ARCHITETTURA DEL ARCHITETTURA DEL CALCOLATORECALCOLATORE

L’architettura del calcolatore, cioè le unità funzionali o i sottosistemi che lo compongono, è rimasta sostanzialmente invariata a partire dagli anni ’40.

L’architettura dei calcolatori attuali si basa su un unico modello teorico chiamato architettura di von

Neumann, dal nome del matematico John von Neumann che per primo la propose nel 1946

Architettura del calcolatoreA blocchi funzionali:

BUS

DATI/PROGRAMMIMEMORIA PROCESSORE

(CPU)

UNITA’ INPUT

Memoria di massa

UNITA’OUTPUT

RISULTATI

ARCHITETTURA VON NEUMANNARCHITETTURA VON NEUMANN

L ‘architettura di von Neumann è un modello per la progettazione e la realizzazione di calcolatori basato su 3 caratteristiche:

1) Un calcolatore realizzato a partire da 4 sottosistemi principali chiamati: CPU, memoria CENTRALE, ingresso/uscita, memorie di massa. Ogni sistema (blocco) ha una sua funzione

2) Computer “ a programma memorizzato” : in grado di eseguire un programma precedentemente caricato in memoria centrale (un insieme di istruzioni “precaricate in memoria”)

3) L’esecuzione sequenziale delle istruzioni. Una sola istruzione per volta viene presa dalla memoria per passare alla CPU dove viene decodificata ed eseguita.

MEMORIE DI MASSAMEMORIE DI MASSA

UNITA’ DI OUTPUTUNITA’ DI OUTPUT

UNITA’ DI ELABORAZIONEUNITA’ DI ELABORAZIONE

((C.P.U.)C.P.U.)

MEMORIA CENTR.MEMORIA CENTR.

UNITA’ DI INPUTUNITA’ DI INPUT

All’architettura FUNZIONALE corrisponde All’architettura FUNZIONALE corrisponde una architettura FISICAuna architettura FISICA

1. “IL CERVELLO”-PROCESSORE

= = C.P.U (Central Processing Unit)C.P.U (Central Processing Unit)

UNITA’ CENTRALE DI ELABORAZIONEUNITA’ CENTRALE DI ELABORAZIONE

in senso strettoin senso stretto: il “motore” che : il “motore” che preleva dalla memoria, preleva dalla memoria, interpreta (decodifica) ed esegueinterpreta (decodifica) ed esegue le istruzioni del le istruzioni del programma e programma e governa governa il funzionamento delle diverse il funzionamento delle diverse parti che compongono il computerparti che compongono il computer

Fisicamente un circuito integrato ad altissima Fisicamente un circuito integrato ad altissima integrazione (100 milioni di transistor da 90-65 nm) : integrazione (100 milioni di transistor da 90-65 nm) : MICROPROCESSOREMICROPROCESSORE

PROCESSOREPROCESSORE

E’ l’unico dispositivo in grado di E’ l’unico dispositivo in grado di distinguere tra distinguere tra istruzioni istruzioni (i comandi) (i comandi) e e datidati (il materiale sul quale eseguire (il materiale sul quale eseguire i comandi)i comandi)

Deve saper riconoscere le istruzioni Deve saper riconoscere le istruzioni e i comandi a basso livello forniti dal e i comandi a basso livello forniti dal programmaprogramma

Coordina le operazioni degli altri Coordina le operazioni degli altri componenti del sistemacomponenti del sistema

2. “IL BANCO DI LAVORO” -2. “IL BANCO DI LAVORO” -la la MEMORIA CENTRALEMEMORIA CENTRALE RAM RAM Random Access Memory Random Access Memory L’unita’ che funge da “L’unita’ che funge da “DEPOSITODEPOSITO” dei ” dei DATI DATI e e

delle delle ISTRUZIONIISTRUZIONI necessari per la esecuzione di necessari per la esecuzione di un programma. La CPU vi ha accesso diretto.un programma. La CPU vi ha accesso diretto.

