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FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 1

Architettura di un Sistema di Elaborazione

Hardware e Software:

Prima scomposizione di un "sistema informatico":

• Hardware: componenti fisici del sistema

• Software: i programmi che vengono eseguiti dal sistema

Il confine tra hardware e software in realta‘ non e‘ sempreben definito (v. firmware).

Hardware

Software

Firmware

UTENTE


Modello di Von Neumann Architettura di unelaboratore

Organizzata secondo il modelIo della macchina di vonNeumann definita nei tardi anni ’40 all’Institute for AdvancedStudy di Princeton.

E` costituita da quattro elementi funzionali fondamentali:

• Unità centrale di elaborazione (CPU);• Memoria Centrale;• Periferiche;• Bus di sistema.

Unita’ di elabora-

zione

Memoria centrale

Interfacce verso periferiche

Bus di sistema

Architettura di un elaboratore


• La CPU contiene i dispositivi elettronici in grado di acquisire,interpretare ed eseguire le istruzioni di ogni programma,trasformando i dati. Le istruzioni vengono eseguite in sequenza.Dati ed istruzioni vengono trasferiti da (e verso) la memoriacentrale.

• La memoria centrale contiene sia le istruzioni che i dati(informazioni necessarie per eseguire un programma). Hadimensioni limitate ed e` volatile (cioe` le informazionimemorizzate vengono perse allo spegnimento del computer).

• Le periferiche consentono uno scambio di informazioni fral'elaboratore e l'esterno (ingresso/uscita, memoria secondaria). Inparticolare, la memoria secondaria (o memoria di massa) vieneutilizzata per memorizzare grandi quantita' di informazioni inmodo persistente. Ha dimensioni elevate, ma l’accesso e' menorapido, rispetto alla memoria centrale.

• Il bus di sistema collega questi elementi funzionali.Fornisce il supporto fisico per la trasmissione dei dati tra i varielementi.

2Fondamenti di Informatica – Architettura Calcolatori

Introduzione

Che cos’è un calcolatore? Come funziona un calcolatore?

➔ è possibile rispondere a queste domande in molti modi, ciascuno relativo a un diverso punto di vista

➔ in questo corso, il punto di vista prevalente è quello del calcolatore come macchina programmabile, ovvero in grado di eseguire programmi

Administrator

Evidenziato


Hardware e software

La prima decomposizione di un calcolatore è relativa alle seguenti macro- componenti:hardware➔ la struttura fisica del calcolatore, costituita da

componenti elettronici ed elettromeccanici

software➔ l’insieme dei programmi che consentono all’hardware

di svolgere dei compiti utili➔ il software comprende il software di base (tra cui il

sistema operativo) e il software applicativo


Organizzazione a livelli

Hardware e software sono organizzati a livelli (o strati).

Ogni livello usa i servizi offerti dal livello sottostante.

Un utente agisce usando i servizi del livello software applicativo (web, videogames, programmi di grafica etc)

Le applicazioni a loro volta usano i servizi del software di base (es. sistema operativo)

Il livello software di base, utilizza il livello hardware.

Software applicativo

Software di base

Hardware

Utente

Architettura dei calcolatori8

Macchina di Von Neumann

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

n viene introdotta la macchina di Von Neumann , che è un modello semplificato dei calcolatori moderni l Von Neumann è stato il progettista (intorno al 1950) del

primo calcolatore in cui i programmi potevano essere memorizzati anziché codificati mediante cavi e interruttori

Administrator

Evidenziato

Administrator

Evidenziato

ENIAC girls

US-Army photo


Elementi della macchina di Von Neumann

La macchina di Von Neumann è composta da quattro tipologie di componenti funzionali fondamentali

n unità centrale di elaborazione (CPU) l componente in grado di eseguire istruzioni per

l’elaborazione dei dati l svolge anche funzioni di controllo (ovvero, di

coordinamento) delle altre componenti funzionali

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

n interfacce di ingresso e uscita

l componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore (considerate esterne al calcolatore), che consentono lo scambio di dati tra calcolatore e utente

n bus l svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di

informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali


Vista funzionale di un Calcolatore

AmbienteTrasferimento

Elaborazione

Controllo

Memorizzazione


Componenti di un Calcolatore


Rappresentazione delle Informazioni eMemorizzazione: Unita‘ di misura

I sistemi di elaborazione sono realizzati con tecnologia digitale: leinformazioni sono rappresentate mediante segnali elettrici a 2valori di tensione {Vlow, Vhigh} (oppure {0,1}).

