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Componenti hardware di un computer

Appunti rielaborati dal sito : http://it.kioskea.net/contents/hardware/ ed altri - 1 -


La macchina di Von Neumann pag. 2

Componenti fondamentali pag. 2

Bus di sistema pag. 3

Costituzione del computer pag. 6

Scheda madre pag. 8

Il chipset pag. 9

L’orologio e la pila pag. 10

Il Bios pag. 11

Il supporto per il processore pag. 11

I connettori per la memoria centrale pag. 14

I connettori di estensione pag. 15

I connettori di entrata/uscita pag. 19

Memoria pag. 23

Funzione della memoria pag. 23

Caratteristiche tecniche pag. 23

Tipi di memoria pag. 23

Struttura della memoria centrale pag. 24

Microprocessore pag. 25

Struttura dell’unità centrale di elaborazione pag. 26

Funzionamento dell’unità centrale di elaborazione pag. 26

Ciclo di esecuzione di un’istruzione pag. 27

Caratteristiche dei processori pag. 28

Memoria cache pag. 28

Funzionamento della CPU pag. 29

La memoria ROM pag. 30

BIOS pag. 31

Il POST pag. 31



La macchina di Von Neumann (http://www.dsi.unifi.it/users/marino/Meccanica/slides/06-Architettura.pdf)

L’architettura della maggior parte dei Calcolatori è organizzata secondo il modello della cosiddetta Macchina di Von Neumann.

John Von Neumann è stato il ricercatore americano che, sollecitato dall’esercito americano durante il corso della seconda guerra mondiale, dedicò i suoi studi alla realizzazione dei primi Calcolatori Elettronici. Grazie ai suoi studi Von Neumann nel 1946 realizzò ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). ENIAC era in grado di effettuare 300 moltiplicazioni al secondo, ed occupava una stanza lunga più di 30 metri.

I componenti fondamentali

• L’Unità di Elaborazione (CPU, Central Processing Unit): contiene i dispositivi elettronici in grado di acquisire, interpretare ed eseguire le istruzioni di un Programma.

• La Memoria Centrale: è il dispositivo dove si trovano le informazioni necessarie all’esecuzione di un Programma, ossia istruzioni e dati.

• Dispositivi di Input/Output o Periferiche: permettono di trasferire informazioni tra memoria centrale e/o CPU e l’ambiente esterno (es. schermo, tastiera, memoria di massa).

• Bus di sistema: opera il collegamento tra i vari componenti

CPU



(schema prelevato da : http://www.ing.unitn.it/~dandrea/materiale/2001-09-24.pdf)

Bus di sistema

(http://si.deis.unical.it/~garro/lectures/Aggiuntivo/3_Lezione_Architettura.pdf)

Il BUS è il componente del calcolatore dedicato al trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo tra le varie parti del calcolatore.

Il BUS è l’insieme dei collegamenti su cui vengono trasferiti i dati e i segnali di controllo. L’idea alla base del BUS è la seguente:

• nel calcolatore è necessario collegare tutti i componenti tra di loro (per permettere lo scambio di dati tra componenti)

• ci sono due modalità per collegare un insieme di componenti collegare ciascun componente con ogni altro componente collegare tutti i componenti a un unico insieme di linee (il BUS, appunto)

Il Bus di sistema interconnette la CPU, la memorie e le interfacce verso dispositivi periferici (I/O, memoria di massa, etc.). Collega due unità funzionali alla volta: una trasmette e l’altra riceve. Il trasferimento dei dati avviene sotto il controllo della CPU.



Su questo supporto (spesso costituito da più linee) viaggiano dati, indirizzi e comandi. Si distinguono spesso tali linee in:

Bus dati (data bus): bidirezionale. Serve per trasmettere dati dalla memoria al registro dati MDR (vedi paragrafo : Struttura di una unità centrale di elaborazione) o viceversa.

Bus indirizzi (address bus): unidirezionale. Serve per trasmettere il contenuto del registro indirizzi MAR (vedi paragrafo : : Struttura di una unità centrale di elaborazione) alla memoria. Viene selezionata una specifica cella per successive operazioni di lettura o scrittura.

