Hardware

Dr. Francesco FabozziCorso di Informatica

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Architettura degli elaboratori• Un computer è un sistema

– Cioè un oggetto costituito da molte parti (componenti) che interagiscono tra di loro

• Studiare l’architettura di un sistema significa:– Individuare le varie componenti– Comprenderne i principi di funzionamento– Comprendere le loro interazioni

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La macchina di Von Neumann

• L’architettura dell’hardware di un elaboratore può essere molto complessa– Nel seguito illustreremo un modello

semplificato di elaboratore: la macchina di Von Neumann

• Von Neumann: progettista ungherese del primo elaboratore dove i programmi potevano essere memorizzati

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Funzionalità in un elaboratore

• Elaborazione– Unità di elaborazione

• Controllo– Unità di elaborazione

• Memorizzazione– Memoria

• Trasferimento– Bus di sistema

• Scambio dati con l’utente– Periferiche

Nella macchina di Von Neumann un elaboratore è descritto in termini di componenti funzionali, ciascuna preposta a una certa attività

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Schema della macchina di Von N.• 4 componenti funzionali

Memoria Unità diElaborazione

Periferiche

Bus di sistema

Nella macchina di Von Neumann le fasi di elaborazione si susseguono in sincronismo con una scansione temporale (presenza di un orologio interno detto “clock”)

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Schema della macchina di Von N.• Unità di elaborazione

– Insieme di dispositivi elettronici per acquisire, interpretare, eseguire istruzioni

– Controllo delle altre componenti funzionali

• Memoria– Contiene dati e istruzioni relative ai programmi

• Periferiche– Dispositivi che permettono lo scambio di informazioni

tra l’elaboratore e l’esterno

• Bus di sistema– Consente il collegamento tra i vari elementi funzionali

della macchina

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Evoluzione della macchina di Von N.• Limite della macchina di Von Neumann

– Stretta sequenzialità delle operazioni

• Modifiche allo schema– Aggiunta di processori dedicati

• Coprocessore matematico• Processore grafico

– Diversificazione della memoria

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Elementi di un computer• Processore (Central Processor Unit - CPU)

– Svolge le elaborazioni (“esegue i programmi”)– Coordina flusso di dati

• Memoria centrale– Memorizza i programmi in esecuzione e i dati

relativi– Limitata e volatile– Tempi di accesso ridotti (“veloce”)

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Elementi di un computer• Memoria secondaria (“di massa”)

– Memorizza grosse quantità di dati in modo permanente

– Tecnologia basata su fenomeni magnetici e ottici

– Tempi di accesso maggiori

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Elementi di un computer• Unità periferiche

– Dispositivi di interfaccia tra elaboratore e ambiente esterno

– Forniscono dati in ingresso (input)• Tastiera, mouse, sensori

– Presentano dati in uscita (output)• Monitor, stampante, altoparlanti

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La CPU• Circuito elettronico con milioni di transistor

che sfrutta tecnologia a semiconduttore– “Circuito integrato”– Si presenta come singolo “chip” di pochi cm2

• Microprocessore

La frequenza di lavoro di una CPUè la frequenza degli impulsi di clock.

La frequenza si misura in GHz1GHz = 1 miliardo di impulsi al secondo

Un Pentium 4 arriva a frequenze di circa 3 GHz

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Schema funzionale di una CPU

ALUCU

registri

BUS

PCProgram Counter

IRInstruction Register

Dati in ingresso/uscita

Clock CPU

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Schema funzionale di una CPU• Unità logico-aritmetica (ALU, Arithmetic and

Logic Unit)– Esegue le operazioni aritmetiche e logiche

• Registri– Elementi di memoria interni alla CPU– Immagazzinano temporaneamente istruzioni

(IR), risultati parziali, indirizzo della istruzione successiva (PC), informazioni di controllo

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Schema funzionale di una CPU• Unità di controllo (CU, Control Unit)

– Cura acquisizione (fetch) delle istruzioni in memoria e loro interpretazione

– Gestisce acquisizione dati dall’input– Gestisce le operazioni della ALU (e quindi

l’elaborazione)