• Per questo motivo, l’unita` logica di memorizzazione (e, ingenerale, di rappresentazione delle informazioni) e` il bit (binary digit):

+un bit e` una grandezza il cui dominio di variazione e`composto dai due valori {0,1}.

• il byte equivale ad 8 bit

Unita` successive:

• potenze in base 2 del byte (con esponente multiplo intero di 10):

Kilobyte 210 byte 1024 byte KBMegabyte 220 byte 1048576 byte MBGigabyte 230 byte ~109 byte GBTerabyte 240 byte ~1012 byte TB


Rappresentazione delle informazioni e dati

Lo scopo fondamentale di un calcolatore è di permettere l’elaborazione di informazioni

n le informazioni sono rappresentate sotto forma di dati n un dato è una informazione elementare

I dati che un calcolatore sa rappresentare ed elaborare direttamente sono molto semplici n i dati vengono rappresentati nel calcolatore mediante delle

codifiche binarie n i tipi di dato in un calcolatore

l numeri interi l numeri razionali l caratteri

l valori di verità (vero/falso) n per essere manipolate da un calcolatore, le informazioni di

interesse devono essere organizzate in termini di questi tipi di dato


Elaborazione

Le istruzioni del linguaggio macchina di un calcolatore corrispondono ad operazioni elementari di manipolazione dei dati

n operazioni aritmetiche l somma, prodotto, ...

n operazioni relazionali

l confronto tra dati n operazioni su caratteri e valori di verità n altre operazioni numeriche

l calcolo di logaritmi e funzioni trigonometriche

Un calcolatore sa dunque svolgere poche tipologie di operazioni n ma le sa eseguire in modo molto efficiente n un calcolatore può eseguire circa 50-100 milioni di istruzioni

del linguaggio macchina al secondo

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


Memorizzazione

Un calcolatore ha la necessità di memorizzare, in modo temporaneo o permanente, i dati per la rappresentazione delle informazioni di interesse

La memoria è l’unità responsabile della memorizzazione dei dati n una unità di memoria è organizzata in celle

l a ciascuna cella è associato un indirizzo, che la identifica l ciascuna cella è in grado di memorizzare un singolo dato

Una unità di memoria fornisce due operazioni n memorizzazione di un dato in una cella (scrittura)

l dato il valore da memorizzare e l’indirizzo della cella, modifica lo stato della memoria

n accesso al dato memorizzato in una cella (lettura) l dato l’indirizzo della cella, restituisce il valore

Nella memoria vengono memorizzati anche i programmi

n viene utilizzata una opportuna codifica delle istruzioni


Trasferimento

Il bus è il componente del calcolatore dedicato al trasferimento dei dati e di informazioni di controllo tra le varie parti del calcolatore n il bus è l’insieme dei collegamenti su cui vengono trasferiti i

dati e i segnali di controllo in un calcolatore

L’idea alla base del bus

n ci sono due modalità per collegare tutte i componenti di un calcolatore (per permettere lo scambio di dati tra i componenti) l collegare ciascun componente con ogni altro componente l collegare tutti i componenti a un unico insieme di linee (il

bus, appunto)

n l’uso del bus favorisce la modularità e l’espandibilità del calcolatore


Controllo

Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall’unità di controllo

n l’unità di controllo è un altro componente dell’unità centrale di elaborazione

n ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall’unità di controllo

L’attività di controllo svolta dall’unità di controllo n avviene in modo sincrono rispetto alla scansione temporale

imposta dall’orologio di sistema (clock)

n è un coordinamento dell’esecuzione temporale delle funzioni che devono essere svolte sia internamente all’unità di elaborazione che negli altri elementi funzionali

Frequenza di clockLa frequenza con cui si eseguono i cicli di esecuzione è scandita dal clock (orologio interno)n ad ogni impulso di clock l’unità di controllo

esegue un ciclo di esecuzionen la velocità di elaborazione di un

microprocessore dipende dalla frequenza del suo clock (300, 400,... MHz) (es.: 300 milioni di cicli al secondo). Attualmente si parla di GHz.

