Abilità Informatiche A.A. 2010/2011 Lezione 2...

Abilità Informatiche A.A. 2010/2011

Lezione 2: Architettura del Calcolatore

Facoltà di Lingue e Letterature Straniere

2

programma dati soluzione

COMPUTER

{

{

PROBLEMA

ALGORITMO

PROGRAMMA

CONOSCENZA

SUL DOMINIO

DEL PROBLEMA

CONOSCENZA

LINGUAGGIO DI

PROGRAMMAZIONE

ANALISTA

PROGRAMMATORE

UTENTE

Dal problema al risultato:

il ruolo del computer

SVILUPPO

DELLA

SOLUZIONE

ESECUZIONE

DEL

PROGRAMMA

Architettura del calcolatore

La prima decomposizione di un calcolatore è relativa a due

macro-componenti:

Hardware

Software

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Architettura del calcolatore

L’architettura dell’hardware di un calcolatore reale è molto complessa

La macchina di von Neumann è un modello semplificato dei calcolatori moderni, composta da Unità di calcolo

Una memoria che contiene programmi e dati dei programmi

Le istruzioni da eseguire stanno in memoria,

vengono prelevate, decodificate ed eseguite.

John von Neumann, matematico ungherese, progettò, verso il 1945, il primo calcolatore con programmi memorizzabilianziché codificati mediante cavi e interruttori

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Macchina di Von Neumann

E’ composta da 4 tipologie di componenti funzionali:

unità centrale di elaborazione (CPU) esegue istruzioni per l’elaborazione dei dati

svolge anche funzioni di controllo

memoria centrale memorizza e fornisce l’accesso a dati e programmi

interfacce di ingresso e uscita componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore

bus svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di

controllo tra le varie componenti funzionali

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Modello di Von Neumann (1)

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La CPU (Central Processing Unit) spesso integra due distinte unità: 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 di tipo aritmetico/logico di base. Si occupa di eseguire le operazioni : somme, confronti…A volte e’ affiancata da un co-processore matematico

CPU

ALU

Controllo

MEMORIA

PERIFERICHE

dati

istruzioni

Ingresso

Uscita

BUS

Le componenti fondamentali di un

moderno calcolatore elettronico


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La Memoria centrale ha lo scopo di conservare le istruzioni e i dati da elaborare e i risultati ottenuti dalle elaborazioni;

Le Interfacce collegano alle

Unità di ingresso (Input) che immette le informazioni nel calcolatore per farle elaborare;

Unità di uscita (Output) che riceve le informazioni dalla memoria del calcolatore per renderle pronte all’uso;

le unità di ingresso e uscita

sono anche dette periferiche

Il Bus, vero e proprio canale di comunicazione che consente ai dati di transitare fra diversi componenti del calcolatore.

CPU

ALU

Controllo

MEMORIA

PERIFERICHE

dati

istruzioni

Ingresso

Uscita

BUS

Le componenti fondamentali di un

moderno calcolatore elettronico

8

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:

usare la ALU

effettuare altri accessi in memoria per

leggere o scrivere dati

effettuare operazioni di ingresso (per

es. leggi un dato dalla tastiera) o di uscita

(per es. visualizza il risultato sul video).

CPU

ALU

Controllo

MEMORIA

PERIFERICHE

dati

istruzioni

Ingresso

Uscita

Segnali di controllo

Spostamento dati

e/o istruzioni


Macchina di Von Neumann,

uno schema

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Macchina di Von Neumann (1)

Il funzionamento di un calcolatore è descrivibile in termini di

poche componenti (macro-unità) funzionali

ogni macro-unità è specializzata nello svolgimento di una tipologia

omogenea di funzionalità

Eccezione: l’unità centrale di elaborazione, che svolge sia funzionalità di

elaborazione che di controllo

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Macchina di Von Neumann (2)