• Orologio interno (clock)– Genera un segnale periodico (segnale di clock)– A ogni impulso del segnale di clock corrisponde

l’esecuzione di un’istruzione

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Prestazioni di una CPU• L’indicatore delle prestazioni di una CPU è

rappresentato dalla velocità di esecuzione delle istruzioni– Si misura in Milioni di Istruzioni al Secondo

(MIPS)

• NOTA: la velocità di un processore non è l’unico parametro a determinare le prestazioni complessive di un computer

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Prestazioni di una CPU• Fattori che determinano la velocità di

esecuzione delle istruzioni– Frequenza di clock– Dimensioni dei registri

• Registri più grandi una singola istruzione può operare su dati più grandi

– Insieme delle istruzioni che possono essere eseguite (instruction set)

• La CPU può eseguire solo istruzioni semplici (ex. addizione) o anche istruzioni complesse (ex. moltiplicazione)?

– Processori RISC e CISC

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RISC e CISC• Processori RISC

– Reduced Instruction Set Computer– Svolgono solo istruzioni semplici che

terminano in un ciclo di clock– Ex.: processori della AMD

• Processori CISC– Complex instruction Set Computer– Possiedono istruzioni complesse eseguite in

più cicli di clock– Ex.: processori della famiglia Intel

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La memoria• Rappresenta il “deposito” di istruzioni e dati• Soluzione ideale per velocità di accesso e

ingombro: – Implementare la memoria come registri interni al

processore e con tecnologie a semiconduttore– MA soluzione costosa!

• Soluzione di compromesso:– Gerarchie di memoria (escludendo i registri interni della

CPU):• Memoria cache• Memoria centrale• Memoria secondaria

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Memoria cache• Ad altissima velocità, di piccole dimensioni,

costosa

• Contiene dati più frequentemente usati dalla CPU

• Un dato viene prima cercato nella cache– Se si trova nella cache viene velocemente

caricato nei registri del processore– Se non è trovato viene preso dalla memoria

centrale, con tempi di accesso più lenti, e viene aggiornato il contenuto della cache

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Memoria centrale• Contiene istruzioni da eseguire e dati• Memoria veloce e di piccolo ingombro

– Tecnologia a semiconduttore

• Ogni dato si trova in una cella detta locazione di memoria– Ogni locazione è individuata da un indirizzo

• Tempo di accesso: tempo per leggere un dato in una qualsiasi locazione (circa decine di ns)

• Due tipi: RAM e ROM

locazione 1locazione 2locazione 3

indirizzo 1indirizzo 2indirizzo 3

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Memoria RAM• Random Access Memory• Cancellabile e riscrivibile• Volatile (perde il contenuto se il computer viene

spento)• Random = accesso ai dati è diretto e non

sequenziale• Contiene i programmi in esecuzione e i dati su

cui operano• La sua capacità influenza la grandezza e la

complessità dei programmi che possono girare sulla macchina

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Capacità della memoria• Una cifra si dice binaria (bit) quando può

assumere solo due valori: 0 oppure 1• In un elaboratore un dato o un’istruzione è

rappresentato mediante una sequenza di n cifre binarie– Il contenuto di una locazione di memoria è pertanto

una sequenza di 0 e 1– Tipicamente n =8, 16, 32, 64

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

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

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

locazione 1

locazione 2

locazione 3

16 bit

Esempio: memoria contenente dati a 16 bit

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Capacità della memoria• La capacità di una memoria esprime il massimo

numero di bit che può contenere• La capacità si misura in byte

– 1 byte = 8 bit

• In genere si usano i seguenti multipli– Kbyte (KB) = 1024 byte– Mbyte (MB) = 1024 Kbyte– Gbyte (GB) = 1024 Mbyte– TByte (TB) = 1024 Gbyte

Esempio:Una memoria con 512 locazioni che immagazzina dati a 16 bit possiede una capacità di:512 x16 bit = 1024 x 8 bit = 1024 byte = 1Kbyte

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Memoria ROM• Read Only Memory

