Struttura dei sistemi di calcoloprofcuccu.altervista.org/varie/Architettura-completa-pc.pdf•...

Versione: 13/03/2007

Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 1

Struttura dei sistemi di calcolo

Riferimenti: Curtin cap. 3-5 Console cap. 3


Come prologo: la macchina divon Neumann

Nei primi computers l'inserimento dei datie dei programmi avveniva cambiando la posizione di interruttori o modificando la disposizione dei cavi che connettevano diverseunita' di calcolo


Idea di von Neumann: macchina “general pourposes” a programma memorizzato che viene specializzatadal processo introdotto dall'utente.

Programma memorizzato: il procedimentoviene descritto e inserito in una particolareunita' (memoria) insieme ai dati. L' inserimento avviene attraverso una particolare unita' di input.

memoriainputdati

programma


Adesso occorre una unita' che esegua le istruzioni: a livello elementare questoCompito e' svolto da una Arithmetical and Logical Unit (ALU)

memoriainputdati

programma

ALU


memoriainputdati

programma

ALU

Tutto cio' deve avvenire in maniera coerente ed ordinata: e' quindi necessariauna unita' di controllo

controllo


memoriainputdati

programma

ALU controllo

Infine i risultati dell' elaborazione debbono essere resi disponibili attraverso una unita' di output

output


Piu' schematicamente ....


Tipi di calcolatori• Computer multiutente

(multiuser)– supercomputersupercomputer: i più potenti,

basati su centinaia o migliaia di processori che lavorano in parallelo

– mainframe e servermainframe e server: svolgono funzioni centralizzate; ad essi sono collegati altri computer o terminali


Tipi di calcolatori• Computer multiutente

(multiuser)– minicomputerminicomputer: simili a

mainframe ma meno potenti

– terminaliterminali: postazioni senza capacità di elaborazione, devono essere collegati a un server


Tipi di calcolatori• Personal computer

– desktop e workstationdesktop e workstation: computer da scrivania

– notebooknotebook: computer portatili, di potenza confrontabile a quella di un desktop; in casa e ufficio possono essere inseriti in una docking station


Tipi di calcolatori• Personal computer

– palmtoppalmtop: computer tascabili, hanno tastiere di ridotte dimensioni

– PDA (personal digital PDA (personal digital assistant)assistant): i più piccoli, privi di tastiera, molto semplici, ad esempio organizer


Architettura dell’elaboratore

Esamineremo la struttura dell’elaboratore, analizzando le funzionalità di ogni suo componente

Vedremo come funzionano i dispositivi che costituiscono la macchina a un livello intermedio di dettaglio



Prese sul retro (porte)



CPU



Memoria RAM

Fisicamente CPU e RAM sono formate da sottili lamine di silicio (chips) che contengono componenti elettronici (transistor, resistenze, condensatori) miniaturizzati.

Ogni unità elementare può trovarsi a due diversi livelli di tensione elettrica (o carica del condensatore) oppure nello stato acceso/spento : ecco il corrispettivo fisico del bitbit



Dispositivi di memorizzazione



Bus di sistema


L’hardware

Funzioni di base di un elaboratore:•elaborare l’informazione

• memorizzare l’informazione

• eseguire input/output dell’informazione

– usando il processore (Central Processing Unit, CPU)

– usando la memoria principale (RAM)– usando la memoria secondaria

– usando i dispositivi di input/output


Elementi della macchina di von Neumann

CPU RAM

dispositivi di input/outputmemoria secondaria


La scheda madre (motherboard)



CPUCPU



CPUCPU

RAM


L’hardware

RAM


CPU


L’hardware

RAMCPU


elaborare


L’hardware

RAM

memorizzarememorizzare


CPU

elaborare


L’hardware

RAM

memorizzarememorizzare

interagire


CPU

elaborare


Funzionamento ad alto livello

RAMCPU




RAMCPU


1) All’avvio dell’elaboratore, programmiprogrammi (almeno il S.O.) e datidati (se ce ne sono) risiedono in memoria secondaria