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Memorizzazione

Un calcolatore memorizza

i dati, che rappresentano informazioni di interesse

i programmi per l’elaborazione dei dati

La memoria è l’unità responsabile della memorizzazione

dei dati

Una unità di memoria fornisce due sole operazioni

memorizzazione di un valore (scrittura)

accesso al valore memorizzato (lettura)

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Elaborazione (1)

Le istruzioni di un programma corrispondono ad operazioni elementari di elaborazione operazioni aritmetiche

operazioni relazionali (confronto tra dati)

operazioni su caratteri e valori di verità

altre operazioni numeriche

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Elaborazione (2)

Un calcolatore sa svolgere poche tipologie di operazioni elementari ma in modo molto efficiente un calcolatore può eseguire decine o centinaia di milioni di

istruzioni al secondo

L’elaborazione dei dati viene svolta dall’unità aritmetico-logica (ALU), che è un componente dell’unità centrale di elaborazione

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Trasferimento

Obiettivo: permettere lo scambio di informazioni trale varie componenti funzionali del calcolatore trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo

Due possibili soluzioni collegare ciascun componente con ogni altro componente

collegare tutti i componenti a un unico canale (bus)

L’utilizzo di un bus favorisce la modularità e l’espandibilità delcalcolatore

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Controllo

Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è

svolto dall’unità di controllo

è un componente dell’unità centrale di elaborazione

ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli

vengono richieste dall’unità di controllo

il controllo consiste nel coordinamento dell’esecuzione

temporale delle operazioni

sia internamente all’unità di elaborazione sia negli altri

elementi funzionali

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Il computer „moderno‟ segue il modello di

Von Neumann, con diversi tipi di memoria

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Unità di elaborazione, processore, CPU (Central

Processing Unit)

Memoria centrale, RAM (Random Access Memory)

Memoria secondaria, memoria di massa

Bus di sistema (collega tutti gli altri componenti)

Periferiche di I/O (mouse, tastiera, terminali,

stampanti, ecc.)

Periferiche e memorie esterne

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OutputInput

Disks – flash cards – DVD - …

tastiera

mouse

scanner

PC

stampante

video

Memorie di massa

All‟interno: struttura di un PC

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La comunicazione fra le varie componenti avviene attraverso il bus di sistema.

Tramite il bus la CPU legge\scrive dati e istruzioni in memoria, trasferisce da\a

la memoria ai dispositivi di I/O, …

Componenti HW: Bus

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Il bus

Linea a cui sono contemporaneamente connessi tutti i dispositivi

hardware del calcolatore.

Analogo alla colonna spinale.

Controllato dalla CPU

Consente il trasferimento di dati tra le unità hardware

Velocità misurata in megahertz (come la CPU), ma di solito più lento...

E’ il collo di bottiglia per molti PC.

Bus: le caratteristiche

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Vantaggi

Semplicità: unica linea di connessione implica costi ridotti

Estendibilità: aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice

Standardizzabilità: regole precise di comunicazione tra dispositivi diversi

Svantaggi

Lentezza: il bus è utilizzabile solo in mutua esclusione

Limitata capacità: al crescere del n. di dispositivi collegati

Sovraccarico del processore: la CPU funge infatti da master sul controllo del bus

Componenti HW:

motherboard (scheda madre)

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Piastra ricavata da un sandwich di strati di vetronite e rame: generalmente ha da

quattro a sei strati di rame;

Ha integrato il bus di sistema, composto da 50 a 100 fili in rame incisi su di essa

Dotata di connettori separati ad intervalli regolari per l’innesto dei moduli di

memoria e di I/O. Si tratta di una serie di connessioni elettriche ognuna delle quali

può trasmettere cifre binarie (0 o 1) in successione,

Vi sono montate le componenti del computer (CPU, RAM, hard disk, etc.)

zoccolo per il processore

zoccolo per la memoria

zoccoli o slot per le schede

Motherboard: componenti principali

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Alloggiamento per la CPU: Socket, (es. zoccolo ZIF, Zero Insertion Force) o SLOT1;

gli slot per l'installazione delle RAM;

la RAM CMOS, alimentata in permanenza da una pila o una piccola batteria che memorizza i parametri di configurazione del BIOS;