Bus comandi (command bus): unidirezionale. Serve per inviare comandi verso la memoria (es: lettura o scrittura) o verso una periferica (es. “stampa” verso la stampante).



(modello prelevato da : http://www.antoniosantoro.com/schede%20a%20microprocessore.pdf)



Costituzione del computer (http://it.kioskea.net/contents/pc/pc.php3)

Un computer è un insieme di componenti elettronici modulari, cioè dei componenti che possono essere sostituiti da altri con eventualmente delle caratteristiche differenti, capaci di far funzionare dei programmi informatici.

Si parla quindi di « hardware » per designare l'insieme degli elementi hardware del computer e di « software » per designare la parte relativa ai programmi.

Le componenti hardware del computer sono architettate intorno ad una scheda principale che prevede alcuni circuiti integrati e molti componenti elettronici come i condensatori, le resistenze, ecc. Tutti questi componenti sono saldati sulla scheda e sono collegati dalle connessioni del circuito stampato e da un gran numero di connettori: questa scheda è detta scheda madre.

La scheda madre si trova in un case che prevede delle postazioni per le periferiche di stoccaggio nella parte anteriore, nonché dei tasti che permettono di controllare la messa in tensione del computer e un certo numero di VISUALIZZATORI che permettono di verificare lo stato di funzionamento dell'apparecchiatura e l'attività dei dischi rigidi. Nella parte posteriore, il case prevede delle aperture al livello delle schede di estensione e delle interfacce di entrata-uscita connesse alla scheda madre.

Infine, il case ospita un blocco di alimentazione elettrica (detto comunemente alimentazione), incaricato di fornire una corrente elettrica stabile e continua a tutti gli elementi che costituiscono il computer. L'alimentazione serve quindi a convertire la corrente alternativa della rete elettrica (220 o 110 Volts) in tensione continua di 5 Volts per i componenti del computer e a 12 Volts per alcune periferiche interne (dischi, lettori CD-ROM,...). Il blocco d'alimentazione è caratterizzato dalla sua potenza, che condiziona il numero di periferiche che il computer è capace di alimentare. La potenza del blocco d'alimentazione è generalmente compreso tra 200 e 450 Watts.

Case



Alimentatore

Viene detta « unità centrale », l'insieme composto dal case e dagli elementi in esso contenuti. Gli elementi esterni all'unità centrale sono detti periferiche.

L'unità centrale deve essere connessa ad un insieme di periferiche esterne. Un computer è generalmente composto almeno da un'unità centrale, da uno schermo (monitor), da una tastiera e da un mouse, ma è possibile connettere molte periferiche diverse sulle interfacce di entrata-uscita (porte seriali, porte parallele, porte USB, ecc.) : stampante, scanner, scheda audio esterna, disco rigido esterno, macchina fotografica o videocamera digitale, ecc.

Interno di un case con localizzazione della batteria del BIOS



Scheda madre (http://it.kioskea.net/contents/pc/carte-mere.php3)

L'elemento costitutivo principale del computer è la scheda madre (in inglese

« mainboard » o « motherboard », talvolta abbreviato in « MB »). La scheda madre è la base che permette la connessione di tutti gli elementi essenziali del computer.

Come indicato dal suo nome, la scheda madre è una scheda master, a forma di un grande circuito stampato che ha soprattutto dei connettori per le schede d'estensione, le barrette di memoria, i processori, ecc.

La scheda madre contiene un certo numero di elementi integrati nel suo circuito stampato :

Il chipset, circuito che controlla la maggior parte delle risorse (interfaccia del bus del processore, memoria cache e memoria centrale, slot d'estensione,…),

L' orologio e la pila del CMOS, Il BIOS,

Il bus di sistema e i bus d'estensione.



Inoltre, le schede madri recenti comprendono generalmente un certo numero di periferiche multimediali e di rete che possono essere disattivate :

scheda di rete integrata;

scheda grafica integrata;

scheda suono integrata;

controllori di dischi rigidi evoluti.

