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Introduzione ai Sistemi InformaticiComponenti di un Elaboratore

Idoneita InformaticaArchitettura dell’Elaboratore

D. Gubiani

Universita degli Studi G.D’Annunzio di Chieti-Pescara

20 marzo 2007

Idoneita Informatica: Architettura dell’Elaboratore D. Gubiani 1


1 Introduzione ai Sistemi InformaticiTipologie di ElaboratoriMacchina di Von NeumannUn Po’ di Storia

2 Componenti di un ElaboratoreProcessoreMemoriaPerifericheBus



Tipologie di ElaboratoriMacchina di Von NeumannUn Po’ di Storia

Sistema Informatico

Un sistema informatico e l’insieme di diverse componenti checooperano per memorizzare e manipolare informazioni

Si distinguono:

- componenti hardware- componenti software




Hardware

L’hardware e l’insieme delle componenti fisiche




Software

Il software e l’insieme dei programmi che vengono eseguiti dalsistema




Elaboratore Elettronico

Un elaboratore elettronico e un sistema informatico basato suun particolare modello teorico

Esistono diverse categorie di elaboratori

- diversi per caratteristiche e utilizzi




Tipologie di Elaboratori - 1

Laptop o notebook computer

- sistema ad utente singolo di ridotte dimensioni (portatile)- i primi erano grandi come una valigetta mentre attualmente

sono grandi anche quanto un’agenda e pesano pochi chili

Personal computer (PC)

- piccolo sistema indipendente in termini di risorse dedicato a unsingolo utente

- normalmente formato da un corpo centrale, un monitor, unmouse e una tastiera





Network computer

- sono elaboratori costituiti da un processore, memoria RAM eROM e da circuiti per il collegamento alla rete

- quando si accendono si collegano immediatamente alla rete persfruttare risorse di quest’ultima

- basso costo, semplicita funzioni e minima probabilita di guasti

Workstation

- simile al personal computer di cui potenzia le componenti(monitor di notevoli dimensioni, uno o piu processori)

- negli ultimi anni risultano analoghi ai personal computer difascia alta





Minicomputer

- utilizzato nel caso di decine di utenti- notevole potenza di calcolo viene messa a disposizione dei

singoli utenti che colloquiano con il processore tramiteterminali stupidi (privi di processore)

Server

- stanno sostituendo i minicomputer da cui si differenziano inquanto gli utenti si collegano ad esso tramite personalcomputer (terminali intelligenti)





Mainframe

- simile al server ma di piu grande dimensione che controlla inmodo interattivo diverse centinaia di terminali

- soddisfa le esigenze di molti utenti mettendo a disposizioneenormi memorie di massa e diversi processori

Supercomputer

- sfruttano le tecnologie piu moderne e costose (es.superconduttivita alle basse temperature)




Componenti di Base di un PC

L’hardware di un PC e composto da un insieme di componentifunzionali interagenti e cooperanti che colloquiano tramitelinee dedicate dette bus

Tali componenti possono essere cosı schematizzati:

- processore o CPU (Central Processing Unit)- memoria (centrale e secondaria)- unita periferiche




Macchina di Von Neumann

L’architettura della maggior parte dei moderni elaboratori ebasata sul modello della macchina di von Neumann

Secondo tale modello un elaboratore e costituito da quattroelementi base:

- unita di elaborazione- memoria- periferiche- bus di sistema




Funzionamento

La memoria contiene le istruzioni e i dati necessari pereseguire un programma

L’unita di elaborazione e formata dai dispositivi checonsentono di acquisire, interpretare ed eseguire le singoleistruzioni

Le varie periferiche consentono lo scambio di informazioni tral’elaboratore e l’esterno

Il bus di sistema funge da collegamento fra i vari elementifunzionali




Schema




Elaborazione

Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono conuna scansione dettata dall’orologio di sistema (clock)

Ad ogni intervallo di tempo, l’unita di controllo (componenteinterno dell’unita di elaborazione) decide quali operazionisvolgere

- acquisizione di istruzioni o dati dalla memoria- decodifica di istruzioni o dati- esecuzione di istruzioni- manipolazione dei dati- trasferimento delle informazioni




Un Po’ di Storia - 1

La prima generazione di elaboratori prodotto su scalaindustriale nasce negli anni ’50 (UNIVAC1, IBM 701) ed ecaratterizzata dalle valvole termoioniche

- grande assorbimento di energia elettrica- grande dissipazione di calore- capacita di memoria limitata- velocita di calcolo di circa 2 millisecondi per una

moltiplicazione- software limitato scritto in linguaggio macchina,

successivamente fu creato il linguaggio assembly





La seconda generazione di elaboratori nasce intorno al 1959quando le valvole vengono sostituite dai transitori