Controller e Slot di espansione:

PCI (schede video, audio, scheda rete, modem, sintonizzatore TV, controller firewire, USB…)

AGP, PCI Express (schede video);

Controller e slot IDE/ATA, SATA e/o SCSI per la gestione delle unità disco (Hard Disk, CD e DVD), floppy;

Porte: parallela, seriale, USB, PS2,…

In molte Mainboard, specie se compatte, molte schede di espansione possono trovarsi già integrate (es. la scheda video, la scheda audio, interfacce di rete LAN o Ethernet e porte Firewire)

Componenti HW: la memoria

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Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni

il più rapidamente possibile

Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi

garantendone la conservazione e la reperibilità anche

dopo elevati periodi di tempo

Diverse esigenze:

Velocità per il supporto alla CPU

Non volatilità ed elevate dimensioni per l’archivio

Le memorie: diversi tipi

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Cosa può fare la tecnologia ?

Memorie elettroniche relativamente piccole e veloci, volatili, a

costo medio alto

RAM : lettura e scrittura nell’ordine delle decine di nanosecondi per

parola

Memorie magnetiche e ottiche, grandi, molto capienti,

persistenti e lente

Dischi rigidi : lettura e scrittura nell’ordine di alcuni millisecondi per

blocco

CD ROM, DVD

Le memorie: diversi usi

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I computer usano supporti di memorizzazione di più tipi :

una memoria centrale, RAM : contiene i programmi durante la

loro esecuzione ed i dati relativi

altrimenti il processore sarebbe per la maggior parte del tempo

fermo in attesa di dati da/per la memoria

una o più memorie di massa (dischi etc.) : che mantengono

tutti i dati ed i programmi in attesa di essere eseguiti in modo

persistente, anche dopo lo spegnimento del calcolatore

Memoria centrale: RAM

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RAM: Random Access Memory

Memorizza:

I programmi in esecuzione

I dati dei programmi in esecuzione

Viene cancellata ogni volta che si spegne il

computer.

Notazione binaria

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Tutte le informazioni vengono rappresentate mediante

sequenze di 0 e di 1

bit: BInary digiT

Per esigenze logico-costruttive, i bit tra RAM e CPU

fluiscono a gruppi di 8.

Altra unità di misura utilizzata: byte (sequenza di otto bit)

Un byte é la più piccola unità accessibilie singolarmente.

RAM: struttura

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I bit nella memoria sono raggruppati in celle (o registri)

Tutte le celle sono formate dallo stesso numero di bit

Le celle sono numerate in sequenza: il numero di ogni

cella costituisce il suo indirizzo

L’indirizzo serve per accedere all’informazione contenuta

nella cella

Specificando l’indirizzo di una cella, la CPU e’ in grado di

leggere e/o modificare il valore dei bit memorizzato in

quella cella

La cella è l’unità indirizzabile più piccola

Perchè si chiama RAM

(Random Access Memory)?

Si può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro

indirizzo

Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso,

indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza

Il termine “random” (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono

differenze nell’accesso alle varie celle della memoria

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RAM: principali proprietà

Veloce: per leggere/scrivere una cella ci vuole un tempo di accesso dell’ordine di poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = 10-9 sec.)

Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo l’alimentazione si perde tutto

(Relativamente) costosa

Tutte le celle hanno uguale dimensione: 8, 16, 32, o 64 bit

Le operazioni che si eseguono sulla memoria sono

operazioni di lettura e scrittura

Una cella può contenere un dato o un’istruzione

31

Operazioni sulla memoria

32

Si possono eseguire solo due operazioni:

lettura e scrittura

Lettura: con questa operazione si accede al contenuto di una cella di memoria che viene trasferito, senza essere modificato, alla CPU.

Scrittura: con questa operazione il contenuto di una cella di memoria viene modificato, e viene sostituito con dati provenienti dalla CPU.