E’ UN PASSAGGIO “E’ UN PASSAGGIO “OBBLIGATOOBBLIGATO” prima di ” prima di poter essere poter essere elaborataelaborata l’informazione deve l’informazione deve essere acquisita dalla memoria centrale essere acquisita dalla memoria centrale (per (per motivi tecnologici)motivi tecnologici)

Memoria di lettura/scritturaMemoria di lettura/scrittura Caratteristiche: veloce (ns), costosa, volatile, : veloce (ns), costosa, volatile,

non estremamente non estremamente capace (media 1 GB ), non capace (media 1 GB ), non trasportabile trasportabile

3. 3. MEMORIE DI MASSAMEMORIE DI MASSA CaratteristicheCaratteristiche: permanente, economica, con : permanente, economica, con

grande capacità di memorizzazione (fino a 500 grande capacità di memorizzazione (fino a 500 GB), lenta (millisecondi), trasportabileGB), lenta (millisecondi), trasportabile

Hard e floppy disk, CD, DVD, floptical, penne, ecc..Hard e floppy disk, CD, DVD, floptical, penne, ecc.. Dispositivi, fissi o removibili, esterni o interni, che Dispositivi, fissi o removibili, esterni o interni, che

memorizzano grosse quantita’ di dati o di memorizzano grosse quantita’ di dati o di istruzioni in modo PERMANENTE, organizzati in istruzioni in modo PERMANENTE, organizzati in FILEFILE

4.INGRESSO/USCITA4.INGRESSO/USCITA

UNITA’ di INPUT - OUTPUT UNITA’ di INPUT - OUTPUT ((periferiche)periferiche):: tastiera, video, stampanti, tastiera, video, stampanti, scanner, modem, microfoni, casse audio, scanner, modem, microfoni, casse audio, ecc...)ecc...)

DISPOSITIVI CHE CONSENTONO DISPOSITIVI CHE CONSENTONO L’IMMISSIONE dei DATI e dei L’IMMISSIONE dei DATI e dei PROGRAMMI E L’USCITA DEI PROGRAMMI E L’USCITA DEI RISULTATIRISULTATI

UN TIPO di COMPUTER (il Personal Computer) visto dall’ESTERNO

2 parti:2 parti: “ “CHASSIS” (Cabinet - case) = CHASSIS” (Cabinet - case) = UNITA’ UNITA’

CENTRALE DI ELABORAZIONE CENTRALE DI ELABORAZIONE in senso in senso LATOLATO

contiene la maggior parte degli elementi contiene la maggior parte degli elementi che compongono il PCche compongono il PC

PERIFERICHE oPERIFERICHE o

dispositivi I/O dispositivi I/O

PC all’interno: : “PARTE NON VISIBILE”“PARTE NON VISIBILE”

CPUCPU RAM/ ROMRAM/ ROM HARD DISKHARD DISK

BUSBUS

HW: CLASSI di COMPUTERHW: CLASSI di COMPUTER Fasce di crescente complessita’,prezzo e

prestazioni (1 classe ogni decennio) CLASSIFICAZIONE ORIENTATIVA mantenuta

nel linguaggio comune In modo sfumato: utilizzando i parametri MIPS,

N.ro teminali collegati, Prezzo, Sistema operativo (standard o aperto, speciale o proprietario)

STANDARD: “APPLICAZIONE DI UN METODO O DI UN FORMATO ACCETTATO E RICONOSCIUTO, SE NON DA TUTTI, AMPIAMENTE “ (es: formato postale, codice a barre, lattine birre)

Classi di computerClassi di computer

MIPSMIPS N.ro N.ro utentiutenti

CostoCosto

(€)(€)

Sistema Sistema operativooperativo

Mainframe Mainframe (anni ‘60)(anni ‘60)

>100>100 CentinaiaCentinaia Milioni Milioni SpecialeSpeciale

Mini-Mini-computer computer (anni ’70)(anni ’70)

10 -10 -100100

DecineDecine Decine Decine di di

migliaiamigliaia

Speciale Speciale e e

standardstandard

Micro-Micro-computer computer (PC) (PC) (anni ’80)(anni ’80)