(immagine prelevata da: http://www.dmi.unict.it/~santoro/teaching/informatica/slides/Lezione02.pdf ) Il chipset

Il chipset è un circuito elettronico incaricato di coordinare gli scambi di dati tra i diversi componenti del computer (processore, memoria,…). Quando il chipset è integrato alla scheda madre, è importante scegliere una scheda madre che integri un chipset recente per massimizzare le possibilità evolutive del computer.

Alcuni chipset integrano talvolta un chip grafico o un chip audio, il che significa che non è necessario installare una scheda grafica o una scheda audio. E' tuttavia talvolta consigliato disattivarli (quando possibile) nel setup del BIOS e di installare delle schede d'estensione di qualità nelle postazioni per questo previste.

Chipset



Chipset della scheda madre

(immagine prelevata da: http://salvo.scuole.bo.it/merenda/computer/computer.htm)

L’orologio e la pila

L'orologio in tempo reale (sigla RTC, per Real Time Clock) è un circuito incaricato della sincronizzazione dei segnali del sistema. E' costituito da un cristallo che, vibrando, manda degli impulsi (chiamati top d'orologio) per cadenzare il sistema. Si dice frequenza dell'orologio (espressa in MHz) il numero di vibrazioni del cristallo al secondo, cioè il numero di top d'orologio emessi al secondo. Più la frequenza è elevata, più il sistema può trarre delle informazioni.

Quando un computer è messo fuori tensione, l'alimentazione cessa di fornire corrente alla scheda madre. Ora, quando il computer è ricollegato, il sistema è sempre in orario. Un circuito elettronico, chiamato CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semiconductor, talvolta detto BIOS CMOS), conserva in effetti alcune informazioni sul sistema, come l'orario, la data del sistema e qualche parametro essenziale del sistema.

Il CMOS è continuamente alimentato da una batteria posta sulla scheda madre. Così, le informazioni sull'hardware installato nel computer (come ad esempio il numero di piste, di settori di ogni disco rigido) sono conservate nel CMOS.

Batteria al litio 3 volt per BIOS



Il BIOS

Il BIOS (Basic Input/Output System) è il programma di base che serve da interfaccia tra il sistema operativo e la scheda madre. Il BIOS è memorizzato in una ROM (una memoria in sola lettura), così utilizza i dati contenuti nel CMOS per conoscere la configurazione hardware del sistema.

E' possibile configurare il BIOS grazie ad un'interfaccia (chiamata BIOS setup, tradotto configurazione del BIOS) accessibile all'avvio del computer con la semplice pressione di un tasto (generalmente il tasto Canc. In realtà il setup del BIOS serve unicamente da interfaccia per la configurazione, i dati sono memorizzati nel CMOS).

Il supporto per il processore

Il processore (detto anche microprocessore) è il cervello del computer. Esegue le istruzioni dei programmi grazie ad un set di istruzioni. Il processore è caratterizzato dalla sua frequenza, cioè la cadenza a cui eseguisce le istruzioni. Quindi, un processore cadenzato a 800 Mhz effettuerà più o meno 800 milioni di operazioni al secondo.

La scheda madre ha una postazione (a volte molteplici nei casi di schede madri multi-processori) per il processore, detta supporto del processore. Si distinguono due categorie di supporti:

Slot si tratta di un connettore rettangolare in cui si inserisce il processore verticale

Socket si tratta di un connettore quadrato che ha un gran numero di piccoli connettori sui quali il processore si inserisce direttamente

Il sito nel quale viene alloggiata la CPU è detto socket. In questo alloggiamento vengono inseriti i piedini di input/output del processore stesso. Pertanto per ogni CPU è necessaria una scheda madre che lo supporti, quindi anche con un socket in grado si comunicare con essa. Ecco una breve lista dei socket e dei rispettivi processori supportati:

2 - 80486 3 - 80486 (100 o superiore) 4 - Pentium 66 5 - Pentium da 75 a 133 6 - Pentium 90/100 7 - Pentium (120 o superiore) 8 - Pentium Pro

Slot1 - Pentium2

(immagine prelevata da : http://www.tutorialpc.it/hardware3.asp )



La prima scheda in questione è una motherboard biprocessore con due slot1. La seconda è una scheda con socket 7.

