Università degli Studi di
Salerno
Ing. Fabio Clarizia
Informatica
Contenuti del corso
n
Introduzione all'Informatica e alla rappresentazione dell'informazione
n
Architettura di un Calcolatore e alle sue principali caratteristiche tecniche e tecnologiche
n
Il concetto di Software ed introduzione al Sistema Operativo
n
Elaborazione testi e Office Automation
n
Reti di Calcolatori e principali strumenti di comunicazione in rete
Architettura di un Calcolatore e alle
sue principali caratteristiche tecniche
e tecnologiche
Architettura di un Calcolatore e alle sue principali caratteristiche
tecniche e tecnologiche
n
Il modello di Von Neumann
n
Principali componenti di un personal computer:
q
Unità centrale di elaborazione (CPU)
q
Gerarchia e tipi di memoria
q
Dispositivi comuni di input/output
Modello di Von Neumann [1]
Verso la metà del secolo scorso, sotto
l’impulso dello sforzo bellico dovuto alla
seconda guerra mondiale, gli sviluppi
dell’elettronica hanno reso possibile costruire
dispositivi che sono particolarmente adatti
ed efficienti per la memorizzazione e la
successiva elaborazione di stringhe di bit.
La disponibilità di una macchina in grado di elaborare l’informazione in formato
binario e di farlo in maniera “programmata” sono la base dell’architettura dei
moderni calcolatori elettronici.
I computer che utilizziamo oggi hanno tutti unastruttura che può essere descritta mediante un modello che ha preso il nome da un
matematico ungherese
Modello di Von Neumann [2]
§
Utilizzando la codifica universale fornita dal codice binario, l’idea fu quella
di memorizzare nella macchina non solo i dati, ma anche le istruzioni che
le occorrevano per svolgere determinate operazioni.
§
Ciò rendeva la macchina “programmabile”, cioè non era più necessario
reinserire le istruzioni a ogni esecuzione ottenendo un minor spreco di
tempo ed una maggiore velocità di operazione
§
Lo scopo originale di queste macchine era quello di calcolare a grandissima
velocità le complesse tabelle numeriche che occorrevano per i calcoli balistici
relativi alle traiettorie dei proiettili (da qui il nome di “calcolatori”).
Modello di Von Neumann [3]
La struttura descritta dal Modello di Von Neumann comprende 6 unità fondamentali:
L’Unità di Controllo si occupa di
controllare tutte le operazioni del
calcolatore, interpretare le istruzioni
prelevate dalla memoria e inviare alle
altre unità i segnali per l'esecuzione
delle operazioni.
L’Unità aritmetico-logica, detta ALU
(Arithmetic & Logic Unit), fornisce la
capacità di effettuare operazioni
aritmetiche di base
CU
ALU
Memoria
Input
Output
BU
S
CPU
Sono spesso integrate in una Unità di Elaborazione Centrale - Central Processing Unit
Modello di Von Neumann [4]
La Memoria: ha lo scopo di conservare le
istruzioni e i dati da elaborare e i risultati
ottenuti dalle elaborazioni;
L’Unità di ingresso (Input): immette le
informazioni nel calcolatore per farle
elaborare;
L’Unità di uscita (Output): riceve le
informazioni dalla memoria del calcolatore
per renderle pronte all’uso;
Il Bus: canale di comunicazione che
consente ai dati di transitare fra diversi
componenti del calcolatore.
CU
ALU
Memoria
Input
Output
BU
S
CPU
Le unità di ingresso e uscita sono anche dette periferiche.
Come lavora un Calcolatore Elettronico basato sul Modello di Von Neumann?
Ipotesi di partenza: sia le istruzioni che i dati sono disponibili in memoria (sono state opportunamente “caricate” usando l’unità di input).
Modello di Von Neumann [5]
Per ogni istruzione del programma la CPU,
tramite la sua parte Controllo, ordina:
il
•
prelevamento di una istruzione dalla
Memoria;
la
•
decodifica, cioè la interpreta
capendo quali azioni comporta;
la
•
esegue utilizzando le opportune unità
coinvolte.