1



RAM programmie dati

CPU


2) I programmi per essere eseguiti devonodevono essere portati in memoria principaleportati in memoria principale . Così anche

i dati per essere utilizzati dai programmi

1

2



RAM programmie dati

CPU


3) La CPU (Central Processing Unit) esegue i programmi eseguendo le istruzionieseguendo le istruzioni di cui sono composti

1

23



RAM programmie dati

CPU


4) Avviene l’input/output e la memorizzazione su memoria secondaria

1

23

4 4


Analizziamo i vari componenti…

RAMCPU




CPURAM

dispositivi di input/output

memoria secondaria


La memoria principale

• Insieme alla CPU, è una componente fondamentale del calcolatore.

• Permette di memorizzare sia il programma che i dati.


• E’ strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoriacelle (o locazioni) di memoria




00100111

11001001

00010100

10011101

…

10100110




00100111

11001001

00010100

10011101

…

10100110

La memoria principale celle


• E’ strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoriacelle (o locazioni) di memoria• Ogni cella memorizza un byte

00100111

11001001

00010100

10011101

…

10100110



• E’ strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoriacelle (o locazioni) di memoria• Ogni cella memorizza 1 byte•Le celle sono numerate in sequenza: indirizzoindirizzo •Una parola di memoria e' un insieme di 2, 4, od 8 byte sul quale si puo' operare (leggere o scrivere) come su di un blocco unico

00 00100111

11 11001001

22 00010100

33 10011101

…… …

NN 10100110

00100111

11001001

00010100

10011101

…

10100110


indirizzi



• Quali operazioni si possono compiere sulla memoria?

– lettura del contenuto di una cella– scrittura in una cella

• Per leggere e scrivere in una cella è necessario conoscerne l’indirizzoindirizzo• Specificando l’indirizzo di una cella, la CPU è in grado di leggere e/o modificare il valore del byte memorizzato in quella cella

00 00100111

11 11001001

22 00010100

33 10011101

…… …

NN 10100110



Es.: una RAM di 65536 (216) celle di un byte ciascuna

00 00100111

11 11001001

22 00010100

33 10011101

…… …

65.53565.535 10100110

Quanti bit per esprimere un indirizzo compreso tra 0 e 65535?

16!


Dimensioni della memoria

• Lo Spazio di indirizzamentoSpazio di indirizzamento è l’insieme o il numero delle celle indirizzabili direttamente• Il numero di celle indirizzabili è una potenza di 2; con:– 16 bit si indirizzano 216 = 65.536 celle– 32 bit si indirizzano 232 = 4.294.967.296 celle …

• numero di celle indirizzabili = numero di informazioni rappresentabile con un certo numero di bit



• L’unità di misura della memoria è il byteSi usano dei multipli:

– KilobyteKilobyte (KB) = 1024 byte (210 byte)– MegabyteMegabyte (MB) = 1024 KB (220 byte)– GigabyteGigabyte (GB) = 1024 MB (230 byte)

• Quindi:– con 16 bit si indirizzano 64 KB di memoria– con 32 bit si indirizzano 4 GB di memoria



• La dimensione tipica della RAM nei Personal Computer è:

–256 MB, 512 MB, 1 GB, 2 GB, 4 GB– una volta gli elaboratori più potenti avevano 64 KB!!! Ad esempio questi

–

–

–• La memoria è espandibile fino a un limite fisico (slot sulla scheda madre per ospitare i chip di memoria) e ha anche un limite massimo dovuto al sistema


La RAM

• Random Access Memory (RAM)(RAM): memoria ad accesso casuale• Perché si chiama “ad accesso casuale”?

– Si può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro indirizzo– Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso, indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza– Il termine “random” (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono penalità in termini di tempo se si accede alla memoria in modo casuale anziché sequenziale.