Connettore socket

I sistemi attualmente in uso sono dotati di processore Intel o AMD.

In questi modelli il processore non è saldato in modo permanente sulla piastra madre (come avveniva una volta) ma viene alloggiato su particolari connettori che per i Pentium tradizionali (e per gli altri processori, quelli prodotti dalla concorrenza, quali AMD) viene chiamato Socket.

La piastra madre è infatti progettata per supportare vari tipi di CPU a velocità differenti.

In questo modo è più facile aggiornare un PC, sostituendo un processore installato con un altro più veloce e recente.

Dato che il processore diffonde calore, è necessario dissipare quest'ultimo per evitare che i circuiti fondano. È la ragione per cui esso è generalmente sormontato da un dissipatore termico (detto anche raffreddatore o radiatore), composto da un metallo con una buona conduzione termica (rame o alluminio), incaricato di aumentare la superficie di scambio termico del microprocessore. Il dissipatore termico comporta una base in contatto con il processore e delle alette per aumentare la superficie di scambio termico.



(immagine tratta da : http://salvo.scuole.bo.it/merenda/computer/computer.htm )

Slot1 per processori Pentium II, Pentium III, Celeron

Slot1 con microprocessore



Processore Intel Pentium III coperto dalle ventole di dissipazione del calore

(immagine tratta da : http://salvo.scuole.bo.it/merenda/computer/computer.htm )

I connettori per la memoria centrale La memoria centrale (RAM per Random Access Memory) permette di conservare delle

informazioni durante il funzionamento del computer, invece il suo contenuto è distrutto non appena il computer viene spento o acceso, contrariamente ad una memoria di massa come quella del disco rigido, capace di mantenere le informazioni anche se fuori tensione. Si parla di « volatilità » per designare questo fenomeno.

Allora perché utilizzare della memoria elettronica quando i dischi rigidi sono meno cari a capacità uguale? La risposta è che la memoria elettronica è estremamente rapida rispetto alle periferiche di massa come il disco rigido. Essa ha in effetti un tempo di risposta di qualche dozzina di nanosecondi (circa 70 per la DRAM, 60 per la RAM EDO, e 10 per la SDRAM fino a 6 ns sulla SDRam DDR) contro alcuni millesecondi per il disco rigido.

La memoria RAM si presenta sotto forma di barrette che si collegano a dei connettori della scheda madre.

Connettori per moduli RAM

memoria RAM



I connettori di estensione

I connettori di estensione (in inglese slot) sono dei ricettori nei quali è possibile inserire delle schede di estensione, cioè delle schede che offrono delle nuove funzionalità o delle migliori performance al computer. Esistono differenti tipi di connettori :

Connettore ISA (Industry Standard Architecture): che permettono di connettere delle schede ISA, le più lenti funzionanti a 16 bit

Connettore VLB (Vesa Local Bus): Bus che serve anche a connettere delle schede grafiche

Connettore PCI (Peripheral Component InterConnect): che permette di connettere delle schede PCI, molto più rapido che le schede ISA e funzionante a 32 bit

Connettore AGP (Accelerated Graphic Port): un connettore rapido per scheda grafica Connettore PCI Express (Peripheral Component InterConnect Exress): architettura di

bus più rapida rispetto ai bus AGP e PCI.

Connettori ISA

Gli slot per inserimento schede espansione

(immagine tratta da : http://salvo.scuole.bo.it/merenda/computer/computer.htm)



Scheda audio ISA Scheda di rete ISA

Connettori PCI

Connettori PCI



Scheda PCI video analogica/digitale

Scheda di rete PCI



Scheda video PCI

Scheda video PCI



(immagine tratta da : http://salvo.scuole.bo.it/merenda/computer/computer.htm)

I connettori di entrata/uscita

La scheda madre ha un certo numero di connettori d'entrata-uscita raggruppati sul « pannello posteriore ».

