Introduzione all’uso di un PC

L’unità di sistema (system unit) può avere una configurazione da tavolo(desktop), a torre (tower), a minitorre (minitower). Ha contenitori dihardware (drive bays) (baie di guida/azionamento) che possono esserefissi o rimuovibili: floppy drives, hard disk drives, CD drives, DVD drives.Alcuni drives sono esposti e si vedono, altri sono nascosti.

Il retro mostra vari connettori (chiamati anche porte o interfacce diInput/Output) dove è possibile connettere le unità periferiche (peripheraldevices). Ci possono essere connettori PS/2 per mouse e tastiera,connettori USB veloci e versatili, connettori per rete LAN (RJ45),connettori a porte seriali e parallele, porte VGA, SVGA per il monitor,porte SCSI, porte FireWire per videocamere digitali, porte a raggiinfrarossi, ecc..

Circa ogni 1-2 anni i PC raddoppiano la loro velocità di esecuzione deiprogrammi.

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UN ESEMPIO DI SISTEMA DI ALTO LIVELLO

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SYSTEM UNIT

piastra madre (motherboard o system board) - è un circuito stampato checontiene, direttamente connessi, CPU (in fig. Microprocessor) ememoria centrale (in fig. un SIMM e’ un tipo di modulo dimemoria RAM usato in vecchi PC. Ora la forma di modulo piùusata e’ il DIMM). Le altre componenti sono connesse allapiastra madre, direttamente (come le schede di rete) oindirettamente, con dei cavi. Contiene una varietà di chips disupporto (chipset), ad es. il clock.

schede di espansione (expansion cards) - sono circuiti stampati che siinseriscono (plug-in) nella piastra madre, estendendone lafunzionalità. Le schede video sono un esempio.

periferiche interne (internal peripheral devices) - ad esempio: hard diskdrives, DVD drives, CD-ROM drives.

cavi (cables) sono di due tipi:

• di controllo (control cables): come nastri piatti e larghi; servono pertrasferire informazione, cioè dati, indirizzi, segnali di comando.

• elettrici (power cables): servono a trasmettere l’elettricità.

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EXAMPLE MOTHERBOARD

Motherboard Asus P5GD2 per cpu intel socket LGA 7754

MEMORIA CENTRALE

------------------ 0000 |. . . . . . . . |

| ---------------- | 0001 |. . . . . . . . |

| ---------------- | 0010 |. . . . . . . . |

| ---------------- | 0011 |. . . . . . . . |

| ---------------- | 0100 |. . . . . . . . |

| ---------------- | | . | | . | | ---------------- |

1111 |. . . . . . . . | | ---------------- |

L’unità di memorizzazione è il byte (B). Il contenuto di un byte si può descrivere con due cifre esadecimali!!!Ciascun byte della memoria (cella di memoria) è individuato da unindirizzo. Se l'indirizzo è espresso in base 2 allora con k bits si possonoindirizzare 2k bytes, con indirizzi corrispondenti agli interi da 0 a 2k-1.

La memoria centrale viene anche chiamata memoria RAM (RandomAccess Memory) cioè memoria ad accesso casuale: qualsiasi cella puòessere letta/scritta in un tempo (mediamente) costante.

Una parte della memoria centrale, la ROM (Read Only Memory), vienescritta in modo permanente in fase di costruzione; le celle della ROMpossono essere lette ma mai riscritte ed in genere contengono informazionifondamentali, ad esempio per l’inizializzazione dell’elaboratore.

Il flip-flop è un circuito in grado di memorizzare un bit; i flip-flop possonoessere integrati su un wafer di silicio (detto “chip”).

La RAM dei computer moderni è però costruita utilizzando altre tecnologieche forniscono una miniaturizzazione maggiore e maggior velocità.Molte di queste tecnologie memorizzano i bit in cariche elettriche che sidissipano velocemente e quindi necessitano di circuiti di “refresh”.La memoria RAM di solito è DRAM, da rinfrescare continuamente; quellastatica (SRAM) è più costosa.

Memory address register (MAR) ---------------------------------- |. . . . . . . . . . . . . . . . |

---------------------------------- Memory buffer register (MBR) ----------------------------------

|. . . . . . . . . . . . . . . . | ----------------------------------

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CPU

Alcuni famosi microprocessori sono:

Intel 80286 20 Mhz ‘84Pentium 200 Mhz ‘93Pentium II 400 Mhz il nostro serverPentium III 1 GhzPentium IV 2,6 Ghz alcuni nostri PCPentium D 2,8 Ghz altri nostri PC

Core 2 Duo 2,8 Ghz il mio ImacIBM PowerPC

La CPU contiene:

– L’unità di controllo (CU), responsabile della decodifica edell’esecuzione delle istruzioni. È la parte che coordina tutte le altreunità.