• Viene scritta all’atto della costruzione

• Non è modificabile, può essere solo letta

• Non volatile

• Tipicamente contiene i programmi usati frequentemente dal computer (firmware)– Ex.: Programma di inizializzazione (bootstrap)

che parte quando il computer viene acceso

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Memoria secondaria• Detta anche “memoria di massa”• Registra dati e programmi in modo permanente• Si differenziano per capacità, velocità, costo• Due tipologie:

– Dischi• Dati registrati su piste ottiche o magnetiche concentriche

disposte sulla superficie di piatti• Accesso random

– Nastri magnetici• Dati registrati lungo una fettuccia magnetizzata• Accesso sequenziale

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Hard disk o disco rigido• Principale sistema di memorizzazione di

massa

• Non estraibile

• All’interno del “case” del computer, ma anche unità periferica esterna

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Hard disk o disco rigido• Costituito da una pila di dischi

– Entrambi i lati di ogni disco sono ricoperti da un sottile strato di materiale magnetico

– A computer acceso i dischi girano ad alta velocità

• Migliaia di giri al minuto (Round Per Minute - RPM)

– Per ogni superficie di un disco c’e’ una testina magnetica che scrive/legge i dati

• Tutte le testine magnetiche sono montate su un unico braccio e si muovono in maniera solidale

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Hard disk o disco fisso

tracce

Ogni superficie è divisa in una serie di tracce concentriche

Pila di dischi

Dischi rigidi con capacità di 40 GB sono molto comuniSono in commercio anche dischi concapacità di 200 GB

I piatti sono alloggiati in un involucro chiuso e sottovuoto

Confronta con capacità di una RAM ~ 512 MB

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Memoria virtuale• Tutti i dati e i programmi sono memorizzati

in modo permanente nel disco rigido– Viene caricato nella RAM solo il programma da

eseguirsi e i dati corrispondenti

• Se un programma ha bisogno di una RAM molto grande rispetto a quella a disposizione, allora una parte del disco rigido viene usata come RAM (memoria virtuale)

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Floppy disk o dischetto• Il più semplice dispositivo di memoria

secondaria

• Costituito da un solo disco magnetico chiuso da una custodia quadrata in plastica con portellino scorrevole– Il disco ruota sotto una coppia di testine

magnetiche per lettura/scrittura

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Floppy disk o dischetto• Dispositivo estraibile

– Il disco viene inserito in apposita unità di lettura e scrittura (unità floppy)

• Basso costo ma…

• … lento e di capacità limitata (1.44 MB)

• Usato per trasferire dati da un PC a un altro

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CD-ROM• Compact Disk – Read Only Memory

• Dispositivi che consentono di immagazzinare dati attraverso la registrazione ottica– Un raggio laser crea sottili scanalature sulla

superficie del disco creando un’alternanza di zone chiare (riflettono la luce) e scure (assorbono la luce) che sono fatte corrispondere ai bit 0 e 1

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CD-ROM• Il dispositivo periferico per scrivere un CD-

ROM si chiama masterizzatore– CD-R (possono essere scritti una sola volta)– CD-WR (possono essere scritti più volte)

• I dati sono registrati lungo una singola traccia a spirale dall’esterno verso l’interno

La lettura è fatta tramite un raggio laser

inviato sul disco in rotazione e decodificando

la luce riflessa

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CD-ROM• Capacità fino a 870 MB

– Usato per memorizzare il sistema operativo o programmi applicativi di grandi dimensioni

– Usato per immagazzinare e distribuire grossi quantitativi di informazioni (enciclopedie, elenchi telefonici)

• La velocità di accesso ai dati non è alta

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DVD• Digital Versatile Disk• Simile a un CD-ROM (sempre tecnologia

ottica) ma di maggiore capacità– Può contenere da 4 a 17 GB di dati

• Utilizzato per contenere film digitali– Può memorizzare un intero film compresso + 3

canali audio alta qualità + 4 canali per sottotitoli

• Necessita di un’apposito lettore– Il lettore DVD può leggere i CD-ROM ma non

viceversa

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Nastri magnetici• Usati nei grossi sistemi di elaborazione per

fare copie di sicurezza (backup) del contenuto degli hard disk– Per evitare di perdere dati in caso di guasti