La maggior parte delle schede madri propongono i seguenti connettori :

Porta seriale, che permette di connettere delle periferiche vecchie; Porta parallela, che permette soprattutto di connettere delle vecchie stampanti; Porte USB che permettono di connettere delle periferiche più recenti; Connettore RJ45 (detti LAN o porta ethernet) che permette di connettere il computer

ad una rete. Esso corrisponde ad una integrata alla scheda madre; Connettore VGA (detto SUB-D15), che permette di connettere uno schermo. Questo

connettore corrisponde alla scheda grafica integrata; Prese audio (entrata Line-in, uscita Line-Out e microfono), che permette di connettere

delle casse acustiche o uno stereo hi fi, nonché un microfono. Questo connettore corrisponde alla scheda suono integrata;



Connettori entrata-uscita

La porta parallele è quella di color rosso. Gli altri connettori sono la porta joystick e midi (giallo), le due porte seriali a 9 pin, i tre connettori circolari audio (in basso sulla destra), i due connettori USB (sulla sinistra, uno è in parte nascosto) e i due connettori per la tastiera e il mouse (verdi e viola, con i cavi collegati).



Scheda madre

Scheda madre



Scheda madre di un PC di classe Pentium

(immagine prelevata da : http://bias.csr.unibo.it/maltoni/arc/Dispense/Disp_ArchitetturaDelCalcolatore.pdf )



Memoria (http://it.kioskea.net/contents/pc/memoire.php3)

Funzione della memoria

Viene detta « memoria » qualsiasi componente elettronico capace di conservare temporaneamente o permanentemente dei dati. Si distinguono quindi due grandi categorie di memoria :

la memoria centrale (detta anche memoria interna) che permette di memorizzare temporaneamente i dati durante l'esecuzione dei programmi. La memoria centrale è realizzata attraverso dei micro-conduttori, cioè dei circuiti elettronici specializzati rapidi.

la memoria di massa (detta anche memoria hardware o memoria esterna) che

permette di conservare delle informazioni a lungo termine, anche quando il computer viene spento. La memoria di massa corrisponde ai dispositivi magnetici, come il disco rigido, ai dispositivi ottici, come ad esempio i CD-ROM o i DVD-ROM.

Caratteristiche tecniche

Le principali caratteristiche di una memoria sono le seguenti :

La capacità, che rappresenta il numero di bit che possono essere memorizzati, misurata in byte e multipli del byte :

– Kilobyte (Kb) = 210 byte = 1024 byte – Megabyte (Mb) = 220 byte = 1048576 byte – Gigabyte (Gb) = 230 byte = 1073741824 byte;

Il tempo di accesso, che corrisponde all'intervallo di tempo tra la richiesta di

lettura/scrittura e la disponibilità del dato; Il tempo di ciclo, che rappresenta l'intervallo di tempo minimo tra due accessi

successivi; La volatilità, le memorie RAM (random access memory) possono essere sia lette che

scritte ma i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore, le memorie ROM (read only memory )permettono solo la lettura dei dati che vi sono memorizzati in modo permanente.

Tipi di memoria

La memoria RAM (Random Access Memory, tradotto memoria ad accesso diretto), è la memoria principale del sistema, si tratta cioè di uno spazio che permette di conservare in modo temporaneo dei dati durante l'esecuzione di un programma.

In effetti, contrariamente alla conservazione di dati su una memoria di massa come il disco rigido, la memoria RAM è volatile, cioè permette unicamente di memorizzare dei dati



solamente quando è alimentata elettricamente. Così, ogni volta che si spegne il computer, tutti i dati presenti in memoria sono cancellati.

La memoria ROM per Read Only Memory (tradotto memoria in sola lettura) è un tipo di memoria che permette di conservare le informazioni che vi sono contenute anche quando la memoria non è più alimentata elettricamente. Solitamente si ha accesso a questo tipo di memoria in sola lettura.

Struttura della memoria centrale (http://www.arturu.it/v/computer/hw/?id=memcen)

La memoria è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acquisiti i dati e i programmi, la memoria centrale o principale è la memoria che può essere acquisita direttamente dal processore.