- piu economici, affidabili e piccoli- consumavano minor energia- producevano minor calore- si diffusero i circuiti stampati- arricchimento del software di base grazie anche all’utilizzo di

traduttori dei linguaggi ad alto livello





La terza generazione nata nel 1966 fa uso dei circuitiintegrati

- chip di silicio che contiene un gran numero di transitori- piu economici, affidabili e piccoli e a parita di potenza usano

minor energia- evoluzione del software e introduzione di nuovi linguaggi di

programmazione





La quarta generazione nasce con la realizzazione delmicroprocessore ottenuto con un unico circuito

Dagli inizi degli anni ’80 e iniziata la ricerca per modificarel’architettura da mono a multiprocessore e solo nella secondameta degli anni ’90 sono comparsi in commercio



ProcessoreMemoriaPerifericheBus

Componenti di un elaboratore

Le componenti di un elaboratore possono essere cosı raccolte

- processore- memoria- periferiche- bus




Processore

Il processore o CPU (Central Processing Unit) e la parte delsistema informatico che controlla il flusso dei programmi edesegue le singole istruzioni

E un circuito elettronico formato da alcuni milioni di transistor

- raccolti in un singolo chip (circuito integrato) della dimensionedi pochi centimetri quadrati

- si parla di microprocessore




CPU

Compiti della CPU:

- spostamento dei dati- esecuzione delle operazioni aritmetiche e logiche- controllo del flusso delle istruzioni

Componenti funzionali interni:

- unita di controllo (CU)- unita aritmetico-logica (ALU)- registri- orologio interno (clock)




Schema della CPU




Unita Aritmetico-Logica (ALU)

L’ALU esegue le operazioni:

- aritmetiche (addizione, sottrazione,...)- logiche (confronti, comparazioni, ...)




Registri

I registri sono gli elementi di memoria della CPU

Sono utilizzati per memorizzare temporaneamente istruzioni,risultati parziali delle operazioni e informazioni di controllo

Alcuni di essi sono:

- program counter (PC): contiene l’indirizzo di memoria dellaprossima istruzione da eseguire

- registro di stato (SR): contiene informazioni sui risultati delleoperazioni precedenti




Unita di Controllo (CU)

La CU si occupa dell’acquisizione e la successivainterpretazione delle istruzioni che si trovano in memoria,reperisce i dati dall’input e coordina l’ALU fornendo i segnalielettrici che attivano i diversi dispositivi di memoria o dioperazione

I segnali sono sincronizzati per mezzo del segnale di clock




Valutazione delle Prestazioni - 1

Insieme di istruzioni eseguite

- le istruzioni semplici vengono eseguite in breve tempo mentrequella complesse richiedono tempi piu lunghi

- i processori CISC (Complex Instruction Set Computer)possiedono istruzioni complesse che richiedono molti cicli diclock

- i processori RISC (Reducted Instruction Set Computer)svolgono solo semplici istruzioni che terminano in un ciclo diclock

Dimensione dei registri

- piu grandi sono i registri, maggiori sono le quantita su cui sipuo operare con una singola istruzione




Valutazione delle Prestazioni - 2

Frequenza di clock

- e direttamente proporzionale al numero di istruzioni chepossono essere svolte nell’unita di tempo, quindi la velocita diesecuzione dei programmi

- dipende dalle caratteristiche fisiche del processore- si misura in Hz (ciclo al secondo)- i processori attuali possiedono frequenze dell’ordine dei GHz

(miliardi di cicli al secondo)




Processori in Commercio

Esistono pochi produttori di processori (Intel, AMD)

- costo irrisorio della materia prima- la tecnologia di produzione richiede ingentissimi investimenti

I processori per PC della famiglia Intel sono CISC mentre altriproduttori hanno scelto l’architettura RISC

I processori per sistemi di categorie superiori sono tutti RISC

Le attuali frequenze di clock si aggirano sui 3 GHz




Memoria

La memoria e il dispositivo mediante il quale si puo

- immagazzinare le informazioni- conservare e rendere disponibili le informazioni

Un sistema informatico fa uso di diversi tipi di memorie

Una memoria si dice volatile se togliendo l’alimentazionel’informazione in esso memorizzata scompare non volatili (opermanenti) in caso contrario




Classificazione basata sul fenomeno Fisicoalla Base della Memorizzazione - 1

Memorie a semiconduttore

- metodo elettronico che si fonda sulla conservazione di unacarica elettrica all’interno di un piccolo conduttore

