Elementi di base del calcolatore

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Elementi di Informatica 1

Elementi di base del calcolatore

• Registri:

– dispositivi elettronici capaci di memorizzare insiemi di bit (8, 16, 32, 64,…)

• Clock:

– segnale di sincronizzazione per tutto il sistema – si misura in cicli/secondo [Hz]

(400 MHz = 400 x 10⁶

Hz =

4 x 10⁸

Hz

⇒

1 ciclo è eseguito in 2.5 x

10^-9

s = 2.5ns)

Il calcolatore

• Macchina per eseguire sequenze di operazioni elementari

• Hardware

→

Architettura

• Software

→

Programmi

(algoritmi + strutture dati = programmi, N.Wirth)

• Von Neumann (1945) (SISD)

Calcolatore di Von Neumann

Unità di Controllo (CU)

Memoria

Unità artimetica (ALU)

Uscita (Output) Ingresso

(Input)

Unità di Ingresso

• Comunica con il calcolatore:

– 1. Trasduttori (posizione, temperatura, pressione, luminosità,…)

– 2. Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità,…)

Unità di Ingresso

• Permette di:

– introdurre dati – introdurre programmi

– comunicare con dispositivi normalmente non compatibili con il calcolatore (funziona cioè da interfaccia)

• Esempi:

tastiera, mouse, convertitori A/D, telecamere, microfoni, scanner, lettori di codici a barre,...

Unità di Uscita

• Sistema usato dal calcolatore per comunicare con il mondo esterno:

– 1. Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità,…) – 2. Attuatori (trasformano il segnale

elettrico digitale in: posizione, temperatura, pressione, luminosità,…)

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Unità di Uscita

• Permette al calcolatore di:

– comunicare con il mondo esterno attraverso dispositivi normalmente non compatibili con il calcolatore (funziona cioè da interfaccia)

• Esempi:

stampante, monitor, plotter, altoparlanti, convertitori A/D,...

Unità di Ingresso-Uscita

• Alcuni sistemi possono essere utilizzati indipendentemente come Ingresso e Uscita:

– dispositivi di memorizzazione esterna (dischi, nastri magnetici)

Unità di Controllo

• Sequenzializzazione delle operazioni

• Fetch (PC)

• Interpretazione del codice operativo (IR)

• Contiene:

– Registri (general-purpose, puntatori) – Flags e Status Word

• Machine cycle e Instruction cycle

Unità Aritmetico-Logica

(Arithmetic Logic Unit, ALU)

• Comandata da segnali di controllo

• Esegue operazioni aritmetiche e logiche

• Accumulatore e Flags

• Esegue operazioni su:

– dati semplici (+,-,… and, or, …, shift, compl2) – dati complessi (*, /, +,- in doppia precisione) – floating point (anche come microprogrammi)

Memoria

• Memoria principale e secondaria

• Modalità di accesso:

– Sequenziale – Casuale

Memoria

• Organizzazione della memoria

– Unità di informazione, caratterizzata da:

• indirizzo o locazione

• contenuto

• Parametri caratteristici:

– capacità [esempio 64 Mega bytes]

– tempo di accesso [esempio 50 ns]

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Memorie

• Diversi tipi in dipendenza dalla capacità di conservare le informazioni in caso di mancanza di alimentazione:

– RAM – ROM

– PROM (scritte una sola volta)

– EPROM (scritte più volte, ultravioletto) – EEPROM, oppure E²PROM [ms]

Dati e Programmi

• Von Neumann introdusse il calcolatore

con programma immagazzinato la cui

memoria contiene sia i dati che il programma (OpCodes, Operands)

Architettura del calcolatore

• BUS dei dati, BUS degli indirizzi e BUS di controllo

• PC, Instruction Reg., Address Reg., Data Reg.