1 – 1 – 1010

UnoUno MigliaiaMigliaia StandardStandard

I tipi di P.C. (microcomputer)I tipi di P.C. (microcomputer)::

DESKTOP (entry DESKTOP (entry levellevel))

MINITOWER MINITOWER

TOWER (server)

Formato Formato digitaledigitale (binario) (binario) dell’informazionedell’informazione

Nel calcolatore tutta l’informazione e’ codificata Nel calcolatore tutta l’informazione e’ codificata in binario (sequenza di 0,1)in binario (sequenza di 0,1)

PerchePerche’ il calcolatore e’ formato da componenti ’ il calcolatore e’ formato da componenti BISTABILI:BISTABILI:

- - elettronicielettronici (alta/bassa tensione elettr.) (alta/bassa tensione elettr.)

- - magnetici magnetici (differente stato di (differente stato di polarizzazione magnetica) polarizzazione magnetica)

- - ottici ottici (alternanza luce/buio) (alternanza luce/buio)

2 STATI “FISICI” (possibili, nitidi e sicuri) che 2 STATI “FISICI” (possibili, nitidi e sicuri) che vengono RAPPRESENTATI (denotati) con 0 e 1 vengono RAPPRESENTATI (denotati) con 0 e 1

che sono anche le cifre del sistema binario che sono anche le cifre del sistema binario

((BIT BIT – – BBINARY DIGINARY DIGITIT))

UNITA’ DI MISURA UNITA’ DI MISURA BITBIT (BINARY DIGIT: 0 1 ): (BINARY DIGIT: 0 1 ): l’unita’ minima che l’unita’ minima che

puo’ puo’ essere rappresentataessere rappresentata.. 2 motivazioni: 2 motivazioni:1)1) Il calcolatore e’ formato da componenti Il calcolatore e’ formato da componenti bistabili bistabili

che che fisicamentefisicamente possono possono assumereassumere solo 2 stati, solo 2 stati, logicamente rappresentabililogicamente rappresentabili solo con 2 solo con 2 simboli. simboli.

2)2) La semplicità dei calcoli in binarioLa semplicità dei calcoli in binario BYTEBYTE = sequenza di 8 BIT (00110111) e’ = sequenza di 8 BIT (00110111) e’ l’unita’ l’unita’

minima con cui minima con cui operaopera = 1 carattere= 1 carattere

le possibili combinazioni sono 2^8 =256 le possibili combinazioni sono 2^8 =256 256 simboli rappresentabili: lettere alfabeto, 256 simboli rappresentabili: lettere alfabeto,

cifre numeriche, punteggiatura, caratteri di cifre numeriche, punteggiatura, caratteri di controllocontrollo

UNITA’ DI MISURA: UNITA’ DI MISURA: i multipli del bytei multipli del byte **fattore moltiplicativo “1.024” - fattore moltiplicativo “1.024” - * misura la capacità delle memorie e le * misura la capacità delle memorie e le dimensioni filedimensioni file KBYTEKBYTE (kilobyte - Kbyte - KB) (kilobyte - Kbyte - KB)

= 2^10 byte = 2^10 byte = 1.024 byte = mille caratteri= 1.024 byte = mille caratteri

MegaBYTEMegaBYTE (detto anche Mega, Mbyte, MB, (detto anche Mega, Mbyte, MB, Mb, M) Mb, M)

= 2^ 20 byte= 2^ 20 byte= 1024 Kbyte= 1024 Kbyte

= 1.048.576 byte= 1.048.576 byte= un milione di caratteri= un milione di caratteri

Esempio: 1 pagina di testo 2.000 - 10.000 caratteri Esempio: 1 pagina di testo 2.000 - 10.000 caratteri (10 MB???): 5.000 – 1.000 pagg. (10 libri da 500 pag.)(10 MB???): 5.000 – 1.000 pagg. (10 libri da 500 pag.)

