MODULO 02 - Gli elaboratori

Insegnamento di Informatica – a.a. 2015-16
Macerata, 30 settembre 2015
Gli elaboratori
INSEGNAMENTO DI INFORMATICA – A.A. 2015-16
Francesco Ciclosi
Insegnamento di Informatica – a.a. 2015-16
Invenzioni che rivoluzionano
Z3: il primo calcolatore
automatico e programmabile
1941 - Konrad Zuse
Intel 4004: il primo
microprocessore della storia
1971 – Federico Faggin
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CC-BY-SA 4.0 – Common Deed – Legal Code
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Classificazione tipologica degli elaboratori






Primi elaboratori
Progettati su commissione
Enormi
Molto costosi
Raffreddati ad acqua
Usati solo in pochi grandi
organizzazioni
Accessibili solo da personale
altamente specializzato






Microprocessori
Facili da riprodurre
Di piccola dimensione
Poco costosi
Affidabili
Potenti
Presenti non solo negli
elaboratori
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Convergenza digitale
Carte di credito
Cellulare
Automobili
CPU
Memoria
Dispositivi periferici
Servocomandi
domestici
Architettura
Altro …
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5 binari di sviluppo della tecnologia
 Dimensione
 Velocità
kHz
GHz
 Capienza
kB
TB
 Interfaccia
 Semplificazione
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Tipologia di elaboratori
 Sistemi per il calcolo parallelo e la multiutenza
• Supercomputer
• Mainframe
• Minicomputer
 Sistemi pensati per la mono utenza
• Microcomputer
• Personal computer
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Supercomputer (1/2)
 È un tipo di sistema di elaborazione progettato per
ottenere potenze di calcolo estremamente elevate,
dedicato ad eseguire calcoli ad elevate prestazioni
 A differenza dei
mainframe si focalizzano
su problemi che sono
limitati dalla velocità di
calcolo
Cray-1
TOP1 dal 1976 al 1981
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Supercomputer (2/2)
 Analizzano molti dati senza una vera interazione
con l’utente
• numero ridotto di operazioni su numero elevato di dati
 Utilizzano architetture alternative a quella di Von
Neumann, più efficienti per le finalità proposte
 Recentemente hanno adottato soluzioni classiche
per abbattere i costi senza penalizzare le prestazioni
• utilizzano microprocessori standard in collaborazione
con batterie di schede grafiche ad alte prestazioni
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Tipi di supercomputer
 Macchine vettoriali, queste macchine eseguono
la stessa operazione (aritmetica o logica) su molti
dati contemporaneamente
 Computer paralleli, sono formati da un insieme
di nodi di calcolo collegati da reti telematiche ad
alta velocità
 Cluster, un elevato numero di personal computer
collegati da reti telematiche veloci a bassa latenza
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Misurare la potenza di un supercomputer
 La potenza è misurata in FLOPS (floating point
operation per second), un indicatore del numero di
operazioni in virgola mobile che una CPU riesce a
calcolare in un secondo
 Si utilizzano comunemente i multipli del FLOPS
come il TeraFLOPS (1012 FLOPS)
 La misura si ottiene eseguendo particolari
benchmark che simulano classi di problemi reali per
permettere un confronto obiettivo tra le macchine
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Supercomputer TOP500 (Giugno 2015)
Rank
Sito
Sistema
Cores
RMAX
RPEAK
POWER
(TFLOP/S)
(TFLOP/S)
(KW)
1
National Super
Computer Center
China
Tianhe-2 (MilkyWay-2)
(NUDT)
3.120.000
33.862,7
54.902,4
17.808
2
United States
Titan (Cray Inc)
560.640
17.590,0
27.112,5
8.209
3
United States
Sequoia (IBM)
1.572.864
17.173,2
20.132,7
7.890
4
Japan
K computer (Fujitsu)
705.024
10.510,0
11.280,4
12.660
5
United States
Mira (IBM)
786.432
8.586,6
10.066,3
3.945
17
Exploration &
Production - Eni
S.p.A.