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Unità centrale di elaborazione

L’unità centrale di elaborazione (o processore ) è composta dall’unità di controllo e dall’unità aritmetico-logica

n l’unità centrale di elaborazione controlla l’esecuzione di un programma (memorizzato in memoria centrale sotto forma di una sequenza di istruzioni del linguaggio macchina) eseguendo ordinatamente le istruzioni del programma

L’esecuzione di ciascuna istruzione avviene mediante lo svolgimento delle seguenti tre operazioni di base

n (lettura) fetchl legge dalla memoria la prossima istruzione da eseguire

n (decodifica) decode

l determina il tipo di istruzione che deve essere eseguiton (esecuzione) execute

l richiede lo svolgimento di tutte le azioni necessarie per l’esecuzione dell’istruzione — ciascuna azione viene richiesta al componente opportuno


Periferiche e interfacce di ingresso-uscita

Un calcolatore può essere collegato a diversi dispositivi di ingresso e/o uscita (chiamati periferiche )

n ad esempio, la tastiera, il mouse, lo schermo, le stampanti, il modem

n anche le memorie di massa (ad esempio, le unità disco e il lettore di CD-ROM) sono considerati periferiche

Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte del calcolatore n ogni periferica viene controllata mediante un’opportuna

interfaccia n una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del

calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa

Corso di Fondamenti di Informatica 1 per Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni Corso di Fondamenti di Informatica 1 per Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni Ing. Giancarlo IannizzottoIng. Giancarlo Iannizzotto

1919

Il Bus di Sistema

� Bus di SistemaBus di Sistema: collega tra loro le varie unità funzionali (la CPU, la memoria e le varie interfacce di I/O).

� In ogni istante, il bus collega 2 unità funzionali, (es. CPU e memoria oppure CPU e l’interfaccia di una specifica periferica).

2 � A rchitettura del calcolatore

Administrator

Evidenziato


2020

Il Bus di Sistema

• Il bus è sempre sotto il controllo della CPU che:– seleziona l'interconnessione da attivare– indica l'operazione da compiere

• Le altre unità funzionali (slave) si attivano solo dopo essere state selezionate dalla CPU (master)

2 – Architettura del calcolatore


2121

Il Bus di Sistema

• La durata di un'interconnessione dipende sia dalla velocità di trasmissione del bus, sia dalla velocità dei dispositivi ad esso connessi.

• Le linee del bus vengono suddivise in tre categorie in base al tipo di informazione trasportata:

Il bus di sistema consiste di un bus datibus dati, un

bus indirizzibus indirizzi e un bus controllobus controllo.



Tipi di BusBus dati: utilizzato per trasferire dati (es. fra

memoria e CPU, fra CPU e interfacce di I/O)Bus indirizzi: che identifica la posizione delle

celle di memoria un cui la CPU va a scrivere o leggere

Bus di controllo: in cui transitano i segnali di controllo che consentono di selezionare le unità coinvolte in un trasferimento dati (sorgente e destinazione), di definire la direzione dello scambio (scrittura o lettura)


Architettura di Von Neumann Burks, Goldstein e Von Neumann sono stati i primi a proporre che il codice

del programma potesse essere memorizzato nella stessa memoria dei dati

CPU Memoria

Indirizzi

Dati

Controllo

Memoria indifferenziata per dati o istruzioni Solo l'interpretazione da parte di CPU stabilisce se una data configurazione di

bit è da riguardarsi come un dato o come un'istruzione

Calcolatori elettronici – Architettura e organizzazioneGiacomo Bucci

Copyright © 2009 – The McGraw-Hill Companies srl

John Von Neumann (1903-1957)