UNITA’ DI MISURA: multipli del byte GIGABYTEGIGABYTE (detto anche Giga, Gbyte, GB, (detto anche Giga, Gbyte, GB,

Gb, G) Gb, G) = 2^30 byte= 2^30 byte

= 1024 Megabyte= 1024 Megabyte= 1.073.741.824 byte= 1.073.741.824 byte

= un miliardo di caratteri= un miliardo di caratteri TERABYTE TERABYTE (detto anche Tera, Tbyte, TB, (detto anche Tera, Tbyte, TB,

Tb, T) Tb, T) = 2^40 byte= 2^40 byte

= 1024 Gigabyte= 1024 Gigabyte= 1.099.511.628.000 byte= 1.099.511.628.000 byte

= mille miliardi di caratteri= mille miliardi di caratteri

UNITA’ DI MISURA: velocità e prestazioni

MIPSMIPS - Milioni di Istruzioni Per Secondo: una - Milioni di Istruzioni Per Secondo: una misura della velocita’ della CPU (unita’ di misura della velocita’ della CPU (unita’ di

elaborazione) di un computerelaborazione) di un computer msms-- Millesecondi Millesecondi misura una frazione del secondo corrispondente misura una frazione del secondo corrispondente

a 10 elevato a -3a 10 elevato a -3 ss -- Microsecondi Microsecondimisura una frazione del secondo corrispondente misura una frazione del secondo corrispondente

a 10 elevato a -6a 10 elevato a -6 nsns-- Nanosecondi Nanosecondi misura una frazione del secondo corrispondente misura una frazione del secondo corrispondente

a 10 elevato a -9a 10 elevato a -9

UNITA’ DI MISURA Hertz Hertz e’ una unita’ di misura che corrisponde ad e’ una unita’ di misura che corrisponde ad

una una oscillazione o ciclo per secondooscillazione o ciclo per secondo. Un hertz . Un hertz e’ dato ad esempio da un pendolo che in un e’ dato ad esempio da un pendolo che in un

secondo oscilla da destra a sinistra e da secondo oscilla da destra a sinistra e da sinistra a destra sinistra a destra

Nel computer si usano i Nel computer si usano i Mhz e i GHzMhz e i GHz,, milioni milioni o miliardi di Hertz al secondo, che indicano la o miliardi di Hertz al secondo, che indicano la velocita’ del clock del velocita’ del clock del processoreprocessore e e del busdel bus

In In GHz (1,6 1,8 2,0 3,0 …)GHz (1,6 1,8 2,0 3,0 …) e’ misurata la velocita’ e’ misurata la velocita’ con cui con cui l’orologio internol’orologio interno scandisce la frequenza scandisce la frequenza delle operazioni elementari svolte dall’unita’ delle operazioni elementari svolte dall’unita’ dedicata alle elaborazioni. La frequenza del clock dedicata alle elaborazioni. La frequenza del clock costituisce uno dei parametri in base ai quali costituisce uno dei parametri in base ai quali valutare la potenza di un computer.valutare la potenza di un computer.

IL SOFTWARE == I programmi I programmi

Diversi Diversi tipi di softwaretipi di software::SOFTWARE DI SISTEMA SOFTWARE DI SISTEMA : : l’insieme dei l’insieme dei

programmi dedicati al funzionamento e programmi dedicati al funzionamento e alla gestione dell’elaboratorealla gestione dell’elaboratore

SOFTWARE APPLICATIVOSOFTWARE APPLICATIVO: : l’insieme l’insieme dei programmi dedicati al supporto di dei programmi dedicati al supporto di

specifiche esigenze dell’utentespecifiche esigenze dell’utente

CLASSIFICAZIONE SOFTWARE CLASSIFICAZIONE SOFTWARE SOFTWARE di BASESOFTWARE di BASE (o (o di SISTEMAdi SISTEMA):): SISTEMA OPERATIVO SISTEMA OPERATIVO AMBIENTE DI PROGRAMMAZIONE (tool di AMBIENTE DI PROGRAMMAZIONE (tool di

sviluppo)sviluppo) SOFTWARE APPLICATIVO:SOFTWARE APPLICATIVO: STRUMENTI PRODUTTIVITA’ INDIV.STRUMENTI PRODUTTIVITA’ INDIV. SISTEMI GRAFICI E CADSISTEMI GRAFICI E CAD APPLICAZIONI GESTIONALI, NUMERICHE, APPLICAZIONI GESTIONALI, NUMERICHE,