Una memoria è composta da celle o locazioni di memoria; ogni cella di memoria è in grado di memorizzare una parola di memoria, ovvero, una sequenza di bit di lunghezza fissata; ogni cella è caratterizzata da:

1) un indirizzo, che è un numero che identifica la cella e ne consente l'accesso; 2) un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella.

Una memoria fornisce operazioni di lettura e scrittura.

Struttura semplificata di una memoria centrale.



Microprocessore (http://www.arturu.it/v/computer/hw/?id=microprocessore)

L'unità centrale di elaborazione è solitamente realizzata fisicamente sotto forma di microprocessore, i microprocessori sono dispositivi elettronici estremamente complessi, ad esempio, un microprocessore Intel Pentium III è composto da circa 18 milioni di transistor, mentre un processore Intel Pentium IV ne contiene circa 42 milioni.

Microprocessori



Struttura dell’ unità centrale di elaborazione

Un processore di divide in molti componenti, ma le più importanti sono, l'unità di controllo, l'unità aritmetico-logica (ALU), e i registri.

L'unità centrale di elaborazione contiene un numero limitato di celle di memoria, chiamate registri, con scopi specifici:

1) registro delle istruzioni: PC (program counter) indirizzo della prossima operazione da eseguire;

2) registro delle istruzioni: IR (instruction register) l'istruzione che deve essere eseguita;

3) registro di indirizzamento della memoria: MAR, indirizzo della cella di memoria che deve essere letta o memorizzata;

4) registro dati di memoria MDR, dato che è stato letto o che deve essere memorizzato;

5) parola di stato del processore PSW, contiene informazioni, opportunamente codificate, circa l'esito dell'ultima istruzione che è stata eseguita.

Questi sono i registri principali, poi ci sono altri registri, utilizzati ad esempio per la memorizzazione degli operandi e del risultato di una operazione.

Funzionamento dell’unità centrale di elaborazione L'unità centrale di elaborazione esegue una istruzione svolgendo tre operazioni di base:

1) fetch, lettura, legge dalla memoria la prossima istruzione da eseguire;

2) decode, decodifica, determina il tipo di istruzione che deve essere eseguito;

3) execute, esecuzione, richiede lo svolgimento di tutte le azioni necessarie per l'esecuzione dell'istruzione (compreso l'incremento automatico del registro contatore delle istruzioni), ciascuna azione viene richiesta al componente opportuno.

L'esecuzione di un programma avviene eseguendo ordinatamente le istruzioni del programma, svolgendo ripetutamente il ciclo fetch-decode-execute.



Ciclo di esecuzione di un’istruzione (http://www-db.deis.unibo.it/courses/FIL-A/LUCIDI/lucidi.2.4.pdf)

FETCH : Il contenuto del registro PC viene trasferito nel registro AR. Il registro PC contiene

l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire. Avviene un’operazione di lettura dalla memoria centrale. Il contenuto della cella di

memoria corrispondente all’indirizzo contenuto nell’AR viene trasferito nel DR tramite il bus di sistema.

Il contenuto del DR è trasferito all’IR. Il valore del registro PC viene incrementato di 1, in modo da contenere l’indirizzo

dell’istruzione successiva (in alcuni casi il valore di PC può essere diverso in base all’esecuzione di particolari istruzioni)

DECODE: questa è la fase di interpretazione dell’istruzione. Parte del contenuto dell’IR contiene il codice operativo dell’istruzione (ad esempio, l’operazione di lettura); la parte rimanente contiene l’indirizzo dell’operando (ad esempio, quale dato leggere).

EXECUTE:

questa fase è differente per ogni operazione. Consiste nell’esecuzione dell’operazione stessa. Operazioni possibili sono: trasferimento dati da e verso la memoria e da o verso le periferiche; operazioni supportate dalla ALU e dai registri. L’accesso alla memoria centrale per l’individuazione delle celle di memoria avviene sempre attraverso l’AR. La lettura di un dato contenuto in una specifica cella di memoria comporta il trasferimento del contenuto della cella nel DR. La scrittura di un dato in una specifica cella di memoria comporta il trasferimento del contenuto del DR nella specifica cella di memoria. L’interazione con le periferiche avviene sempre attraverso il DR. In caso di operazione aritmetica, recuperato l’operando nel DR (tramite AR e accesso alla memoria centrale), questo viene trasferito verso uno dei registri accumulatori.