- piccole dimensioni e molto veloce- costo elevato- puo essere volatile o permanente (non modificabile)

Memorie magnetiche

- metodo basato sulla caratteristica di alcuni materiali diassumere e mantenere una direzione di magnetizzazione

- costo e velocita non elevati- e permanente (fino alla successiva sovrascrittura)




Classificazione basata sul fenomeno Fisicoalla Base della Memorizzazione - 2

Memorie ottiche

- metodo basato sulla possibilita di un raggio laser di causare esuccessivamente di riconoscere modifiche della struttura dellamateria

- caratteristiche analoghe a quelle magnetiche, ma ne miglioranocosto e velocita

Memorie spaziali

- sfruttano il movimento di un’onda in un mezzo fisico- in fase di studio




Classificazione basata sul Tempo d’Accesso

Memorie ad accesso casuale (RAM)

- tutte le informazioni sono accessibili nello stesso intervallo ditempo

Memorie ad accesso semi-casuale (SRAM)

- il tempo di accesso alle informazioni varia a seconda dell’areadi memorizzazione

- varia fra un minimo e un massimo

Memorie ad accesso sequenziale (SM)

- le informazioni possono essere recuperate solo scorrendosequenzialmente l’intero supporto

- il tempo di accesso puo subire grandi variazioni




Classificazione basata sulla Funzione Svolta

Registri

- memorizzano informazioni utili all’elaborazione- tempo di accesso dell’ordine della decina di nanosecondi- realizzati mediante flip-flop

Memoria Centrale (CM)

- memorizza i programmi e i dati- accesso casuale con tempo di accesso dell’ordine del

microsecondo- diverse tecniche realizzative

Memoria di massa o secondaria

- memorizzano grosse quantita di dati- memorie sequenziali e ad accesso semi-casuale- tempi di accesso variano dai millisecondi ai minuti




Gerarchie di Memorie - 1

L’ideale dal punto di vista delle prestazioni sarebbe quello diutilizzare tutti registri interni al processore (veloci)

Per poter memorizzare grandi quantita di dati a costi nonastronomici e necessario utilizzare altre tipologie di memorie

Il compromesso fra le diverse esigenze e alla base dellagerarchia delle memorie basata su tre livelli




Gerarchie di Memorie - 2




Memoria Cache - 1

La memoria di cache e una memoria temporanea utilizzata permigliorare il trasferimento dei dati tra la memoria centrale e iregistri della CPU

Piu veloce della memoria centrale, contiene i dati usati piu difrequente

Quando il processore richiede un dato questo viene primacercato nella cache, in caso non sia presente si accede allamemoria centrale e successivamente la cache viene aggiornata




Memoria Cache - 2

La memoria cache puo essere simulata da parte della memoriacentrale oppure attraverso apposite memorie dette buffer

Il concetto della memoria cache viene utilizzato anche in tuttele atre situazioni in cui si richieda il trasferimento di dati frasupporti con velocita diversa

Esempio. Buffer (o memoria tampone) presente in ognistampante




Memoria Centrale (CM) - 1

Permette l’accesso alle informazioni in modo casuale (odiretto) in tempi molto brevi

E di tipo a semiconduttore

Puo essere vista come una grande matrice monodimensionaleformata da celle o locazioni caratterizzate da un indirizzounivoco e un contenuto

Il processore accede al contenuto delle celle per mezzo del suoindirizzo

Il tempo di accesso e costante e dell’ordine delle decine dinanosecondi (1 ns = 1 miliardesimo di secondo)




Memoria Centrale (CM) - 2

La CM e costituita da due tipi di memoria

- RAM (Random Access Memory)+ cancellabile e riscrivibile+ adatta a contenere i programmi in esecuzione e tutti i datinecessari al suo funzionamento

- ROM (Read Only Memory)+ non cancellabile e non riscrivibile+ meno costosa della RAM+ tipicamente contiene istruzioni che consentono di impostarele condizioni ottimali di funzionamento della macchina




RAM

Esistono diversi tipi di RAM

- nelle Single In-line Memory Module SIMM (FPM ed EDO)- nelle Double In-line Memory Module DIMM (SDRAM, DDR e

SLDRAM)




Memoria di Massa (o di Secondaria)

La memoria di massa e una memoria di supporto che contieneprogrammi e dati che possono essere sfruttati indirettamentedal processore

I vari dispositivi attualmente disponibili differiscono per

- quantita di dati memorizzabili- velocita di accesso- costo

In genere si utilizzano memorie magnetiche e ottiche

Ne fanno parte: floppy disk, hard disk, zip disk, datacartridge, CD e DVD...