– L’unità aritmetico-logica (ALU), realizza le operazioni aritmetichee logiche eventualmente richieste per l’esecuzione di una istruzione.

– L’orologio di sistema (clock), (circuito oscillatore) genera gliimpuls i che permettono di sincronizzare le operazioni delcalcolatore.

– Vari registri, che sono piccole memorie velocemente accessibili,utilizzate per memorizzare risultati parziali o informazioni necessarieal controllo; hanno dimensioni prefissate (32/64 bit) ed alcuni hannofunzioni specifiche. Il risultato di un'operazione effettuata dalla ALUviene normalmente memorizzato in un registro (l'accumulatore). Il registro di stato (SR) si chiama anche registro dei flag.6

L’insieme dei valori contenuti in tutti i registri in un dato istantedell’elaborazione si chiama contesto.

Lo stato della CPU dipende da:

- l' istruzione da eseguire (contenuta nel registro istruzione corrente CIR)- i dati da elaborare (contenuti nei registri dati) - l'indirizzo in memoria della prossima istruzione da eseguire (contenuto nel

contatore di programma PC) - eventuali anomalie o eventi verificatisi durante l’elaborazione (nel registro

SR di stato o dei flag)

La CPU è un dispositivo sincrono, cioè può cambiare stato solo quandoriceve un impulso dal c l o c k che fornisce la temporizzazione delleoperazioni.

La CPU esegue miliardi di istruzioni al secondo.

Il set di istruzioni di base contiene:

– somma (da cui sottrazione) – scorrimento (shift) (da cui moltiplicazione e divisione) – operazioni di confronto (è sufficiente confronto con zero) – operazioni di accesso alla memoria per il:

• trasferimento di un dato da una locazione di memoria ad un’altra • trasferimento da memoria a un registro della CPU • trasferimento da un registro della CPU a memoria

Formato delle istruzioni: Codice Operativo | Operando 1 | Operando 2

Il codice operativo caratterizza l'istruzione; gli operandi possono essere 0,1, 2.

Le istruzioni (eccetto quelle di accesso alla memoria) sono eseguite dallaALU e “coordinate” dalla CU.

La ALU è un circuito in grado di eseguire operazioni aritmetiche/logiche sudue operandi, rappresentati con n bit (es. n = 32 o n = 64 bit); oltre alrisultato dell’operazione può produrre informazioni che vengonomemorizzate nel registro dei Flag (risultato nullo, risultatopositivo/negativo, overflow, etc.).

Esiste spesso una unità specializzata per le operazioni in virgola mobile, laFloating Point Unit.

Ciclo di esecuzione di un’istruzione:

• PRELEVAMENTO (fetch) (reperimento dell’istruzione) • DECODIFICA (decode)• ESECUZIONE (execute)

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Fase di fetch • il contenuto del registro PC viene copiato nel MAR (Memory Address

Register) e viene effettuato un accesso in lettura a tale indirizzo. • Il dato prelevato a tale indirizzo viene conservato in MBR (Memory

Buffer Register). • Il contenuto di MBR viene ricopiato in CIR. Nel frattempo il contenuto

del registro PC si aggiorna automaticamente alla locazione di memoriasuccessiva.

Fase di decode • L'istruzione nel CIR viene interpretata, prelevando eventualmente dalla

memoria altri dati se necessari. In ogni caso, alla fine, PC conterràl'indirizzo dell'istruzione da eseguire successivamente.

Fase di execute • Se, per esempio, l'istruzione da eseguire è una somma, dopo che i registri

A e B sono stati caricati con i valori da sommare, l’Unità di Controlloinvia alla ALU il comando per l'esecuzione della somma. La ALU eseguel'operazione: il risultato prodotto è conservato in uno dei registri ed ilregistro dei FLAG viene aggiornato.

Altri registri:Registri accumulatori: mantengono risultati temporanei, sono integrati nella ALU che vi può operaredirettamente;

Registro puntatore allo stack (Stack Pointer SP): lo stack è un insieme di celle di memoria cui si puòaccedere in modalità LIFO (Last−In−First−Out); la posizione in cui si trova lultimo elemento inserito èla testa dello stack, il cui indirizzo sta nel registro SP; lo stack è organizzato in modo da crescereverso indirizzi decrescenti: SP viene decrementato ad ogni nuova immissione (push) ed incrementatoad ogni prelievo (pop)

Lo SR contiene:

• CF: Carry Flag (flag del riporto). Indica se l'operazione effettuata haprodotto un riporto non contenibile nello spazio predisposto. Peresempio in una operazione a 16 bit, indica il riporto al 17-esimo bit.

• OF: Overflow Flag. Indica se nell'operazione effettuata si è verificato unerrore di overflow (risultato non rappresentabile nello spaziopredisposto).