Caratteristiche dei processori Le caratteristiche principali di un microprocessore sono: 1) il repertorio di istruzioni, sono le istruzioni del linguaggio macchina del

processore;

2) la velocità misurata come frequenza del clock, la frequenza del clock misura la durata del ciclo macchina, che è l'unità di tempo all'interno del processore (il più delle volte l'esecuzione di un'istruzione richiede più cicli macchina);

3) l'ampiezza del bus, numero di bit nel bus interno del processore;

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

5) cache, è una memoria veloce locale al processore, che consente una accelerazione

nell'esecuzione dei programmi (nei processori standard c'è solo la memoria cache di 1° livello, se si vuole si può aggiungere quella di 2° livello).

Memoria cache La cache del processore e' una piccola memoria alla quale il processore può accedere

con estrema velocità. E' infatti provato che il processore necessita frequentemente delle informazioni appena elaborate.

In generale queste memorie sono di piccole dimensioni (256 - 512 Kb) e hanno diversi livelli (con velocità decrescente e capacità crescente al crescere di livello). Quando il processore necessita di una informazione guarda innanzitutto nella cache di primo livello, poi in quelle di secondo e terzo livello (se disponibili), quindi nella memoria RAM e infine nei supporti rigidi.

Sebbene la RAM sia veloce, non è abbastanza veloce da “star dietro” ai moderni processori: il processore perde tempo ad aspettare l’arrivo dei dati dalla RAM e, quindi, si rende necessario inserire tra processore e RAM una memoria particolarmente veloce dove tenere i dati usati più spesso. In questo modo :

- la prima volta che il microprocessore carica dei dati dalla memoria centrale, tali dati vengono caricati anche sulla cache;

- le volte successive, i dati possono essere letti dalla cache invece che dalla memoria centrale.

Se si hanno memorie veloci, perché non si fanno con esse tutta la RAM? Perché tali memorie veloci sono molto costose! Oggi, la cache è spesso già presente dentro al microprocessore (cache di I° livello) e altra può essere aggiunta (cache di II° livello).



Funzionamento della CPU

L'organizzazione interna di parte di una tipica CPU di Von Neuman include i registri, l'ALU (Aritmetic Logic Unit) e molti bus che collegano i componenti. I registri sono collegati a due ulteriori registri di input dell'ALU (A e B nella figura).Questi registri memorizzano i dati di ingresso dell'ALU mentre l'ALU sta eseguendo i calcoli.

L'ALU stessa esegue addizioni, sottrazioni e altre semplici operazioni sugli ingressi, calcolando così un risultato che viene memorizzato nel registro di uscita. Il contenuto del registro di uscita può essere a sua volta trasferito in un registro. In seguito il contenuto del registro si potrà scrivere (immagazzinare) nella memoria, se necessario.

Gran parte delle memorie si possono dividere in una di due categorie:

1. registro-memoria: permettono di prendere parole (dati) dalla memoria e di metterli nei registri, dove si possono usare come input ALU in istruzioni successive.

2. registro-registro: prende due operandi dai registri e li porta ai registri di ingresso dell'ALU, esegue qualche operazione su di essi, ad esempio addizione o AND logico, e memorizza il risultato di nuovo in uno dei registri.

La CPU esegue ogni istruzione per mezzo di una serie di piccoli passi. In linea di massima questi sono i passi:

1. Prende l'istruzione seguente dalla memoria e la mette nel registro delle istruzioni; 2. Cambia il program counter per indicare l'istruzione seguente; 3. Determina il tipo di istruzione appena letta; 4. Se l'istruzione usa una parola in memoria, determina dove si trova; 5. Mette la parola, se necessario, in un registro della CPU; 6. Esegue l'istruzione; 7. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l' istruzione successiva.

