L`hardware - ENEA AFS Cell

Lez. 4 – L’hardware
Prof. Pasquale De Michele – Gruppo 2
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Dott. Pasquale De Michele
Dipartimento di Matematica e Applicazioni
Università di Napoli “Federico II”
Compl. Univ. Monte S.Angelo
Via Cintia, I-80126, Napoli
[email protected]
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Introduzione all’informatica
L’elaborazione
HW dell’elaboratore
-  L’unità centrale di elaborazione
-  Le memorie secondarie
-  I dispositivi I/O
SW dell’elaboratore
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Hardware
Parte fisica del sistema
L’insieme dei componenti elettronici e
meccanici del computer e delle sue
periferiche
Software
Parte logica del sistema
Programmi per la gestione del computer (es.
Sistema operativo) o per specifiche
applicazioni (es. programmi di video scrittura)
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All’interno dell’elaboratore… e all’esterno
• Scheda Madre
• Dispositivi di input;
• Processore (CPU)
• Tastiera
• Memoria Principale
• Mouse
• Bus
• Dispositivi di output
• Monitor
• Stampante
• Altre periferiche
• Memorie Secondarie
• Rete
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La scheda madre o motherboard è l’elemento hardware
che contiene tutti i principali circuiti necessari al corretto
funzionamento di CPU, memoria e dispositivi I/O.
(quindi… mai risparmiare sulla scheda madre)
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L’Unità Centrale di Elaborazione (CPU)
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Modello dell’elaboratore
Schema teorico che rappresenta le caratteristiche
fondamentali e le modalità di funzionamento della
elaborazione dell’informazione.
Elaboratore
Macchina a programma memorizzato
Programma: sequenza di istruzione
Istruzione: tradotta in una sequenza di comandi
Comandi: eseguiti dalle unità che costituiscono la
macchina stessa
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Caratteristiche del modello di Von Neumann
Proceduralità: possibilità di eseguire differenti
programmi memorizzati.
Il modello è basato sul paradigma di
programmazione procedurale: il programma indica
la sequenza di istruzioni da eseguire per ottenere la
soluzione ad un dato problema.
Sequenzialità: regola della selezione della istruzione
da eseguire rigidamente fissata.
Connessione tra le unità funzionali con singolo
flusso di informazione tra memoria e processore.
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Il processore o CPU (Central Processing Unit – Unità Centrale di
Elaborazione) è la parte dell’elaboratore che consente
l’esecuzione delle istruzioni dei programmi.
E’ il “cuore” dell’elaboratore
E’ costituito da tre componenti principali:
Unità di calcolo o ALU (Aritmetic Logic Unit)
Esegue le operazioni artmetico-logiche necessarie
all’esecuzione delle istruzioni
Unità di controllo o CU (Control Unit)
Governa il funzionamento delle varie unità, legge le
istruzioni dalla memoria e ne determina il tipo.
Memoria di Cache
Piccola memoria che permette di velocizzare le
operazioni di trasferimento dati.
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Con il termine microprocessore si intende un
processore realizzato interamente su un unico chip
(CPU integrata)
Un chip o circuito integrato è costituito da milioni di
transistor collegati da sottilissimi fili di alluminio, il
tutto all’interno di una piastrina di silicio
La realizzazione fisica del microprocessore è
effettuata con la tecnologia VLSI (Very large Scale
Integration)
Un transistor è un dispositivo elettronico a due stati,
una sorta di microscopico interruttore che può
essere acceso o spento.
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Il processore è dotato di un orologio (clock) interno, la cui
frequenza di pulsazioni, detta frequenza di clock, determina la
velocità di elaborazione del computer.
• 
La velocità del clock si misura in MHz (milioni di cicli al
secondo)
•  Più alta è la frequenza di clock, maggiore è la velocità di
elaborazione del computer.
•  I primi processori avevano una frequenza di clock di pochi
MHz
•  Gli odierni processori superano le frequenze di 3000 MHz
(3 GHz).
La velocità e la potenza di un computer dipendono anche dalla
larghezza del bus, ovvero dal numero di bit (lunghezza del singolo
dato) che il processore è in grado di ricevere e di elaborare
simultaneamente.
•  I primi processori potevano elaborare solo dati di 8 bit.
•  In breve si passò prima a 16 e poi a 32 bit.
• 
Oggi tutti i processori sono in grado di elaborare dati
rappresentati con 64 bit.