Durante l’esecuzione può, di volta in volta:
usare la ALU; •
effettuare altri accessi in Memoria per •
leggere o scrivere dati
effettuare operazioni di ingresso (es. leggi un •
dato dalla tastiera) o di uscita (es. visualizza il risultato sul video).
CU
ALU
Memoria
Input
Output
BU
S
CPU
Ipotesi di partenza: sia le istruzioni che i dati sono disponibili in memoria (sono state
opportunamente “caricate” usando l’unità di input).
Principali componenti di un personal computer [1]
Nota di colore: inizialmente gli elaboratori elettronici erano degli scatoloni dal design poco
accattivante che custodivano dei circuiti elettrici per l’elaborazione di dati, con il passare del tempo
si è sviluppato un vero e proprio culto per il computer, tanto che le case produttrici sono in
continua competizione nella realizzazione di macchine dal design futuristico tale da renderle
anche oggetti di arredo.
Principali componenti di un personal computer [2]
Tutti i moderni calcolatori, anche se con design e funzioni diverse, hanno la stessa architettura
di base, che riprende quella del modello di Von Neumann. Ovvero:
un’unità
§
centrale di elaborazione (CPU) che effettua e controlla le operazioni, elabora e
smista i dati di ingresso e di uscita;
una
§
memoria centrale che registra le istruzioni di un programma e i dati
le
§
unità periferiche di input/output che svolgono funzioni di comunicazione tra l’utente ed il
calcolatore;
I
§
bus necessari per scambiare dati tra le varie componenti.
Nei PC contemporanei possiamo sempre ritrovare alcune componenti fisiche. Ad esempio:
q La CPU ovvero il processore;
q Le Memorie: Rom, Ram, hardisk;
q I dispositivi di input/output
Il Modello di Von Neumann deve essere realizzato nella pratica con opportune componenti. Proviamo a capire la corrispondenza tra le componenti fisiche ed il Modello.
La CPU [1]
q
Il vero e proprio cuore del PC è il
microprocessore
.
q
corrisponde a quella che nel Modello di
Von Neumann veniva chiamata CPU
q
la CPU, acronimo di Central Processing Unit, è
l’unità centrale di elaborazione.
q
Prende il nome di processore poiché svolge
sistematicamente precise operazioni, elabora
dunque un “processo” ovvero legge le istruzioni
e i dati dalla memoria ed esegue le istruzioni.
q
Tra le più famose industri costruttrici si
annoverano: Intel, Motorola, IBM, A M D
La CPU [2]
Un moderno microprocessore è realizzato
come un unico componente elettronico
integrato (anche detto microchip o, più
semplicemente, chip) ed è composto da:
q
Una Unità di Controllo (CU) che
interpreta le istruzioni da eseguire e
coordina le azioni delle altre
componenti del calcolatore;
q
Una Unità Aritmetico-Logica (ALU) che
esegue le operazioni matematiche;
q
Zone di immagazzinamento (cioè
piccole memorie) dove vengono
custoditi i dati in fase di elaborazione;
q
Un bus “interno” tra le componenti
della CPU
cache dati Unità di Controllo
Unità Aritmetico-Logica (ALU)
La CPU [3]
Una caratteristica fondamentale del
processore è la sua velocità, cioè la capacità di eseguire uno o più operazioni al secondo.
Questa velocità viene regolata da un orologio, detto “clock”. La cosiddetta velocità di clock viene espressa in Hertz o cicli al secondo.
Il legame tra la velocità di clock e la capacità elaborativa del processore è molto complesso.
Si può affermare che maggiore è la velocità di esecuzione delle singole operazioni maggiore è la potenza del processore.
Gerarchia e tipi di memoria [1]
Il nostro PC lavora elaborando dati ed
eseguendo istruzioni che sono conservate in
una memoria.
Le memorie possono essere distinte (già
nell’originale Modello di Von Neumann):
q
memoria di lavoro, o Memoria Centrale
(MC), necessaria per l’accensione del pc,
permette di caricare il sistema operativo e di
lavorare con i programmi e i dati.
q
memoria di archiviazione, o Memoria di
Massa
(MM), utilizzata per registrare e
conservare il sistema operativo, i dati e i
programmi nel tempo.