Componenti HW:

CPU - Central Processing Unit

Programmi e dati risiedono in file memorizzati in

memoria secondaria.

Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati)

vengono copiati nella memoria primaria.

Il processore, CPU, è in grado di eseguire le istruzioni di

cui sono composti i programmi

I programmi che la CPU è in grado di eseguire sono

scritti in linguaggio macchina

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CPU: funzionamento

RAM

HARD DISK

programma

programma

copia il programma in RAM

esegui le istruzioni del programma

CPU

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Il set di istruzioni macchina

Ogni tipo di processore e’ in grado di eseguire un

numero limitato (40/100) di istruzioni

Combinando in modo diverso sequenze anche molto

lunghe di istruzioni (i programmi) si possono far fare

al computer tantissime cose completamente diverse

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Legge di Moore

Osservazione fatta da Gordon Moore nel 1965:

il numero dei transistor per cm2

raddoppia ogni X mesi

In origine X era 12. Correzioni successive hanno portato a fissare

X=18. Questo vuol dire che c’è un incremento di circa il 60%

all’anno.

# Transistor [CPU Intel]

100 000

1 000 000

10 000 000

100 000 000

1989 1991 1993 1995 1997 1999

Legge di Moore e progresso

Il progresso della tecnologia provoca un aumento del numero di transistor per cm2 e quindi per chip.

Un maggior numero di transistor per chip permette di produrre prodotti migliori (sia in termini di prestazioni che di funzionalità) a prezzi ridotti.

I prezzi bassi stimolano la nascita di nuove applicazioni (e.g. non si fanno video game per computer da milioni di $).

Nuove applicazioni aprono nuovi mercati e fanno nascere nuove aziende.

L’esistenza di tante aziende fa crescere la competitività che, a sua volta, stimola il progresso della tecnologia e lo sviluppo di nuove tecnologie.

Componenti HW: altre memorie

Memoria di sola lettura (ROM)

Memoria cache

Buffer

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Memoria di sola lettura (ROM)

ROM = Read Only Memory

Memoria permanente e di sola lettura

Non può essere modificata

A differenza della RAM non è volatile

Veloce quasi come la RAM

Contiene le informazioni di inizializzazione usate ogni

volta che si accende l’elaboratore (bootstrap)

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Memoria cache

L’accesso alla RAM è comunque più lento rispetto alla velocità della CPU.

Si utilizza quindi una memoria che consenta accessi estremamente veloci su istruzioni e dati utilizzati di recente. Questa memoria è la cache memory: veloce, ma molto più costosa della RAM quindi piccola.

La cache rappresenta un livello di memoria intermedio tra i registri del processore e la RAM

Memorizza i dati usati più spesso senza doverli recuperare tutte le volte dalla RAM (che è più lenta)

Influisce moltissimo sulle prestazioni e sul costo della CPU (e quindi del computer)

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Buffer

Piccole parti di RAM con funzioni di memoria temporanea

Usati per il passaggio delle informazioni da un programma o dispositivo ad

un altro

In Windows si parla di Clipboard, memoria temporanea usata per esempio per

le operazioni di Copia e Incolla

1

2

3

4

5

Foglio elettronicoProgramma di videoscrittura

Clipboard(buffer)

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Componenti HW:

memorie secondarie o di massa

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Caratteristiche principali:

non volatilità: mantengono le informazioni anche a computer

spento

grande capacità

Le memorie secondarie o di massa sono basate

principalmente su tecnologie magnetiche e ottiche.

ES. Hard disk, floppy disk, CDROM, DVD, etc.

I dati sono organizzati in file e gestiti dal file system

Le memorie di massa

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Hard disk

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È costituito da una serie di

dischi magnetici rigidi

(piatti) sovrapposti e

ruotanti su un asse

verticale. La superficie è

divisa in aree di memoria,

sui cui scrive e legge una

testina. Le testine sono il

doppio dei piatti.