Organizzazione

Bus indirizzi: origina dalla CPU e contiene gli indirizzi della cella di memoria da leggere/scrivereBus controlli: comandi della CPU, risposte, indicatori di statoBus Dati

Memoria centrale



Administrator

Evidenziato

Memorie RAM e memorie ROM

o Le memorie RAM (random access memory) n possono essere accedute sia in lettura

che in scritturan sono volatili (i dati memorizzati

vengono persi allo spegnimento del calcolatore)

n sono usate per memorizzare dati e programmi




Memoria centrale

La memoria è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acceduti i dati e i programmi

n la memoria centrale (o principale ) è la memoria che può essere acceduta direttamente dal processore

Una memoria n si compone di celle (o locazioni ) n ogni cella di memoria è in grado di memorizzare una parola

di memoria (ovvero, un sequenza di bit di lunghezza fissata)

n ogni cella è caratterizzata da l un indirizzo , che è un numero che identifica la cella e ne

consente l’accesso l un valore , che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella

n fornisce le operazioni di lettura e scrittura


Struttura di una memoria centrale

La struttura semplificata di una memoria centrale

1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

128 celle di memoria di 16 bit ciascuna

indirizzo della cella

0000000000000001000000100000001100000100000001010000011000000111

0111100001111001011110100111101101111100011111010111111001111111

........

........

........

........

parola letta o da scrivere

bus dati

busindirizzi

cella selezionata

bus dicontrollo

0 1 1 1 1 0 1 0

leggi/scrivi


1717

La Memoria Centrale• E’ volatile; esistono però anche memorie ROM,

PROM, EPROM...• E’ indirizzabile direttamente tramite il registro

indirizzi di memoria (MAR), che si trova nella CPU

• E’ estendibile in relazione al numero di bit dedicati all’indirizzamento

• è copiabile tramite il registro dati di memoria (MDR)



1818

Parametri caratteristici della memoria

• CapacitàCapacità: quantità di informazione che può essere immagazzinata. Si esprime in numero di byte.

• Tempo di accessoTempo di accesso: tempo necessario all' accesso in lettura o in scrittura, misurato dall'istante in cui si richiede di accedere all'unità di informazione all'istante in cui questa è disponibile (centinaia o decine di nanosecondi, 1ns=10E9s)



Caratteristiche delle memorie centrali

Le caratteristiche principali di una memoria centrale n la capacità

l il numero di bit che possono essere memorizzati, misurati in byte (e multipli del byte)

l 1Kbyte indica 210 byte = 1024 bytel 1Mbyte indica 220 byte = 1024 Kbyte = 1 048 576 byte l 1Gbyte indica 230 byte = 1024 Mbyte = 1 073 741 824

byte

n la velocità di accesso l misura la velocità di esecuzione delle operazioni di

lettura/scrittura n la volatilità

l le memorie RAM (random access memory) possono essere sia lette che scritte, ma i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore

l le memorie ROM (read only memory) possono essere solo lette, in cui i dati sono memorizzati in modo permanente


Dispositivi fisici utilizzati per la memoriacentrale

• RAM: Random A ccess M emory (ad accesso casuale): su di essa si possono svolgere operazioni sia di lettura che di scrittura.

• ROM: Read O nly M emory (a sola lettura): non volatili e non scrivibili; in esse vengono contenuti i dati e programmi perinizializzare il sistema.

• PROM: Programmable R OM. Si possono scrivere soltanto una volta, mediante particolari apparecchi (detti programmatori diROM).

• EPROM = Erasable-programmable ROM (si cancellanosottoponendole a raggi ultravioletti).

+ Firmware : e‘ costituito dal software memorizzato nelle ROM(codice microprogrammato).