Questa sequenza di passi viene spesso chiamata ciclo fetch-decode-execute (leggi-decodifica-esegui). Si tratta di una parte fondamentale del funzionamento di tutti i calcolatori.



La memoria ROM (http://it.kioskea.net/contents/pc/rom.php3)

Esiste un tipo di memoria che permette di memorizzare dei dati in assenza di corrente elettrica, si tratta della ROM (Read Only Memory, la cui traduzione letterale è memoria in sola lettura) detta talvolta memoria non volatile dato che conserva i dati anche quando il sistema non è sotto tensione.

Questo tipo di memoria permette soprattutto di conservare i dati necessari all'avvio del computer. In effetti, queste informazioni non possono essere immagazzinate sul disco rigido dato che i parametri del disco fanno parte di questi dati vitali all'avvio.

Le memorie di tipo ROM contengono dei dati indispensabili all'avvio, cioè :

Il BIOS è un programma che permette di pilotare le interfacce di entrata-uscita principali del sistema, da cui il nome BIOS ROM dato talvolta al chip di memoria ROM della scheda madre che lo ospita;

Il caricatore di avvio: un programma che permette di caricare il sistema operativo nella memoria RAM e di lanciarlo. Questo cerca generalmente il sistema operativo sul lettore floppy, poi sul disco rigido, cosa che permette di poter lanciare il sistema operativo partendo da un disco di sistema in caso di mal funzionamento del sistema installato sul disco rigido.

Il Setup CMOS, è la schermata disponibile all'accensione del computer che permette di modificare i parametri del sistema.

Il Power-On Self Test (POST), programma eseguibile automaticamente all'avvio del sistema che permette di fare un test del sistema (è per questo ad esempio che vedete il sistema "contare" la RAM all'avvio).

Dato che le ROM sono molto più lente rispetto alle memorie di tipo RAM (una ROM ha un tempo di accesso di circa 150 ns mentre una memoria di tipo SDRAM ha un tempo di accesso di circa 10 ns), le istruzioni contenute nella ROM sono talvolta copiate nella RAM all'avvio, si parla allora di shadowing (in italiano possiamo tradurre con ombratura, ma si parla generalmente di memoria fantasma).



Il BIOS (http://it.kioskea.net/contents/pc/bios.php3)

Il BIOS (« Basic Input/Output System » tradotto « Sistema di gestione elementare delle entrate/uscite ») è una componente essenziale del computer, che permette il controllo degli elementi hardware. Si tratta di un piccolo software di cui una parte è in una ROM (memoria che non può essere modificata), e un'altra parte si trova in un EEPROM (memoria modificabile con impulsi elettrici).

Il POST

Quando il sistema è messo sotto tensione o riavviato (Reset), il BIOS fa l'inventario dell'hardware presente nel computer ed effettua un test (detto POST, per "Power-On Self Test") per verificarne il corretto funzionamento.

Effettuare un test del processore (CPU)

Verificare il BIOS

Verificare la configurazione del CMOS

Inizializzare il timer (l'orologio interno)

Verificare la memoria RAM e la memoria cache

Installare tutte le funzioni del BIOS

Verificare tutte le configurazioni (tastiera, dischetti, dischi rigidi…)

Se il POST riscontra un errore, cercherà di continuare l'avvio del computer. Tuttavia, se

l'errore è grave, il BIOS bloccherà il sistema e se possibile :

visualizzerà un messaggio sullo schermo (l'hardware di visualizzazione potrebbe non essere ancora inizializzato oppure difettoso);

emetterà un segnale sonoro, come una sequenza di bip (beeps in inglese) che permettono di diagnosticare l'origine del guasto;

invierà un codice (detto codice POST) sulla porta seriale del computer, che potrà essere recuperata con uno specifico hardware di diagnostica.

Se tutto risulta corretto, il BIOS emetterà generalmente un breve bip, segnalando l'assenza di errori.

chip ROM che contiene il BIOS

(immagine prelevata da : http://it.wikipedia.org/wiki/BIOS)



(immagine prelevata da : http://salvo.scuole.bo.it/merenda/computer/computer.htm )

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