CONTROLLO PROCESSO,ECCCONTROLLO PROCESSO,ECC

SOFTWARE DI BASESOFTWARE DI BASE SISTEMA OPERATIVOSISTEMA OPERATIVO:: l’insieme dei l’insieme dei

programmi che consentono al computer e alle programmi che consentono al computer e alle sue applicazioni di sue applicazioni di funzionarefunzionare. Programmi . Programmi dedicati a rendere più semplice l’utilizzo del dedicati a rendere più semplice l’utilizzo del computer per computer per l’utentel’utente, a sgravare il , a sgravare il programmatoreprogrammatore dalla gestione delle dalla gestione delle componenti fisiche ed ad componenti fisiche ed ad ottimizzareottimizzare le risorse le risorse hardwarehardware

AMBIENTE DI PROGRAMMAZIONEAMBIENTE DI PROGRAMMAZIONE: : EDITOR, COMPILATORI, INTERPRETI, EDITOR, COMPILATORI, INTERPRETI, LINKER, DEBUGGER- strumenti di supporto LINKER, DEBUGGER- strumenti di supporto nella messa a punto ed esecuzione dei nella messa a punto ed esecuzione dei programmi (programmi (tools di sviluppo)tools di sviluppo)

SW APPLICATIVO

S.OPERATIVO

(macchina VIRTUALE)

Relazione fra utente/S.O/macchinaRelazione fra utente/S.O/macchina

(macchina FISICA)

Perché il sistema operativo ?Perché il sistema operativo ? L’HARDWARE, DA SOLO, troppo DIFFICILE DA L’HARDWARE, DA SOLO, troppo DIFFICILE DA

USARE: NON è POSSIBILE INTERAGIRE IN MODO USARE: NON è POSSIBILE INTERAGIRE IN MODO SEMPLICE CON LA MACCHINA CON ORDINI AD ALTO SEMPLICE CON LA MACCHINA CON ORDINI AD ALTO LIVELLO, DEL TIPO “LIVELLO, DEL TIPO “ESEGUI IL PROGRAMMA ALFAESEGUI IL PROGRAMMA ALFA” ” oppure “oppure “STAMPA il file xSTAMPA il file x” (” (linguaggio macchina)linguaggio macchina)

I PROGRAMMI SAREBBERO STRETTAMENTE LEGATI I PROGRAMMI SAREBBERO STRETTAMENTE LEGATI ALLA CONFIGURAZIONE FISICA DELLA MACCHINAALLA CONFIGURAZIONE FISICA DELLA MACCHINA

CHI PROGRAMMA DOVREBBE CONOSCERE MOLTO CHI PROGRAMMA DOVREBBE CONOSCERE MOLTO BENE IL FUNZIONAMENTO DI TUTTI I DISPOSITIVI BENE IL FUNZIONAMENTO DI TUTTI I DISPOSITIVI PERIFERICIPERIFERICI

OGNI CAMBIAMENTO DELL’HARDWARE (IN TERMINI OGNI CAMBIAMENTO DELL’HARDWARE (IN TERMINI DI MEMORIA, HARD DISK, DISPOSITIVO DI I/O,...) DI MEMORIA, HARD DISK, DISPOSITIVO DI I/O,...) COMPORTEREBBE UNA REVISIONE DEI PROGRAMMICOMPORTEREBBE UNA REVISIONE DEI PROGRAMMI

Portabilità dei programmi: I PROGRAMMI Portabilità dei programmi: I PROGRAMMI POTREBBERO ESSERE PORTATI SU UNA ALTRA POTREBBERO ESSERE PORTATI SU UNA ALTRA MACCHINA A CONDIZIONE CHE FOSSE IDENTICAMACCHINA A CONDIZIONE CHE FOSSE IDENTICA