L’Unità Centrale di Elaborazione (CPU)

Administrator

Evidenziato


Caratteristiche dei microprocessori

Le caratteristiche principali di un microprocessore n repertorio di istruzioni

l le istruzioni del linguaggio macchina del processore

n velocità (misurata come frequenza del clock) l la frequenza del clock misura la durata del ciclo macchina,

che è l’unità di tempo all’interno del processore l va osservato che l’esecuzione di ciascuna istruzione

richiede solitamente più cicli macchina

n ampiezza del bus l numero di bit nel bus interno del processore

n co-processore

l i moderni processori sono integrati a co-processori specializzati (ad esempio, il co-processore matematico)

n cache l una memoria veloce locale al processore, che consente

un’accelerazione nell’esecuzione dei programmi


Elementi di una CPU Unità di controllo

Legge le istruzioni dalla memoria e ne determina il tipo

Unità aritmetico-logicaEsegue le operazioni necessarie per eseguire le istruzioni

RegistriMemoria ad alta velocità usata per risultati temporaneiDetermina il parallelismo della CPUEsistono registri generici e registri specifici

Program Counter (PC) Instruction Register (IR)…


Struttura di una unità centrale di elaborazione

La struttura semplificata di una unità centrale di elaborazione e dei suoi collegamenti con le altre unità funzionali

unità di controlloPC

IR PSW

MAR

MDR

registro

registro

...

registro

ALU

unità centrale di elaborazione

memoriacentrale

o

periferiche

scrivileggi

buscontrollo

busdati

busindirizzi

operazione

esegui

stato


Registri

L’unità centrale di elaborazione contiene un numero limitato di celle di memoria (chiamate registri ) con scopi specifici

n registro contatore delle istruzioni (PC, program counter)l indirizzo della prossima istruzione da eseguire

n registro delle istruzioni (IR, instruction register)

l l’istruzione che deve essere eseguita (codificata) n registro di indirizzamento della memoria (MAR)

l indirizzo della cella di memoria che deve essere acceduta o memorizzata

n registro dati di memoria (MDR) l dato che è stato acceduto o che deve essere memorizzato

n parola di stato del processore (PSW)

l contiene informazioni, opportunamente codificate, circa l’esito dell’ultima istruzione che è stata eseguita

n altri registri, utilizzati ad esempio per la memorizzazione degli operandi e del risultato di una operazione


Tre Tipologie di Istruzioni Istruzioni Aritmetico Logiche (Elaborazione dati)

Somma, sottrazione, divisione, …And, Or, Xor, …Maggiore, minore, uguale, maggiore uguale, …

Controllo del flusso delle istruzioniSequenzaSelezioneCiclo a condizione iniziale, a condizione finale, …

Trasferimento di informazioneTrasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoriaTrasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di I/O


Struttura del “data path”

A+B

A B

B

A

A+B

ALU

Registri Registri di ingressoall’ALU

Registro di uscitadell’ALU

Bus di ingressoall’ALU


Esecuzione delle Istruzioni Ciclo Fetch-Decode-Execute

Prendi l’istruzione corrente dalla memoria e mettila nel registro istruzioni (IR) [Fetch]

Incrementa il program counter (PC) in modo che contenga l’indirizzo dell’istruzione successiva

Determina il tipo dell’istruzione corrente [Decodifica] Se l’istruzione usa una parola in memoria determina

dove si trova Carica la parola, se necessario, in un registro della

CPU Esegui l’istruzione [Execute] Torna al punto 1.


Esempio: Somma di due registri

Memoriacentrale

operiferiche

PC

IR PSW

Unità di controllo

RegistroRegistro

...Registro

MDR

MAR

ALU

stat

o

Ese

gui

Ope

razi

one

Unità centrale

LeggiScrivi

Bus Controllo

Indirizzo

Dato

Bus Indirizzi

Bus Dati

Fase di Fetch (1 di 2)


Esempio: Somma di due registri

Memoriacentrale

operiferiche

PC

IR PSW

Unità di controllo

RegistroRegistro

...Registro

MDR

MAR

ALU

stat

o

Ese

gui

Ope

razi

one

Unità centrale

LeggiScrivi

Bus Controllo

Indirizzo

Dato

Bus Indirizzi

Bus Dati

Fase di Fetch (2 di 2)