Floppy Disk- 1

Il floppy disk e un disco di materiale magnetizzato sulle duesuperfici protetto da una custodia di plastica




Floppy Disk- 2

La capacita di memorizzazione e piccola (1,4MB) e il tempodi accesso e notevole (100-200ms)

E ancor oggi molto utilizzato per la sua facile gestione etrasportabilita

Per eseguire le operazioni di memorizzazione e necessario unFloppy Disk Drive (FDD), un dispositivo che contiene unatestina di lettura/scrittura




Hard Disk - 1

L’hard disk e un dispositivo formato da una serie di dischimagnetici che ruotano attorno ad un perno centrale

Ogni superficie dei dischi e dotata di una propria testina perleggere e scrivere

Per consentire alte velocita di rotazione i dischi sonocontenuti in un contenitore sottovuoto

La capacita di memorizzazione e elevata e puo raggiungere lecentinaia di GigaByte (40-300GB)




Hard Disk - 2

La velocita di accesso si agira sugli 8-20ms

Tipologie: ATA 33/66, S-ATA 150/300




Zip Disk

Gli zip disk sono dei piccoli hard disk portatili, di cuidiminuiscono sia la capacita (100-400MB) che la velocita(20-40ms)




CD

I CD usano la tecnologia ottica che consente velocita(10-20ms) e capacita (650/740MB) considerevoli a un prezzobasso

Possono essere letti (CD-R), ed eventualmente scritti(CD-RW), mediante appositi dispositivi dotati di laser




DVD

I DVD utilizzano una tecnologia piu raffinata dei CD checonsente un miglioramento delle prestazioni in capacita(4,7/9,4GB) e velocita (5-10ms)

Ne esistono di varie versioni DVD-R, DVD+R, DVD-RW,DVD+RW, DVD-R DL, DVD+R DL, DVD-RAM...




Data Cartridge

Piu datati rispetto ai supporti precedenti, sono cassette conun lungo nastro magnetico (evoluzione delle vecchie bobine)

Lo svantaggio dell’accesso sequenziale e bilanciato dal bassocosto e dall’elevata capacita (200MB-16GB)

Molto utilizzato in fase di back-up




Flash Memory - Penna USB

Con lo sviluppo delle diverse tecnologie (cellulari, fotografie...)di sono diffuse diverse tipologie di supporti di memoria concapacita da 64MByte a 1GByte: Secure Digital Card (SD),Compact Flash Card (MC), ...

Un supporto di memorizzazione attualmente molto diffusosono le penne USB con capacita da 64MByte a 1/2GByte:piccole, comode, veloce installazione




Periferiche

Si possono distinguere:

- dispositivi di ingresso/input (I)- dispositivi di uscita/output (O)




Dispositivi di Ingresso/Input

Le periferiche di input sono quei dispositivi che consentonoall’elaboratore di acquisire informazioni dal mondo esterno

Sono periferiche di ingresso: la tastiera, il mouse, il trackball,la tavoletta grafica, lo scanner, il modem, il microfono, lafotocamera o telecamera...




Dispositivi di Uscita/Output

Le periferiche d’uscita sono tutti quei dispositivi checonsentono di ottenere i risultati delle elaborazioni effettuatedal calcolatore

Sono dispositivi di output: il monitor, la stampante, il plotter,il modem, le casse acustiche, le macchine a controllonumerico...




Tastiera

Utilizzata per l’inserimento di informazioni alfanumerici oltreche per l’inserimento di comandi

Le diverse tastiere si differenziano per la disposizione dei tasti(legato al paese) e dal numero di tasti (tradizionali tastiereper Windows ha 105 tasti)

Puo collegarsi all’elaboratore attraverso un cavo (USB o PS2)o via wireless




Mouse

Utilizzato l’inserimento di informazioni posizionali

Possono essere dotati di due o tre tasti, la cui funzionalitadipende dal particolare programmaEsistono mouse che sfruttano diverse tecnologie:

- meccanico: sfrutta il movimento di una sfera sul piano diappoggio

- ottico: sfrutta la lettura del riflesso di un fascio di luce sulpiano di appoggio

Puo collegarsi all’elaboratore attraverso un cavo (USB o PS2)o via wireless




Trackball, Touch-screen e Joystick

Sono dispositivi per l’inserimento di informazioni posizionali

Il trackball e un dispositivo simile al mouse meccanico in cuila sfera viene mossa direttamente dal contatto della mano (ildispositivo resta fermo)