• Elevata capacità (alcune decine di GB)

• Riscrivibili, portatili, economici

• Ma bassa velocità in lettura/scrittura– Nota: l’accesso ai dati in lettura è sequenziale

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Il bus di sistema• Collegamento tra la CPU e le altre

componenti funzionali di un elaboratore– Fisicamente un bus è costituito da una serie di

connessioni elettriche lungo le quali è trasferita l’informazione

• Tre tipi di bus– Bus dati– Bus indirizzi– Bus controlli

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Il bus di sistema• Bus dati

– Per il trasferimento bidirezionale dei dati dalla CPU alla memoria centrale o alle periferiche

• Bus indirizzi– Bus unidirezionale, per la trasmissione degli

indirizzi dalla CPU alla memoria centrale

• Bus controlli– Bus bidirezionale, per il trasferimento dalla

CPU a una certa unità dell’istruzione da eseguire e per la trasmissione alla CPU del segnale di compiuta operazione

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La scheda madre• I principali componenti di un computer sono

collocati su una scheda elettronica detta scheda madre (mother board)– Microprocessore, memoria centrale, cache,

altri microcircuiti– Sono previsti connettori per l’inserzione di

schede di interfaccia con dispositivi interni o esterni (schede di espansione)

– E’ dotata di una serie di bus per lo scambio di dati con le periferiche

• Ad ex. bus PCI

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La scheda madreAttacchi per schede PCI

Porte di I/O

Prese per i cavi dei dischi

Pre

se p

er

l’alim

enta

zion

eZ

occolo

pe

r il m

icropro

cessore

Zoccoli per la RAM

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Il bus PCI• Periferal Component Interconnect

• Bus sviluppato dall’Intel per velocizzare il trasferimento dei dati alle periferiche – Reso necessario in seguito all’aumento della

velocità delle CPU

• Velocità di trasferimento dei dati = 256MBps– MBps = MegaByte per second

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Schede di espansione• Espandono le funzioni della scheda madre

e permettono di pilotare dispositivi interni o esterni– Scheda video

• Pilota il monitor e determina risoluzione, numero di colori, velocità grafica

• Dotata di memoria locale per accelerare la ricostruzione delle immagini

– Scheda audio• Pilota dispositivi audio (ad ex. casse acustiche)

– Scheda di rete• Permette l’accesso diretto alla rete (senza modem)

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Periferiche di ingresso• Consentono di acquisire dati dal mondo

esterno

• Diversi dispositivi a seconda del tipo di dato da inserire

• Tastiera, mouse, joystick, touchpad, scanner, telecamera, microfono, …

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La tastiera• Consente l’immissione di stringhe di

caratteri

• Deriva dalla macchina da scrivere e ne conserva la forma– E’ dotata di tasti speciali (F1, …, F12) la cui

funzione dipende dal sistema operativo o può essere programmata dall’utente

– E’ dotata di un tastierino numerico e di tasti per il controllo del cursore sul lato destro

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Periferiche di uscita• Dispositivi per ottenere all’esterno i risultati

delle elaborazioni

• Si distinguono a seconda del supporto fisico su cui sono forniti i risultati

• Monitor, stampanti, casse acustiche, macchine a controllo numerico…

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Il monitor• Visualizza il risultato delle elaborazioni e i

dati immessi dalla tastiera

• Per creare un’immagine lo schermo viene diviso in una griglia di piccoli elementi di immagine detti pixel– Fino a 800000 pixels

• La dimensione di un monitor è misurata in pollici come per i televisori

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Il monitor• Tubo a raggi catodici (CRT)

– Tecnologia simile a quella di una TV ma con risoluzione molto più alta

– Per generare i colori ogni pixel viene diviso in 3 punti di diverso colore (rosso, verde, blu); il colore è determinato dalla diversa luminosità dei punti

– La dimensione dei punti si chiama dot pitch (0.26 mm)