Italy
HPC2 (IBM)
72.000
3188,0
4.605,0
1.227
32
CINECA
Italy
Fermi (IBM)
163.840
1.788,9
2.097,2
822
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Tianhe-2 (rank: 1)
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FERMI (Italy)
Posizione: 32
K Computer (Japan)
Posizione: 4
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Principali utilizzi di un supercomputer
 Sono utilizzati per realizzare processi di calcolo
intensivi
•
•
•
•
•
•
previsioni meteorologiche
analisi molecolari
simulazioni fisiche
crittoanalisi
calcoli di previsione e di gestione di grandi volumi di dati
simulazioni militari
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Mainframe (1/3)
 È una tipologia di computer
caratterizzata da prestazioni di
elaborazione di alto livello di
tipo centralizzato
 A differenza dei supercomputer
si focalizzano su problemi che
sono limitati dall’input/output e
dall’affidabilità
IBM System z10
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Mainframe (2/3)
 Possono eseguire sistemi operativi diversi
utilizzando la tecnica della virtualizzazione
 Possono incrementare la propria capacità
elaborativa in maniera dinamica e granulare
 Hanno caratteristiche uniche di esecuzione priva
di errori
• doppia esecuzione delle istruzioni con confronto e
attivazione unità elaborativa di riserva in caso di
discordanza
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Mainframe (3/3)
 Sono gestiti da personale altamente specializzato
 Sono pensati per la multiutenza
 Possono elaborare contemporaneamente i dati di
migliaia di utenti
 Usualmente sono di dimensioni molto grandi
 Sono ideali per le architetture di big data alimentate
e distribuite su N nodi
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Mainframe vecchi e nuovi
IBM System/360 model 20
IBM System z series
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Attualmente la parola mainframe indica:
1. Dei sistemi complessi formati da diversi server
fisici consolidati tra di loro per svolgere una
missione critica oppure supportare centinaia e
migliaia di istanze (server virtuali)
•
È il punto di vista dell’utilizzatore
 Il modello top di gamma (per prestazioni) delle
macchine server realizzate
•
È il punto di vista del fabbricante
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Caratteristiche peculiari di un mainframe
 La scalabilità (orizzontale e verticale)
• possibilità di aumentare in qualsiasi momento: memoria,
potenza di calcolo, immagazzinamento dati
 L’affidabilità e la sicurezza
• possibilità di funzionare per anni senza interruzione
• progettazione pensata per consentire attività di riparazione
e manutenzione senza fermo della produzione
 L’alta disponibilità
• ideali dove l’interruzione del servizio sarebbe catastrofica
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Come misurare la potenza di un mainframe
 La potenza è misurata in FLOPS (floating point
operation per second), un indicatore del numero di
operazioni in virgola mobile che una CPU riesce a
calcolare in un secondo
 L’indicatore MIPS (milioni di istruzioni al secondo)
non è usato nella misurazione delle performance
poiché è fuorviante
MIPS
Meaningless Information on Performance for Salespeople
Meaningless Indicator of Processor Speed
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Mainframe e supercomputer: differenze
Supercomputer
1. Sono ottimizzati per
elaborazioni complesse che
richiedono soprattutto grandi
quantità di memoria
2. Sono assemblati per esigenze
specifiche e usi particolari
3. Non includono tanti
processori di servizio poiché
essi non aggiungono in modo
apprezzabile potenza di
calcolo grezza
Mainframe
1. Sono ottimizzati per
elaborazioni relativamente
più semplici che implicano
però l’accesso rapido a
grosse quantità di dati
2. Formano una parte della
linea di modelli di un
produttore
3. Includono molti processori
di servizio che assistono i
processori principali
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Mainframe e supercomputer: somiglianze
 Offrono la possibilità effettuare il calcolo
parallelo
• I supercomputer la espongono al programmatore in
maniera complessa
• I mainframe la usano per eseguire molteplici task
(multitasking); in tal modo aggiungendo processori
al mainframe spesso si accelera l’intero carico di
lavoro in modo trasparente
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Minicomputer
 Sono computer con prezzo e prestazioni intermedi
fra un mainframe e un microcomputer
 Permettono l’accesso a
numerosi utenti
 Con l'avvento dei
microcomputer e dei
PC, si sono in parte
Il minicomputer PDP-7 (Digital
trasformati in
Equipment Corporation)
workstation
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Server (1/2)
 In informatica si definisce
così un componente che
fornisce a livello logico e
fisico un qualunque tipo di
servizio ad altre componenti
(client) che ne fanno richiesta
 Al termine server può far
riferimento sia la
componente hardware che
quella software
Server: la componente
hardware
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Server (2/2)
 In base al contesto, il termine server assume
differenti significati e può indicare:
• un qualsiasi computer (anche un PC) utilizzato per fornire
servizi ad altri computer, a prescindere dalle sue
caratteristiche hardware
• un computer specifico appartenente alla fascia di mercato
dedicata all’uso come server, caratterizzato da alta
affidabilità, maggiori prestazioni e funzioni aggiuntive
• un processo (ovvero un programma in esecuzione) che
fornisce servizi ad altri processi
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Microcomputer (o microelaboratore) (1/3)
 È un computer
• generalmente dotato di un
singolo microprocessore
• di costo abbastanza
limitato
• utilizzato da un singolo
utente
• con un ingombro
generalmente ridotto
MOS KIM-1
1975 - MOS Technology
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Microcomputer (2/3)
 È una famiglia di computer destinati ad uso
personale di cui fanno parte:
•
•
•
•
personal computer
console per videogiochi
tablet PC
home computer
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Microcomputer (3/3)
 Si dividono in generazioni:
• prima generazione  destinata agli hobbisti
dell’elettronica; spesso i computer erano venduti in kit di
montaggio oppure già assemblati ma senza case
• seconda generazione (home computer)  completamente
assemblati, dotati di case e basati su processori a 8 bit.