• Parallelismo del calcolatore

Funzionamento del calcolatore

• L'unità di controllo sequenzializza due attività:

– caricamento dell'istruzione (fetch) – esecuzione effettiva dell'istruzione

(execution)

Fase di Fetch

• PC > Buffer indirizzi

• Lettura da memoria e memorizz. nel Buffer dei dati

• Buffer dei dati > Registro di Istruzione

• Incremento PC

• Interpretazione codice operativo

• Per ogni operando di cui è richiesta la lettura:

– PC > Buffer indirizzi

– Lettura da memoria e memorizz. nel Buffer dei dati – Incremento PC

Fase di Execution

• In dipendenza dal codice operativo viene eseguita una particolare sequenza di operazioni, utilizzando i segnali di controllo

• Il tempo necessario dipende dall'operazione

• Eventuale fase di pre-fetch

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Organizzazione a BUS

• Le due parti principali sono:

– la CPU (Central Processing Unit, CU+ALU) – i diversi BUS

• Uno schema usato frequentemente è:

Mem. Mem. I/O

CPU I/O

Bus di sistema

I dispositivi periferici

• Sono collegati al calcolatore tramite una circuiteria dedicata

• Se la CPU deve gestire anche i periferici si ha un degrado delle prestazioni

• Generalmente i periferici contengono CPU dedicate, alloggiate fisicamente al loro interno

I dispositivi periferici

• Gestione dei dispositivi periferici:

– polling (a cura della CPU)

– interrupt (a cura dei periferici stessi)

Le interfacce

• I periferici di diversi costruttori devono essere intercambiabili, senza modificare i programmi (blocchi indipendenti)

• Sono state definite alcune interfacce standard:

Calcolatore Interfaccia Periferico

Standard Interfaccia

Standard Connessione

L'interfaccia seriale

• E' l'interfaccia più comune e più semplice

• Il nome rispecchia la modalità di comunicazione utilizzata (seriale)

• RS232, RS432,… fissano gli standard

(livelli di tensione, piedinatura, temporizzazione,…)

• L'intervallo tra due bit successivi è costante (velocità di trasmissione)

• Il parametro principale è la bit-rate

L'interfaccia parallela

• I bit vengono inviati tutti insieme, con l'aggiunta di segnali di controllo

• La comunicazione è più veloce, ma occorrono più fili rispetto alla seriale

• Di conseguenza è usata in modo

monodirezionale (stampante, distanze brevi)

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I periferici più comuni

• Verranno analizzati:

– video – tastiera

– sistemi di puntamento (mouse, trackball, joystick, tavoletta, touch screen) – stampante

– plotter

– dispositivi a supporto magnetico (dischi e nastri)

Il video

• Monitor CRT

• RGB vs monocromatico

• Alfanumerico vs grafico (risoluzione)

• Raster vs vettoriale (circuiti per rinfresco)

• La memoria associata determina:

– la risoluzione

– il numero di colori (paletta)

Il video

• Esempi:

– 320 x 200, 256 colori, ognuno (8,8,8) bit Memoria: 64.000 bytes, 768 per la paletta – 640 x 480, 16 colori

Memoria: 307.200/2 = 153.600 bytes – 1024 x 768, 16.777.216 colori (true color,

ovvero 24 bit)

Memoria: 2.359.296 bytes

La tastiera

• Insieme di tasti, connessi ad interruttori

• La circuiteria individua il/i tasto premuto ed invia il codice al sistema, che -attraverso una tabella- determina il carattere ASCII

• E' possibile modificare tale tabella

• Risolve problemi di debounce e repeat

• Buffer circolare

Sistemi di puntamento

• Unità di input per sistemi grafici

• Differiscono per:

– la tecnologia utilizzata

– la differente ergonomia dell'interazione con l'operatore umano

• Sono dispositivi che trasformano l'azione della mano dell'operatore sullo strumento di puntamento nello spostamento di un marker

Il mouse

• E' lo strumento più economico e diffuso

• Trasmette la variazione di posizione (coordinate x e y)

• Mediante la pressione di tasti invia prefissate sequenze di caratteri

• Tecnologie:

– pallina di gomma

– LED e fotorivelatore su tavoletta tramata

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La trackball

• Analogo al mouse

• Tecnologia solo a pallina di gomma

• Alloggiato in posizione fissa:

– utilizzato in ambiente industriale – e su computer portatili

Il joystick

• Cloche di puntamento usata soprattutto per i videogiochi

• Trasmette la posizione della cloche

• Trasmette segnali opportuni a fronte della pressione dei tasti (che possono avere funzioni di repeat)

La tavoletta

• Supporto piano su cui viene appoggiata una penna con punta metallica

• Trasmette le coordinate della posizione della punta della penna

• Risoluzione elevata (10 linee/mm)

• Tecnologie:

– a pressione – sonora

Il touch screen

• Monitor sensibili al tocco del dito

• Trasmettono le coordinate del punto

• Risoluzione modesta

• Il dito interrompe due fasci ortogonali di luce infrarossa tra fotoemettitori e fotorivelatori

• Usato in ambienti industriali

La stampante

• Collegate tramite:

– seriale – parallela – rete locale

• Velocità di stampa:

– caratteri al secondo – righe al minuto – pagine al minuto

La stampante

• Tecnologia di stampa:

– Ad impatto: martelletto su nastro inchiostrato:

qualità buona, ma lenta; pochi colori

– Ad aghi: insieme di aghi; la qualità dipende dal numero di aghi, dalla loro distanza e precisione;

lente ma grafiche; monocromatiche; costi bassi – A getto d'inchiostro: gli aghi sono sostituiti

da ugelli che spruzzano gocce di inchiostro;

qualità migliore; possibilità del colore

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La stampante

– Termiche: comprendono diversi tipi: aghi che bruciano carta termo-sensibile, calore che fa evaporare sostanze che si depositano sulla carta – Laser: un raggio laser forma l'immagine della

pagina su un cilindro fotosensibile che si carica elettrostaticamente nei punti colpiti da maggior intensità. Sul cilindro si deposita il toner, che viene trasferito a caldo sulla carta

• Dot per inch, Page per minute

Il plotter

• A penna (piani o a rullo):

– equipaggio mobile con 2 gradi di libertà – una o più penne

– componente orizzontale: movimento penna – componente verticale: movimento penna o

trascinamento rullo

• A matrice di punti:

– ricordano le stampanti a getto d'inchiostro

Memorie a supporto magnetico

• Materiale ferromagnetico (ossido di ferro) depositato su un supporto inerte

• Una corrente positiva o negativa orienta il materiale che costituisce le areole

• La lettura della polarizzazione si ottiene facendo transitare le areole sotto una spira

• Si arriva a centinaia di bit per mm

²

Memorie a supporto magnetico

• Vantaggi:

– elevata quantità di dati in poco spazio – permanenza dell'informazione anche in

mancanza di alimentazione

• Si differenziano attraverso la forma del supporto interte:

– dischi flessibili, dischi rigidi, nastri

I dischi magnetici

• Vertiginosa evoluzione negli ultimi anni

• Supporto flessibile (floppy) o rigido (hard) su cui è steso del materiale magnetico con ciclo di isteresi quadrato

• Ruotano a velocità costante; la testina sfiora la superficie del disco

I dischi magnetici

• Tracce concentriche

• Ogni traccia è suddivisa in settori mediante la

formattazione

• Si può accedere (r/w) solo ad un intero settore:

trasferimento a blocchi

Tracce o Settore cilindri

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I dischi magnetici

• Caratteristiche:

– floppy: 5"1/4 o 3"1/2, fino a 1.44 Mb, elevato tempo di accesso, capacità limitata – hard: immersi in gas pressurizzato, alta

velocità, alta tranfser-rate, anche più dischi in parallelo, collegati al bus di sistema - Mirror, Raid

I dischi magnetici

• Parametri caratteristici (dischi rigidi):

– Densità lineare di memorizzazione:

1000-10000 bit/pollice

– Numero di tracce per pollice: 100-300 – Velocità di rotazione: 1200-6000 rpm – Velocità di spostamento del braccio:

5-50 ms per tracce adiacenti 50-150 ms per tutte le tracce

– Velocità di trasferimento: 100kbyte/s - 4 Mbyte/s – Capacità di memorizazione: 20 Mbyte - 10 Gbyte