• Cristalli liquidi (LCD)– I colori sono generati da un sottile strato di fosfori rossi, verdi e

blu investito da una luce proveniente dal fondo dello schermo– Profondità dello schermo < 10 cm

• Plasma (PDP)– Tecnologia basata sulle proprietà dei gas nobili– Permettono di realizzare monitor di ampie dimensioni e sottili

(profondità circa 6 mm)

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Il monitor• Risoluzione

– Indica la qualità dell’immagine visualizzata– E’ data dalla quantità di pixel espressa come

prodotto dei pixel su una riga per i pixel su una colonna dello schermo

• Ex. 800 x 600, 1024 x 768

• Altre caratteristiche dei monitor– Gamma di colori rappresentati (fino a qualche

milione)– Frequenza di scansione (quante volte in un

secondo l’immagine sullo schermo viene rinnovata)

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La stampante• Consente di stampare su carta l’output di

un’elaborazione• La risoluzione è data dal massimo numero di

punti stampabili per pollice (dot per inch, dpi)– Risoluzioni tipiche circa 1200 dpi

• A getto di inchiostro (inkjet)– Creano i caratteri come una serie di punti di inchiostro– Risoluzione max circa 1200 dpi– Piccola, economica ma stampe di qualità non elevata

• Laser– Stampa una pagina per volta– Funzionamento simile a quello di una fotocopiatrice– Stampe di elevata qualità, ma costose e non piccole

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Il modem• Modulatore-demodulatore• Consente il collegamento in rete attraverso

la linea telefonica• Dispositivo di ingresso e uscita

– In ingresso: trasforma impulsi elettrici provenienti dalla linea telefonica in dati digitali, trattabili da un elaboratore

– In uscita: trasforma dati digitali in impulsi elettrici e li invia sulla linea telefonica

• La velocità di trasferimento dati si misura in Kbit per secondo (Kbps)

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Il modem• Standard

– Per la connessione a una normale linea telefonica (56 Kbps)

• ISDN (Integrated Services Digital Network)– Per la connessione a una linea ISDN– La tecnologia ISDN è sempre basata sulle

linee telefoniche ma consente la trasmissione di dati in forma digitale sulla linea (64 Kbps per canale)

– Offre tre canali di trasmissione• Consente l’uso contemporaneo del telefono

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Il modem• ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber

Line)– La tecnologia ADSL utilizza la normale linea

telefonica ma sfruttandone tutte le potenzialità– Consente una velocità di trasmissione 640

Kbps– L’utente è permanentemente connesso in rete

• GPRS– Per collegamento tramite cellulare GPRS (115

Kbps)

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Le porte di I/O• Prese per la comunicazione con dispositivi

esterni– Localizzate sul lato posteriore del computer

• Ciascuna ha un proprio protocollo e velocità di trasmissione

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Le porte di I/O• Porte PS/2

– Per il collegamento del mouse e della tastiera

• Porta seriale– Per il collegamento del modem o dispositivi

che non richiedono un flusso di dati molto veloce

• Porta parallela– Per il collegamento di stampante, scanner o

dispositivi che richiedono una velocità maggiore della porta seriale

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Le porte di I/O• Porta SCSI

– Più veloce (40 MBps) di una porta parallela– Usata per collegare hard disk esterni

• Porta USB (Universal Serial Bus)– Per il collegamento di dispositivi USB– Su una sola porta USB possono essere

collegati fino a 127 dispositivi in cascata– Consente il collegamento a computer acceso

del dispositivo

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Prestazioni del computer• Le prestazioni di un elaboratore sono

determinate da diversi fattori• Velocità della CPU

– MIPS

• Dimensione della memoria centrale– Possibilità di caricare tutto il programma e i dati

corrispondenti in una memoria ad accesso rapido

• Velocità delle memorie di massa– Quando i dati sono scritti/letti su memorie esterne

• Presenza di dispositivi per accelerare particolari tipi di operazioni– Acceleratori grafici o per il calcolo scientifico

• Utilizzo contemporaneo di più programmi