Costruttivamente erano composti da una voluminosa
tastiera al cui interno trovavano posto tutti i dispositivi del
computer. Il sistema operativo, monoutente e monotask,
era proprietario e incompatibile con tutti gli altri.
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Alcuni home computer
Philips MSX 8020
Apple II
Commodore 64
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Personal computer
 Il loro processo produttivo è ingegnerizzato e
su larga scala
 Utilizzano i microprocessori
 Si dividono in varie categorie
•
•
•
•
•
Desktop
Workstation
Notebook
Netbook (network PC)
Tablet PC
Laptop
Penbook
Palmtop (palmari)
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PC Desktop
 Sono progettati per l’utilizzo personale
 Solitamente sono collocati in modo permanente
su di una scrivania in ufficio o a casa
 Per la loro configurazione particolarmente
variabile, sono diffusi ovunque sia in ambiente
domestico che in quello lavorativo
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Workstation
 Le workstation sono dei computer personali che
per le loro caratteristiche architetturali
garantisco delle prestazioni elevate
 Sono solitamente utilizzati in ambito
professionale
• Ingegneristico, scientifico e grafico
 Il loro costo è più elevato di quello dei pc
desktop
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Personal computer a confronto
PC Desktop
Workstation
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Terminali (stupidi)
 Rispetto ai PC offrono prestazioni molto più
limitate
 Sono dotati di tastiera, mouse, schermo e
componenti elettronici atti a consentirne la
comunicazione (con il computer a cui sono
connessi)
 Possono solo inviare e ricevere informazioni
 Non sono in grado di elaborare dati
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Terminali (intelligenti)
 Presentano le stesse caratteristiche dei terminali
stupidi, ma possiedono una limitata capacità di
elaborazione
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Terminali a confronto
Terminali (stupidi)
IBM 3270
Terminali (intelligenti)
Thin client
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Laptop
 Questo tipologia di computer è caratterizzata da:
• Possibilità di essere facilmente trasportata
o Sono anche detti computer portatili (dall’inglese Laptop:
grembo)
• Dimensioni ridotte
o Rispetto ai personal computer desktop
• Costo più elevato
o Si rivolgono usualmente a un utenza di tipo professionale
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Notebook
 I computer notebook (dall’inglese: agenda)
hanno le stesse prestazioni dei laptop, ma si
distinguono da essi per le ancor più ridotte
dimensioni
 Funzionano a batteria e sono particolarmente
maneggevoli e leggeri
 Se usati da postazione fissa è possibile collegarli
a una docking station per estenderne le capacità
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Penbook
 Sono caratterizzati da dimensioni minime,
ridotte alla grandezza di una mano
• Derivano il loro nome dall’essere sprovvisti di
tastiera e dal ricevere gli input tramite una speciale
penna che interagisce con il display
• Possono essere collegati a un personal computer per
poter svolgere ulteriori operazioni
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Palmtop (palmari)
 Sono caratterizzati da dimensioni minime,
ridotte alla grandezza di una mano
• Derivano il loro nome dall’inglese palmtop
(letteralmente “palmo della mano”) e sono muniti di
una mini tastiera che ne facilita l’utilizzo
• Possono essere collegati a un personal computer per
poter svolgere ulteriori operazioni
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Network PC
 Operano da:
• PC  possono elaborare in autonomia i dati
• Terminale  ricevono dati e programmi da
computer più potenti
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Tablet PC
 Sono computer portatili di ridotte dimensioni
 Non hanno la tastiera o la stessa può
scomparire dietro il monitor
 Hanno uno schermo di tipo touch-screen che
consente all’utente di interagire con piccole
penne di plastica
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Smartphone
 Lo smartphone è un telefono cellulare con capacità
di calcolo, di memoria e di connessione dati molto
più avanzate rispetto ai normali telefoni cellulari
 Utilizza un sistema operativo per dispositivi mobili
 I primi modelli combinavano le funzioni di un
computer palmare con quelle di un telefono
mobile; ora si sono arricchiti anche delle
