programmi in esecuzione.
MEMORIE DI MASSA (trattate successivamente) sono sempre presenti nei PC e sono costituite da Hard Disk, dischi a stato solido, lettori di supporti ottici o magnetici
RAM - Caratteristiche
RAM Random Access Memory, memoria ad accesso casuale (spiega), il nome deriva da questo fatto anche se è scorretto, ma è ormai d'uso comune
Anche le ROM sono ad accesso casuale
Volatile (spiega)
Permanente (la RAM no) Hard Disk, CDRom, DVD, ROM
Sono normalmente formate da più chip, chiamate banchi di memoria, con capacità che giungono sino a 8 GByte
RAM – Pincipio di funzionamento
Struttura fisica: matrice di celle elementari formate da centinaia di righe e centinaia di colonne ognuna formata da un piccolo condensatore: carico = 1 scarico = 0.
RAM Dinamiche: periodicamente ci vuole u refresh per mantenere le cariche
SDRAM (Synchronous Dinamych RAM): permettono il piping per trattare più byte contemporaneamente
La velocità della RAM è il principale limite di velocità dei PC odierni: il piping lo attenua