Esempio: Somma tra due registri

Memoriacentrale

operiferiche

PC

IR PSW

Unità di controllo

RegistroRegistro

...Registro

MDR

MAR

ALU

stat

o

Ese

gui

Ope

razi

one

Unità centrale

LeggiScrivi

Bus Controllo

Indirizzo

Dato

Bus Indirizzi

Bus Dati

Decodifica


Esempio: Somma tra due registri

Memoriacentrale

operiferiche

PC

IR PSW

Unità di controllo

RegistroRegistro

...Registro

MDR

MAR

ALU

stat

o

Ese

gui

Ope

razi

one

Unità centrale

LeggiScrivi

Bus Controllo

Indirizzo

Dato

Bus Indirizzi

Bus Dati

Esecuzione



La codifica delle istruzioni

(Linguaggio assemblativo) LD R1, Var ; (forma compatta) R1 � M[Var]

ADD Rd, Rs1, Rs2 ; Rd � Rs1 + Rs2




Rappresentazione binariaCodice operativo su 6 bit: LD -> 100011Id. Registro su 5 bit: R1 -> 00001Indirizzo di memoria su 21 bit -> 0 0000 0000 0011 1111 1100

LD R1, Var -> 10 0011 0 0001 0 0000 0000 0011 1111 1100




Rappresentazione binaria di ADD R7, R10, R3Codice operativo su 6 bit: ADD -> 000101Id. Registro su 5 bit: R7 -> 00111, R10 -> 01010, R3 -> 00011I restanti 11 bit sono inutilizzati

ADD R7, R10, R3 -> 00 0101 0 1010 0 0011 0 0111 xxxxxxxxxxx



Sequenze di istruzioni in memoria

Lo statement a = b + c si traduce come:LD R2, B ;B indirizzo a cui è allocata la parola bLD R3, C ;C indirizzo a cui è allocata la parola cADD R1, R2, R3ST A, R1 ;A indirizzo a cui è allocata la parola a



La CPU

UC: responsabile dell’esecuzione delle istruzioni:- Legge le istruzioni dalla memoria- interpreta il OP e lo trasforma in sequenze temporizzate di comandi alla OU e/o alla memoria / dispositivi di I/O



La CPU

OU: esegue le manipolazioni dell’informazione:- Legge i dati dalla memoria usando registri locali- esegue i comandi della UC sui dati acquisiti attraverso la ALU (rete che esegue operazioni logiche e aritmetiche)- fornisce alla UC informazioni intermedie della elaborazione (condizioni)- produce dati in uscita (memoria – I/O)



La CPUIl funzionamento della CPU èscandito dal clock.



La CPUMacrofasi del processo di elaborazione di una istruzione

Fetch: -viene letta l’istruzione contenuta nella cella indirizzata dal PC (registro Program Counter)-Viene decodificata l’istruzione per pilotare la sua esecuzione

Execute:- Viene eseguita l’istruzione



La CPUMacrofasi del processo di elaborazione di una istruzione

Es. I (LD, R2, B)

a)La UC comanda la lettura della istruzione (parola) presente nell’indirizzo di Memoria contenuto nel PC (registro della CPU che contiene l’indirizzo (puntatore)

dell’istruzione successiva da eseguire).a)In base al OP (LD) la UC pilota la OU alla lettura della parola nell’indirizzo Bin memoria; la OU riceve il dato e lo memorizza nel suo registro R2b)Il PC viene incrementato di 4 per puntare alla instruzione successiva.



PC (Program Counter)

ALU (Arithmetic and Logic Unit): rete combinatoria

IR (Instruction Register) usato per contenere l’istruzione in corso di esecuzioneviene caricato nella fase di fetch e rappresenta l’ingresso che detrmina la azioni svolte nella fase di esecuzione.