• ZF: Zero Flag. Indica se il risultato dell'operazione effettuata è stato nullo.• SF: Sign Flag. indica il segno del risultato di una operazione.• IF: Interrupt Flag. Abilita o disabilita le interruzioni (interrupt).

Ogni volta che termina un ciclo di fetch-decode-execute la CPU può essereinterrotta da una periferica (hardware interrupt); un'interruzione non puòavvenire durante le tre fasi, che devono essere eseguite come un'unicaoperazione, anche se prevedono diversi accessi in memoria.Un'interruzione da parte di una periferica comporta, se accettata, che la CUsalvi lo stato del programma in esecuzione (il contenuto del PC e deiregistri generali) nello Stack di sistema, carichi nel registro PC l'indirizzodel programma di servizio dell'interruzione (indicato nel registro INTR) e,alla fine dell'esecuzione di questo programma, ripristini dallo stack lo statodel programma interrotto, in modo da continuarne l'esecuzione.

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MEMORIA CACHE

Molte macchine sono progettate con un ulteriore livello di memoria,chiamato memoria cache (nascondiglio).

Essa è generalmente un'area di molti KB di memoria ad altissima velocità etempi di risposta simili a quelli dei registri della CPU, dove spesso èlocalizzata.

Nella memoria cache la macchina cerca di mantenere una copia dellamemoria RAM che interessa al momento. In questo modo moltitrasferimenti di dati tra CPU e RAM avvengono, e più rapidamente, tra iregistri della CPU e la memoria cache. In un secondo momento lemodifiche apportate alla memoria cache vengono trasferite nella RAM.

Oss. In moderni computer domestici una CPU dual core è costituita da dueCPU su un unico chip con la memoria cache condivisa.

BUSES

Le componenti di un PC sono interconnesse tra loro attraverso dei camminichiamati buses. I buses principali sono incisi (etched) nella piastra madreed hanno dei connettori chiamati slots che permettono la connessione dischede di espansione. Altri buses sono impaccati (packaged) insieme in uncavo.

Tipi di bus:• SCSI per accomodare periferiche a catena• USB (Universal Serial Bus) per connettere la maggior parte delle

moderne periferiche ai PC (stampanti, scanner, modem, web cam,palmari, ecc.)

• FireWire (IEEE1394) molto veloce per periferiche multimediali

Il bus di sistema

È un insieme di connettori (conduttori elettrici) che trasportano bit diinformazioni collegando fra loro la CPU, la memoria e le varie interfacce diingresso/uscita. I trasferimenti sono sempre gestiti dalla CPU (modalitàmaster/slave) e si chiamano cicli del bus.

Componenti del bus di sistema

Bus Dati trasferisce dati da master a slave e viceversaBus Indirizzi trasferisce indirizzi, per esempio l’indirizzo di un dato, dalregistro indirizzi AR alla memoria (MAR), per accedere al dato stesso.Bus di Controllo

– Da master a slave: l'istruzione da eseguire (per es. lettura da disco).– Da slave a master: informazioni sul successo dell’operazione

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MEMORIE SECONDARIE(di massa)

L'informazione è memorizzata su supporto magnetico o ottico o altro. Ilcosto è contenuto.

Sistemi magnetici

- Floppy disks (3.5 inch) : 1.44 MB e tempi di accesso di centinaia di ms.- Hard disks (SCSI, IDE) : 4 GB - 4TB (anche rimuovibili)

access time (posizionamento + rotazione/latenza) 6-12 ms data transfer rate 2-20 MB per sec. RPM (rotazioni per minuto) 5400-10000

L'informazione è memorizzata nei vari settori di tracce concentriche.

Sistemi ottici

- CD-ROM - CD-RW (disco ottico riscrivibile di capacità 700 MB)

- DVD ROM- DVD RW (disco ottico riscrivibile di capacità 4,7 GB)

I l disco ottico è costituito da un disco piatto e sottile in genere dipolicarbonato trasparente al cui interno è inserito un sottile fogliometallico, in genere di alluminio, su cui vengono registrate e lette leinformazioni tramite un raggio laser. L'informazione è memorizzata neivari settori di un'unica traccia che si avvolge a spirale.

Unità flash

I sistemi di memorie di massa basati su tecnologia magnetica od otticanecessitano di movimento fisico, come la rotazione del disco, ilposizionamento delle testine di scrittura/lettura o il posizionamento delraggio laser.

Nei sistemi di memoria flash invece la memorizzazione avviene inviandosegnali di tipo elettrico al dispositivo di memorizzazione che è in grado ditrattenere l'informazione per vari anni. Per ora i dati possono esserecancellati solo a grandi blocchi.

- La memoria flash è la tecnologia di memorizzazione di massa previlegiatanelle fotocamere digitali, telefoni cellulari, PDA (personal digital assistant ocomputer palmare).