MACCHINE COSTOSISSIME POTREBBERO ESSERE MACCHINE COSTOSISSIME POTREBBERO ESSERE USATE DA UN SOLO UTENTE ALLA VOLTAUSATE DA UN SOLO UTENTE ALLA VOLTA

SISTEMA OPERATIVOSISTEMA OPERATIVO A partire dagli anni ’60A partire dagli anni ’60 Insieme di programmiInsieme di programmi ( (strato software strato software a supporto a supporto

sia dell’utente che del programmatore) abilitati a:sia dell’utente che del programmatore) abilitati a: gestione RISORSE HARDWAREgestione RISORSE HARDWARE, tramite il , tramite il

governo e il controllo delle risorse principali del governo e il controllo delle risorse principali del sistema informatico, il controllo e la supervisione sistema informatico, il controllo e la supervisione di tutte le periferiche, la ottimizzazione delle di tutte le periferiche, la ottimizzazione delle stesse risorse: CPU,RAM, DISCO, I/Ostesse risorse: CPU,RAM, DISCO, I/O

gestione RISORSE SOFTWAREgestione RISORSE SOFTWARE, tramite il , tramite il controllo ed il governo degli altri programmi controllo ed il governo degli altri programmi applicativi (modulo INTERPRETE)applicativi (modulo INTERPRETE)

interfaccia uomo/macchinainterfaccia uomo/macchina (tramite tra utente e (tramite tra utente e macchina, macchina, direttamente o indirettamentedirettamente o indirettamente))

55 STRATI del S.O STRATI del S.O (struttura a cipolla)(struttura a cipolla)

INTERPRETE

FILE SYSTEMFILE SYSTEM

GESTIONE DELLE PERIFERICHE

GESTIONE DELLA MEMORIA

NUCLEO

INTERPRETEINTERPRETE INTERPRETE:INTERPRETE: rappresenta lo strato superiore rappresenta lo strato superiore

del S.O.(quello che vede l’utente)del S.O.(quello che vede l’utente) il modulo che consente di interagire con il sistema: èil modulo che consente di interagire con il sistema: è

responsabile di ricevere e interpretare i comandi responsabile di ricevere e interpretare i comandi dell’utentedell’utente

E’ il modulo che consente di richiamare le E’ il modulo che consente di richiamare le funzioni del S.O. e quello che manda in funzioni del S.O. e quello che manda in esecuzione i programmi applicativiesecuzione i programmi applicativi

Per eseguire un programma l’interprete accede Per eseguire un programma l’interprete accede al programma su disco tramite il al programma su disco tramite il file system,file system, alloca e carica in memoria chiamando il gestore alloca e carica in memoria chiamando il gestore della memoria, attiva un processo tramite il della memoria, attiva un processo tramite il nucleonucleo

Si occupa anche dell’Si occupa anche dell’inizializzazione del sistemainizializzazione del sistema

INTERPRETE o INTERFACCIA INTERPRETE o INTERFACCIA del S.O. del S.O.

Diverse modalita’ di presentazione o di Diverse modalita’ di presentazione o di INTERAZIONE: INTERAZIONE: a caratterea carattere, , menù drivemenù drive, , graficagrafica

A CARATTERE (testuale - command line)A CARATTERE (testuale - command line): : DOS, UNIX – input con TASTIERADOS, UNIX – input con TASTIERA

GRAFICAGRAFICA (Windows il più diffuso) (Windows il più diffuso) MAC OS – Macintosh – macchine Apple)MAC OS – Macintosh – macchine Apple)

INTERPRETE GRAFICO INTERPRETE GRAFICO (GUI)(GUI) DESKTOP+ICONE+FINESTRE+MOUSE DESKTOP+ICONE+FINESTRE+MOUSE

==INTERFACCIA GRAFICAINTERFACCIA GRAFICA