Le componenti fondamentali di un moderno calcolatore elettronico
CPU
Memoria
centrale
Memoria
di massa
Periferiche
BU
Gerarchia e tipi di memoria [2]
Capacità, ovvero la quantità di informazione che possono contenere, tipicamente espressa in
multipli del byte (8 bit = 1 Byte);
Velocità, ovvero il tempo necessario per leggere o scrivere una informazione, tipicamente
espressa in bit al secondo;
Volatilità, ovvero la proprietà di conservare le informazioni nel tempo anche in assenza di
alimentazione elettrica;
Costo per unità di memorizzazione, tipicamente espresso in €/bit;
Modalità di Accesso, che lega il tempo di accesso con la posizione delle informazioni nella memoria:
• diretta o casuale: Il tempo di accesso è indipendente dalla posizione del dato nella memoria
• sequenziale-associativa: Il dato viene identificato mediante una etichetta e la memoria risponde
indicando l’eventuale presenza del dato al suo interno; Il tempo di accesso è dipendente dalla posizione del dato nella memoria
• mista: combinazione dei due casi precedenti
Gerarchia e tipi di memoria [3]
Utilizzando differenti tecnologie si possono realizzare diversi tipi di memorie
con differenti combinazioni dei parametri discussi in precedenza.
TECNOLOGIE ELETTRONICHE
Mediante tecnologie elettroniche (le stesse dei
microprocessori) si possono realizzare
memorie
•veloci;
•volatili;
•ad accesso casuale;
•di capacità "limitata";
•costose.
Esempi di memorie elettroniche
sono le RAM e le ROM
TECNOLOGIE MAGNETICHE & OTTICHE
Mediante tecnologie magnetiche &
ottiche si possono realizzare memorie
•
significativamente più lente di
quelle elettroniche;
•
NON volatili;
•
ad accesso sequenziale o misto;
•
di capacità "elevata";
•
significativamente meno costose di
quelle elettroniche.
Esempi di memorie magnetiche sono i dischi
ed i nastri;
Gerarchia e tipi di memoria [4]: la memoria di tipo RAM e ROM
La Random Access Memory(RAM) ovvero memoria ad accesso casuale:
q è di natura completamente elettronica;
q le informazioni vengono recuperate sempre con la stessa velocità
indipendentemente dalla posizione in cui si trovano all'interno della memoria stessa
q ..contrapposto ad accesso sequenziale (posizione prevedibile).
q definita volatile cioè perde tutte le informazioni in essa contenute allo spegnimento del calcolatore
q è la tecnologia utilizzata per le memorie centrali e per le cache;
La Read Only Memory (ROM), è un tipo di memoria
q definita non volatile, cioè è una memoria che conserva i dati e le istruzioni nel tempo.
q di sola lettura, poiché l’utente non può modificarne i contenuti:
q Una ROM viene “scritta” solo in fabbrica con una dotazione di software denominata
firmware (è modificabile con speciali procedure di aggiornamento). q conserva i programmi necessari per l’avvio del computer:
q Es.:fa parte del firmware il BIOS, cioè quel gruppo di istruzioniche consentono al processore di attivarsi al momento dell’accensione del computer, di rispondere agli impulsi del clock e di
Gerarchia e tipi di memoria [5]
Ricordando che ogni informazione (un carattere, una parola, un numero, una immagine, ecc.) può essere misurata in bit, i calcolatori elettronici memorizzano ed elaborano le informazioni in un formato binario, ovvero attraverso stringhe (sequenze) di bit.
La capacità delle memorie viene misurata in base al numero di bit che essa è in grado di
memorizzare. Per comodità è opportuno esprimere le quantità di informazioni che è possibile immagazzinare in una memoria come opportuni multipli del bit:
bit = la scelta tra due sole possibilità “0” e “1” Byte = 8 bit = la scelta tra 28 = 256 possibilità
Kilobyte (KB) = 210 bit = 1024 bit = circa 1.000 byte
Megabyte (MB) = 220 bit = 1.048.576 bit = circa 1.000.000 byte
Gigabyte (GB) = 230 bit = circa 1.000.000.000 byte