CD rom e DVD

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Il disco ottico è fatto di tre

strati, di cui uno in vetro

temperato che produce un

sostrato rigido. Poi una

superficie di registrazione in

lega metallica e infine un

involucro di plastica

trasparente.

Memorie Flash

Funzioni: trasferimento dati;

archiviazione dati “sensibili”.

Tecnologia elettronica non volatile bassi consumi

piccole dimensioni

capacità dai 256MB ai 32GB

File system come per i dischi Il sistema operativo gestisce

l’accesso come se fossero dischi;

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Nastri Magnetici e unità DAT

Capacità di diversi GigaByte

Spazio tra record

(inter record gap) Record fisico

Traccia 1

Traccia 2

Traccia 9

Traccia 8

… … …

Accesso sequenziale

Molto lenti

Utili solo per operazioni di backup

Gerarchia delle memorie

49

max

maxminCPU Registri

Cache

Memoria centrale

Dischi magnetici / ottici

Nastri magnetici

Dimensioni Velocità

min

Costo/bit

max

min

Componenti HW: porte di comunicazione

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Porte seriali: trasportano 1 bit per volta, hanno velocità massima = 115 KB/sec e si usano per periferiche lente, come mouse e modem esterni, non sopportano cablaggi superiori a 300 metri

Porte parallele: trasmettono 8 bit alla volta in parallelo, sono più veloci delle seriali ma non sopportano cablaggi superiori a 30 metri, adatte a collegare stampanti, o altri dispositivi di immagazzinamento esterno delle informazioni. Hanno velocità massima = 150 KB/sec.

Porte SCSI (small computer system interface) permettono la connessione di molti dispositivi in cascata, e sono usate per scanner CD-ROM, ...

USB (Universal Serial BUS): seriali ad alta velocità velocità = 12 Mbit/sec

collegano fino a 127 periferiche in cascata

alimentano direttamente periferiche a basso consumo (tastiere, mouse) e sono completamente plug & play

la USB 2.0 del 1999 arrivano fino a 480 Mbps.

Quanto “potente” è il mio PC?

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Parametri da considerare:

Frequenza del processore

Dimensione della RAM

Dimensione della memoria di massa

Velocità di accesso (bus)

Grandezza della cache

Numero e tipo di porte

Tassonomia dei calcolatori /1

Quantità vs. qualità:

Cambiare di un ordine di grandezza la quantità significa cambiare anche la qualità: un’auto in grado di raggiungere una velocità di 1000 km/h nel deserto

del Nevada è una macchina fondamentalmente diversa da un’auto che fa 100 km/h sull’autostrada;

un grattacielo di 100 piani non è solo un edificio di 10 piani un po’ più grande.

Nei computer le differenze sono di diversi ordini di grandezza.

I miglioramenti procurati dalla legge di Moore possono essere utilizzati in modi diversi: costruire calcolatori sempre più potenti a prezzo costante;

costruire lo stesso calcolatore a prezzi ogni anno più convenienti.


Tipo Prezzo (€) Applicazione tipica

Calcolatore monouso 1 Biglietti di auguri

Calcolatore dedicato 10 Orologi, automobili, …

Calcolatore per videogiochi 100 Videogiochi personali

Calcolatore per PC 1 K PC da tavolo o portatile

Server 10 K Server di rete

Reti di workstation 100 K Centro di calc.

dipartimentale

Mainframe 1 M Database di una banca

Supercalcolatore 10 M Previsioni del tempo

I prezzi sono solo indicativi.


Calcolatori monouso: chip singoli incollati all’interno dei biglietti di auguri;

si tratta in pratica di calcolatori usa e getta.

Sistemi embedded (calcolatori dedicati): calcolatori che si trovano in telefoni, televisori, forni, auto, …

questi calcolatori contengono un processore, meno di unmegabyte di memoria e qualche funzione di I/O.