General Purpose Registers R1, R2, .. , Rn impiegati per contenere i dati su cui l’ALU esegue le proprie operazioni

MAR (Memory Address Register) deputato a contenere l’indirizzo della locazionedi memoria da leggere o scrivere. La sua uscita è sul bus indirizzi e viene abilitata durante le operazioni di lettura/scrittura

DTR (Data Transfer Register) registro attraverso il quale viene scambiata l’informazione fra la memoria e la CPU

Parti componenti la CPU

Frequenza di clockLa frequenza con cui si eseguono i cicli di esecuzione è scandita dal clock (orologio interno)n ad ogni impulso di clock l’unità di controllo

esegue un ciclo di esecuzionen la velocità di elaborazione di un

microprocessore dipende dalla frequenza del suo clock (300, 400,... MHz) (es.: 300 milioni di cicli al secondo). Attualmente si parla di GHz.





Periferiche e interfacce di ingresso-uscita

Un calcolatore può essere collegato a diversi dispositivi di ingresso e/o uscita (chiamati periferiche )

n ad esempio, la tastiera, il mouse, lo schermo, le stampanti, il modem

n anche le memorie di massa (ad esempio, le unità disco e il lettore di CD- ROM) sono considerati periferiche

Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte del calcolatore n ogni periferica viene controllata mediante un’opportuna

interfaccian una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del

calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa

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Evidenziato


Memorie secondarie

Una memoria secondaria ha le seguenti caratteristiche fondamentali, che la differenziano dalla memoria centrale

n non volatilità l i dati memorizzati non vengono persi allo spegnimento del

calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica e non elettronica)

n grande capacità

l una unità di memoria secondaria ha capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale

n bassi costi l il costo per bit di una memoria secondaria è minore (di

diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale


Memorie secondarie

Altre caratteristiche delle memorie secondarie rispetto alle memorie centrali

n minore velocità di accesso l i tempi di accesso a una memoria secondaria sono

maggiori (di qualche ordine di grandezza) rispetto alla memoria principale

n i dati di una memoria secondaria per essere acceduti dal processore devono comunque transitare nella memoria centrale

In pratica

n la memoria secondaria memorizza tutti i programmi e di dati del calcolatore

n la memoria centrale memorizza i programmi in esecuzione e i dati necessari per la loro esecuzione


Dischi magnetici

Un disco magnetico (disco fisso) è composto da uno o più piatti di alluminio rotanti ricoperti di materiale magnetico e da testine

n una testina permette la scrittura e lettura di bit su un disco, memorizzati sotto forma di stati di polarizzazione (positiva e negativa)

In un disco magnetico n ciascun piatto è composto da due superfici (facce) n ciascuna faccia è suddivisa in tracce (circolari) e settori (a

spicchio)

l un cilindro è l’insieme delle tracce in una data posizione radiale

n i settori sono le unità logiche di memorizzazione l la capacità di un settore è tipicamente di 512 byte

n l’indirizzo di un settore è dato dalle seguenti informazioni l cilindro, superficie, settore


Dischi magnetici

Esempio di organizzazione fisica di un disco magnetico


Memoria secondaria (o di massa)

La memoria secondaria si basa su dispositivi per lamemorizzazione di grandi masse di dati.

I dati memorizzati in questo tipo di memoria sopravvivonoall’esecuzione dei programmi (persistenti ).

La capacità (dimensione della memoria) varia molto dadispositivo a dispositivo: dalle decine di mega-byte (106 byte) aigiga-byte (109 byte) o tera-byte (1012 byte).

Anche la velocità di accesso/trasferimento varia da dispositivo adispositivo (comunque molto superiore a quella della memoriacentrale).

Taccesso(memoria centrale) ≅ 100 nsec

Taccesso(dischi magnetici) ≅ 10-20 msec

Taccesso (dischetti) ≅ 100 msec

(1 msec = 10-3 sec; 1 nsec = 10-9 sec)


Dispositivi di memoria di massa

Due classi fondamentali in base al metodo di accesso consentito:

1. ad accesso sequenziale (ad esempio, nastri): per cercare undato è necessario accedere a tutti quelli che lo precedono suldispositivo;

2. ad accesso diretto ai dati (ad esempio, dischi). E` possibileaccedere direttamente a qualunque dato memorizzato, grazieall’indirizzamento di porzioni (blocchi) del dispositivo.