Il touch-screen e una specie di monitor sensibile al tocco

Il joystick e un dispositivo composto da una manopolamontata verticalmente su una base e un insieme di pulsanti,utilizzato per i giochi




Monitor - 1

E una periferica fondamentale per la visualizzazione delleinformazioni

I parametri fondamentali di un monitor sono:- dimensione: in genere da 12 a 22 pollici- risoluzione: punti distinti che possono essere attivati sulla

superficie (da 200x320 a 1280x1024)- precisione: varia da un indice di 0,24 (migliore) a 0,38

(peggiore)




Monitor - 2

I monitor tradizionali CRT (tubo di raggi catodici) stannoattualmente per essere sostituiti dai monitor LCD (cristalliliquidi)

- prestazioni simili o migliori- minor emissione di onde elettromagnetiche- minor ingombro- costo superiore




Tavoletta Grafica

La tavoletta grafica e utilizzato per l’inserimento diinformazioni posizionali

E costituito da un rettangolo di materiale elettricamentesensibile in cui si possono indicare delle posizioni utilizzandouna particolare penna o un dispositivo simile al mouse

E utilizzato per inserire mappe geografiche o memorizzaredisegni gia eseguiti su carta




Scanner

Lo scanner e utilizzato per l’inserimento di immagini

Possono essere di tre tipi:

- manuale: il dispositivo viene fatto scorrere sopra l’immagine- flat: il foglio contenete l’immagine viene inserito nel dispositivo

che lo scorre mediante un meccanismo che ruota- piano: il foglio viene appoggiato sul piano del dispositivo sotto

il quale scorre un sensore ottico




Stampante - 1

Dispositivo per trasferire su carta i risultati ottenuti dalleelaborazioni

Esistono fondamentalmente tre tipi di stampanti

- ad impatto: trasferimento in modo meccanico (interi caratterio insiemi di aghi), vecchie, economiche, rumorose mapermettono la copia multipla contemporanea




Stampante - 2

- a getto di inchiostro: l’inchiostro e sparato sulla cartaattraverso fori calibrati, maggiore definizione, rumore ridotto,maggiore costo

- laser: simili alle fotocopiatrici, ottima qualita di stampa, costielevati (anche di manutenzione)




Plotter

Dispositivo per trasferire su carta disegni o grafici




Modem

Il modem (MOdulatore-DEModulatore) consente- la trasformazione di impulsi elettrici provenienti dalla linea

telefonica o da altre linee dedicate in dati memorizzabili nelcalcolatore (O)

- la trasformazione di informazioni digitali in impulsi elettrici (I)

Esistono diverse tipologie di modem a seconda dellatecnologia su cui si basano

- analogici- ISDN- ADSL




Microfono e Casse Acustiche

Microfono: dispositivo per l’acquisizione di audio (suoni)

Casse Acustiche: dispositivo per l’output di audio (suoni,segnali acustici) che permette di esplicitare le capacitamultimediali degli elaboratori




Fotocamera o Telecamera

Fotocamera (digitale): dispositivo per l’acquisizione diimmagini (foto), attualmente molto utilizzata anche insostituzione delle tradizionali macchine fotografiche ottiche,ottime risoluzioni 2, 4... anche 10 milioni di pixel

Telecamera/Videocamera (digitale): dispositivo perl’acquisizione di video, mettono a disposizione funzionalita divideo editing e di fotocamera con minore risoluzione




Macchine a Controllo Numerico

Dispositivi che gestiti da un elaboratore producono manufattiprodotti dallo stesso elaboratore




Bus - 1

Il bus e costituito da una serie di connessioni elementari checollegano l’unita di elaborazione alla memoria e all’interfacciadi ogni specifica periferica, lungo le quali viene trasferital’informazione

Bus dei dati

- trasferisce informazioni generiche in modo bidirezionale

Bus degli indirizzi

- e unidirezionale e trasmette indirizzi dal processore allamemoria

Bus dei controlli

- e bidirezionale e trasferisce all’unita stabilita l’istruzione daeseguire e trasmette all’unita di elaborazione il segnaledell’avvenuto espletamento dell’operazione




Bus - 2

La capacita di un bus indica la quantita di dati elementari(binari) che possono essere trasmessi in ogni operazione

La velocita di trasmissione indica il tempo medio impiegato dadue unita per scambiarsi un dato




Interfacce - 1

Le interfacce di I/O sono i dispositivi circuitali che consentonoil collegamento fisico e logico dell’elaboratore con le varieperiferiche

Sono molto diverse fra di loro a seconda della periferica

- parallela- seriale- USB 1/2- ethernet- infrarossi- blutooth- wireless- ...




Interfacce - 2


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