funzionalità multimediali
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Alcuni smartphone
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Breve cronologia degli elaboratori (1)
 1804 Joseph-Marie Jacquard
• Programma un telaio meccanico utilizzando una
serie di schede preforate che controllavano come i
disegni venivano intrecciati nei tessuti
• Questa invenzione viene considerata la nascita della
programmazione informatica moderna
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Breve cronologia degli elaboratori (2)
 I primi computer
• Non avevano tastiera, ne monitor
• Non erano dotati di software
• Ricevevano le istruzioni direttamente attraverso
l’utilizzo di una serie di interruttori da far scattare
seguendo una sequenza precisa
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Breve cronologia degli elaboratori (3)
 MARK I
• È uno dei primi calcolatori (macchine in grado di
eseguire calcoli matematici) elettromeccanici o
analogici
• Sfruttava una memoria su carta preforata
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Breve cronologia degli elaboratori (4)
 ENIAC (1945)
• È considerato il primo vero calcolatore dell’era moderna
• Nato da un progetto militare è in grado di eseguire una
moltiplicazione in un millisecondo
• È la prima macchina elettronica e digitale del tipo a
valvola (utilizza ben 18000 tubi catodici)
• È dotato di un sistema numerico di tipo decimale
• Ha memoria flip-flop, ovvero due valvole che ad ogni
eccitazione cambiano stato, consentendo ben dieci
parole di memoria
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Breve cronologia degli elaboratori (5)
 EDVAC (1950)
• È il primo ad utilizzare il sistema numerico binario
• La sua architettura interna sarà essenzialmente adottata
da quasi tutti i calcolatori futuri
• Utilizza un sistema di memoria a ritardo acustico in tubo
di mercurio che ne consente l’aumento di ben 100 volte
 EDSAC – Electronic Delay Storage Automatic
Calculator (1949)
• È il primo ad adottare la memoria sonica
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© Francesco Ciclosi – Settembre 2015
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Breve cronologia degli elaboratori (6)
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Macchine a transistor (1956)
Circuiti integrati (1961)
Primo disco fisso (1966)
CPU (1970)
Personal computer (1975-1980)
Mobile and cloud computing (oggi)
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Uno sporco lavoro…
 Il computer accetta le informazioni che gli
forniamo (dati in input), le elabora e quindi le
restituisce in uscita (dati in output).
 Durante tale processo sfrutta delle risorse
aggiuntive (periferiche) che si distinguono in
apparati di input ed i output.
 Tutte queste apparecchiature e le procedure che
le utilizzano sono controllate dal software
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Architettura di un sistema di elaborazione
Memoria centrale
INPUT
OUTPUT
CPU
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Tipologie di dispositivi (1)
 Dispositivi di input
• Permettono di comunicare con il computer, in quanto
supportano l’immissione di dati e di comandi
 Dispositivi di elaborazione
• L’unità centrale di elaborazione (CPU) è il componente
principale del computer
o Ha il compito di eseguire i comandi, fare i calcoli e gestire il
flusso dei dati tra i vari componenti del sistema
o Comunica con tutti i dispositivi (input, output e
memorizzazione) per svolgere le sue funzioni
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Tipologie di dispositivi (2)
 Dispositivi di memorizzazione
• Conservano i dati che il computer usa per svolgere
varie operazioni
 Dispositivi di output
• Permettono al computer di comunicare con l’utente
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A ciascuno il suo
 Le singolo tipologie si distinguono in base al
ruolo
 Tutte le operazioni che vengono svolte durante
l’utilizzo di un computer sono direttamente
connesse al flusso dei dati che rende possibile il
funzionamento dell’elaboratore
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Riassumendo
 L’hardware è quell’insieme di apparati (interni ed
esterni, di input e di output) che è in grado di
svolgere un numero infinito di attività da noi
richieste
 Il software è quell’insieme di istruzioni in grado di
controllare l’hardware e di definire cosa questo
debba fare
La potenza è nulla senza controllo
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