Nel caso di dispositivi magnetici (nastri o dischi) l’informazione èpresente in memoria come stato di polarizzazione magnetica,che può essere positivo o negativo (codifica binaria).


Dischi magnetici

Settore

traccia 0

traccia 100

traccia 200

Un disco e‘ costituito da un certo numero di piatti di materialemagnetizzabile con due superfici che ruotano attorno ad un pernocentrale.

Ciascuna superficie ha una serie di cerchi concentrici o tracce eviene suddivisa in spicchi di ugual grandezza chiamati settori. Tuttele tracce equidistanti dal centro formano un cilindro.

La testina si sposta longitudinalmente lungo le tracce. I dati sonoscritti occupando posizioni successive lungo le tracce.Corrispondono ad uno stato di polarizzazione (positiva o negativa)del materiale magnetizzabile che costituisce i dischi.

Ogni blocco di ingresso/uscita è selezionabile mediante la terna<superficie, traccia, settore> (indirizzo).

Funzionamento

RAMHARD DISK

programma

programma

copia il programma in RAM

esegui le istruzioni del programma

CPU




Dispositivi di input/output (I/O, PERIFERICHE)

oTerminali. Tastiera + Video:n risoluzione, dimensione in pollici,…

oStampanti:n ad aghi, a getto, d’inchiostro, laser,…

oModem: per collegarsi in rete oScanner: per digitalizzare le immagini




Dispositivi di Input

TastieraMouse

Joystick

trackball Touch pad

Penna otticaScanner

Webcam

Fotocam. Dig.

Microfono

Schermi touch screen

Tavoletta grafica




Dispositivi di Output

Monitor

Cuffie

Plotter

Stampante

Casse acustiche Videoproiettore





Personal Computer

• Memoria di massa generalmente composta da disco rigido (harddisk) fisso e dischetti (floppy disk) estraibili.

• L'informazione nella memoria di massa e' organizzata in archivi(o file) caratterizzati da un nome.

• Varie classi di PC in base al tipo di processore (Intel, Macintosh,etc.)


Personal Computer

“IBM-compatibili”:hanno processori della famiglia Intel 80x86 :

8086 80286 80386 80486 80586 (pentium) ... prestazioni

• le prestazioni sono influenzate anche da altri parametri :- frequenza del clock- dimensione RAM- velocita` del BUS- ...

• unita` di misura delle prestazioni:

MIPS (migliaia di istruzioni per secondo)

Mflops (migliaia di operazioni floating point per secondo)


Altri sistemi di calcolo

Workstation:

sistemi generalmente dedicati ad un utente, ma con capacita‘ disupportare piu‘ attivita‘ contemporanee. Prestazioni piu‘ elevatedei PC.

Mini-calcolatori: Macchine capaci di servire decine di utenticontemporaneamente, collegati tramite terminali.

Super-calcolatori:

Hanno molti processori e grandi memorie di massa (centinaia omigliaia di terminali)

+ Possibilita‘ di connettere vari calcolatori di tipo anche diversomediante una rete di interconnessione (Sistemi Distribuiti).


Reti locali:

collegano elaboratori fisicamente vicini (nello stesso ufficio ostabilimento). L’obiettivo e` la condivisione di risorse:

Stampante di qualita‘

Stampante ad aghi

Workstation Workstation Workstation Workstation Workstation

Disk server

Bus di rete

Reti geografiche:

collegano elaboratori distribuiti su un’area geografica didimensioni estese (anche intercontinentali).

HostHost

Host

Rete geografica

Rete locale

terminali remoti

mini

PC

printer

Linea telefonica

Evoluzione e complessità' sia dell'hardware che del software(protocolli di collegamento).

Architettura di un Sistema di Elaborazione - brescianet.com · FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA...

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