-Pen drive (capacità di qualche GB)10

PERIFERICHE DI UN PC

Una periferica è un qualunque dispositivo connesso al computer e diversoda memoria principale, CPU, e sistema elettrico. È interna se è dentro lasystem unit altrimenti è esterna.

Molte periferiche non possono semplicemente essere connesse al busappropriato ma richiedono un supporto hardware e software.

Supporto hardware (fa da intermediario tra il computer e la periferica): - già nella motherboard- con controller card

Supporto software: si chiama driver (anche software driver o device driver);es: video driver, printer driver, ecc.

Il driver o è già nel Sistema Operativo oppure risiede su un disco che vieneacquistato insieme alla periferica oppure lo si scarica da qualche sito; negliultimi due casi va installato nel sistema.

Il controller esegue le conversioni di messaggi e dati tra computer eperiferica, quindi ogni controller è progettato per un particolare tipo didispositivo. In tempi recenti, con l'introduzione dei bus USB e FireWire, unsingolo controller è in grado di gestire più periferiche. Un controller USBpuò interfacciare un insieme qualsiasi di dispositivi USB, come mouse,stampanti, scanner, memorie di massa, fotocamere digitali.

La CPU può comunicare con i controller, collegati al bus, nello stessomodo con cui comunica con la memoria principale.

DISPOSITIVI DI I/O

Monitors

Si misurano in pollici: 14”, 16’, 19”, 21”, ecc.

La risoluzione è una coppia di interi che specifica il numero di pixels suogni linea orizzontale dello schermo ed il numero di linee orizzontali dipixel sullo schermo. Le più comuni risoluzioni sono:

1. 640 x 480 (VGA)2. 800 x 6003. 1024 x 7684. 1280 x 1024 (800 su schermi allungati)5. 1600 x 1200

Le risoluzioni oltre la VGA sono definite SVGA.Un monitor da 15” in risoluzione VGA visualizza circa 50 dpi. Un monitorda 20” in risoluzione 4096 x 3300 visualizza circa 300 dpi.

Il dot pitch permette di ricavare quanti pixel stanno in un mm. 11

I n modalità grafica ogni immagine da visualizzare sul monitor vienetemporaneamente memorizzata nella memoria VRAM della scheda video.Si parla di bit-mapped graphics (o all points addressable graphics), poichéogni pixel é direttamente indirizzabile in memoria.

Il numero di bits dedicati alla visualizzazione di un pixel si chiamaprofondità di colore (color depth) dell’immagine. Più grande è laprofondità di colore più elevato è il numero di colori che si possonomostrare. Ad esempio con:

1 bit 2 colori (schermo monocromatico)4 bit 16 colori (schermo a colori o con molte tonalità di grigio)8 bit 256 colori (pseudo color)16 bit 65536 colori (high color)24 bit 16777216 colori (true color)

Ogni pixel, controllato dalla scheda video, viene fisicamente realizzato con3 colori elementari RGB. La tecnologia può essere:

CRT (cathode-ray tube, la più usata, come per le vecchie TV)LCD (liquid crystal display)Gas-plasmaEL (elettroluminiscenza) ed altre ancora

Stampanti

La velocità è misurata in linea (lpm) oppure pagine (ppm) al minuto.Ce ne sono ad impatto (daisy wheel, dot matrix) e a non impatto (ink jet,laser).

A differenza dei monotors che usano la terna RGB per ottenere il coloredesignato, la maggior parte delle stampanti usa i colori primari CMYK(ciano, magenta, giallo, nero).

Scanner

Rilevano una immagine e la traducono in una immagine bit-map. Ladigitalizzazione dell’immagine produce files di vario tipo: TIFF, JPEG,GIF, EPS, FAX, PICT.

Esistono anche semplici scanner a barre, come le penne ottiche usate neisupermercati.

Altri dispositivi di I/O

Modem-fax Schede audio Telecamere e schede di acquisizione videoStampanti di diapositive

PC in rete

Reti locali LAN (Local Area Network): Ethernet, TokenRing(Reti metropolitane MAN (Metropolitan Area Network))Reti geografiche WAN (Wide Area Network): Interne

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COMUNICAZIONE TRA DISPOSITIVI DI CALCOLO

Comunicazione seriale

Quando un solo bit alla volta è trasferito. Tecnica lenta ma semplice. USB e FireWire sono sistemi di comunicazione seriale standardizzati edoffrono velocità relativamente buone, dell'ordine di diverse migliaia diMbps (Mega bits per second), sufficienti per la maggior parte diapplicazioni multimediali.

Comunicazione parallela

Quando più bit sono trasferiti contemporaneamente, ognuno su una lineaseparata. Ad esempio sul bus interno di un computer, per permettere latrasmissione simultanea di grandi blocchi di dati; la maggior parte dei PCha almeno una”porta parallela” per trasferire gruppi di 8 bit alla volta.

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