Videogame normali calcolatori con particolari capacità grafiche, ma

software limitato e poche possibilità di estensione; fanno partedi questa categoria anche i PDA;

contengono un processore, alcuni megabyte di memoria, untipo di schermo (anche un televisore) e poco di più.


Personal computer (PC) o workstation: dotati di alcune decine di megabyte di memoria, di un disco

fisso contenente alcuni gigabyte di dati, drive CD–ROM,modem, scheda audio e altre periferiche;

dotati di sistemi operativi elaborati, molte opzioni diespansione e una vasta gamma di software disponibile.

Server di rete si tratta di PC o workstation potenziati utilizzati come

server di rete sia per le reti locali che per Internet;

esistono sia in configurazione con processore unico che conpiù processori, hanno alcuni gigabyte di memoria, moltigigabyte di spazio sul disco fisso e interfacce di rete ad altavelocità.


NOW (Networks of Workstations) o

COW (Cluster of Workstations) composti da PC o workstation normali collegate con reti ad elevate

prestazioni (qualche gigabit/sec) e funzionanti con software speciale, chepermette a tutte le macchine di lavorare insieme su un unico problema;

architetture sono facilmente scalabili (da alcune macchine ad alcunemigliaia) e sono paragonabili a minisupercomputer.

Mainframe calcolatori grandi come una stanza, in uso fin dagli anni ’60;

non sono più veloci di server potenti, ma solitamente hanno più capacitàdi I/O e sono dotate di grandi insiemi di dischi

sono macchine estremamente costose, che vengono spesso mantenuteper via dell’ingente investimento esistente in termini di software, dati,procedure operative e personale.


Supercomputer

hanno CPU velocissime, molti gigabyte di memoria centrale,

dischi e reti molto veloci.

Recentemente molti supercomputer sono diventati

macchine altamente parallele non molto diverse dai COW,

ma con componenti più veloci e più numerosi.

I supercomputer vengono utilizzati per risolvere problemi di

calcolo molto complicati in campi scientifici e ingegneristici:

simulazione di uno scontro fra galassie,

sintesi di nuovi farmaci,

modelli del comportamento dell’aria attorno alle ali di un aereo.

Il concetto di macchina astratta

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Alla base di un moderno computer c’è l’idea di rappresentare i programmi in forma digitale. L'elaboratore diviene una macchina “universale” in grado di eseguire qualsiasi compito “calcolabile”, semplicemente inserendo un nuovo programma.

Il progettista hw definisce il set di istruzioni dell’elaboratore, ovvero un linguaggio minimo (L1) mediante il quale l’elaboratore può essere programmato

A sua volta, anche L1 può essere limitato e difficile da usare, ma si può usare per realizzare un nuovo linguaggio, L2, che consente di eseguire operazioni più sofisticate di L1, e quindi semplifica la programmazione dell’elaboratore

… come una cipolla

59

Mettendo assieme le cose…

60

I programmi che non sono in esecuzione sono

memorizzati nella memoria secondaria

RAM DiskCPUCache

Bus

SOApp

Software: SO (Sistema Operativo)

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Il sistema operativo è caricato dalla memoria secondaria in memoria principale quando viene acceso il computer, e vi rimane finché non viene spento.

Il SO agisce come “manager” del sistema, garantendo che ognidispositivo hw dialoghi correttamente con gli altri dispositivi.

Offre l’interfaccia perché l’utente interagisca con il computer. Esempi: MacOS, WindowsXP, UNIX, Linux, Solaris, ...

RAMCPUCache

Bus

SO SOApp

Lanciare un programma

62

Quando si lancia un programma il sistema operativo

controlla la CPU e carica il programma dalla memoria

secondaria alla RAM.

RAMCPUCache

Bus

SOAppSO

Disk

SOApp

Esecuzione

63

Quando il programma è in esecuzione, carica ad ogni

passo una nuova istruzione (dalla memoria o dalla

cache), la esegue, e memorizza il risultato nella

memoria.

RAMCPUCache

Bus

SOApp

App

Disk

SOApp

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