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Il processore contiene anche un insieme di registri
I registri sono piccole memorie ad alta velocità
destinate a contenere informazioni legate all’istruzione
in corso d’esecuzione, quali:
•  L’istruzione che il processore sta elaborando;
•  I dati su cui opera l’istruzione corrente
•  L’indirizzo della prossima istruzione da eseguire
•  L’informazione relativa allo stato di tutte le risorse
a disposizione
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I principali registri del processore sono:
Registro di istruzione (IR- Instruction Register)
Contiene l’istruzione che si sta elaborando
Registro Contatore (PC-Program Controller)
Contiene l’indirizzo della prossima istruzione da
estrarre ed eseguire
Registro PSW (Programm Status Word): parola di
stato di programma
Contiene i flag di stato, bit impostati dall’HW
della CPU dopo un’operazione per indicare
particolari condizioni circa l’esito
dell’esecuzione (es. segno, risultato nullo,
overflow, carry, …)
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Il processore esegue le istruzioni di un programma una alla
volta in sequenza: estrae le istruzioni dalla memoria, le
interpreta e le esegue una dopo l’altra.
Un programma indica la sequenza di istruzioni da eseguire per
ottenere la soluzione ad un dato problema.
Il processore esegue ogni istruzione mediante una sequenza
ben definita di operazioni detta ciclo di istruzione o ciclo
macchina.
•  Estrazione di una istruzione (fase di fetch)
•  Esecuzione dell’istruzione (fase di execute)
Ripetendo questa semplice sequenza di operazioni, il
processore è in grado di eseguire programmi comunque
complessi.
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Fase di Fetch
• 
L’unità di controllo preleva dalla memoria
centrale l’istruzione utilizzando l’indirizzo
conservato nel PC.
•  Il PC punta alla istruzione successiva a quella
in esecuzione
•  L’istruzione prelevata viene memorizzata nel
registro IR.
Fase di Execute
•  L’unità di controllo interpreta l’istruzione e
determina le operazioni da eseguire
•  L’unità di controllo controlla l’esecuzione delle
operazioni
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I processori più diffusi per PC sono il i7 prodotto da
Intel, giunto ormai alla frequenze di clock oltre i 3
GHz, e Phenom prodotto da AMD con prestazioni
comparabili.
I due processori sono praticamente del tutto compatibili
dal punto di vista software.
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Da circa un paio di anni lo sviluppo dei processori non
segue la linea di aumentare la frequenza di clock, ma
piuttosto di aumentare le prestazioni per ciclo di clock.
(sistemi paralleli)
In termini di pura potenza di calcolo un Pentium Core
2 Duo è quasi 2 volte e mezzo più veloce di un
Pentium 4, ma usa la stessa frequqnza di clock.
I recentissimi quad core non sono da considerare
particolarmente utili, perché al momento l’incremento
di prestazioni rispetto al dual core è marginale, se non
in applicazioni multiple.
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Da qualche anno si è sviluppata, in concomitanza con la diffuzione
enorme dei computer portatili, la necessita di ridurre la potenza elettrica
richiesta ai sistemi hardware. Questo ha portato a tecnologie integrate
(processore-chipset-scheda di rete) come la Intel Centrino e la più
recente Centrino 2.
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Come già accennato i dispositivi di I/O sono di tipo più
vario.
In generale però essi utilizzeranno:
• 
Un bus di I/O, che permette ai dispositivi ad
esso collegati di comunicare con il resto del
sistema
• 
Una interfaccia hardware fra il dispositivo e il PC
• 
Un protocollo software per gestire i dati
provenienti dall’interfaccia
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Il dispositivo di input più utilizzato è la tastiera. Essa
comprende più di 100 tasti e permette di introdurre
caratteri speciali. La disposizione “qwerty” è quella
storica della macchina da scrivere.
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Il tradizionale CRT basato su tubo catodico ha ormai
lasciato completamente il passo a monitor LCD (cristalli
liquidi). Alcuni parametri importanti sono:
•  La dimensione (espressa dalla lunghezza in pollici
della diagonale 1” = 2,54 cm)
• 
La risoluzione in pixel (es. 1280x1024,
1440x960,…)
•  La luminosità (es. 300 cd/m2)
•  Il contrasto (es. 500:1, 800:1, …)
•  I tempi di latenza (es. 5 ms)
•  L’uniformità e la resa cromatica
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