La RAM

• La RAM è veloceveloce:

il tempo di lettura/scrittura di una cella è compreso – in media – tra 5 e 30 nanosecondi (miliardesimi di secondo = 10-9 s)

• La RAM è volatilevolatile:

formata da componenti elettronici, se viene tolta l’alimentazione anche per un breve periodo di tempo (frazioni di secondo) tutto ciò che contiene viene perso (e la macchina deve ripartire)

• La RAM è relativamente costosacostosa


La ROM

• Read-Only MemoryRead-Only Memory, memoria in sola lettura• NonNon può essere modificata (a meno che non sia di un tipo particolare, EPROM)• NonNon è volatile• Veloce quasi quanto la RAM• Solitamente usata per memorizzare programmi e dati necessari all’avvio dell’elaboratore

– programmi di bootstrap (avvio dell’elaboratore)– configurazione del sistema

Von Neumann bottleneck

La rapidita' con cui sono eseguite le operazioni e' limitata criticamente dal tempo necessario per trasferire le informazioni dalla memoria alla CPU. Si crea cioe' un collo di bottiglia.

Soluzione del problema: sfruttare il principiodi localita'

Principio di localita'

Si sfrutta il principio di localita' inserendo fraLa CPU e la RAM una memoria (relativamente)piccola


Memoria cacheMemoria cache: stesse proprietà della RAM, ma:• più veloce (ma più piccola e costosa) della RAM• localizzata tra la CPU e la RAM• memorizza i dati di uso più frequente, evitando alla CPU di doverli recuperare tutte le volte dalla RAM• influisce pesantemente sulle prestazioni e sul costo della CPU

– dimensioni tipiche sono 128 KB, 256 KB, 512 KB

Analogia:

A questo punto non dovrebbe essere difficilerispondere....



RAMCPU



La CPU• Esegue programmi scritti in linguaggio macchina• Tutti i programmi, anche Word, Excel, … internamente sono codificati in LM• I programmi sono sequenze di istruzioni in LM• Le istruzioni sono comandi elementari, ad esempio:

– somma due numerisomma due numeri– leggi dalla memorialeggi dalla memoria– scrivi in memoriascrivi in memoria– scrivi verso il dispositivo di outputscrivi verso il dispositivo di output– confronta due numericonfronta due numeri– … …


CPU: Il set di istruzioni• Ogni tipo di processore è in grado di eseguire un numero limitato (centinaia) di istruzioni

• Le istruzioni si suddividono in

– aritmetiche, logiche

– di salto

– di lettura/scrittura in memoria

– di input/output

• Combinando in modo diverso sequenze anche molto lunghe di istruzioni (i programmi) si possono fare svolgere al computer compiti completamente diversi


CPU: Compatibilità tra processori

• Processori diversi comprendono ed eseguono istruzioni diverse• Famiglie di processori: Intel, Motorola, Sun, ...

– in genere processori della stessa famiglia possono eseguire gli stessi programmi (compatibilità, non sempre)– processori di famiglie diverse NON possono eseguire gli stessi programmi (perché le istruzioni che capiscono sono diverse)

• Emulatore: consente l’esecuzione su un processore di programmi scritti per un altro


La CPU

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

Registri

…

È formata da:

• Control UnitControl Unit

• Arithmetic Logic UnitArithmetic Logic Unit

• RegistriRegistri


La CPU

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

Registri

…


CPU: La CONTROL UNIT (CU)

È la parte più importante del processoreFunzioni:• esegue le istruzioni dei programmi• coordina le attività del processore• controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la memoria

NON ha il compito di controllare il risultato delle istruzioni!


La CU svolge la sua attività in modo ciclico

Ciclo di fetch-decode-execute fetch-decode-execute (o ciclo della macchina):

1.1. FetchFetch (preleva): preleva dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire

2.2. DecodeDecode (decodifica): decodifica l’istruzione e preleva gli operandi specificati

3.3. ExecuteExecute (esegui): esegue l’istruzione utilizzando la componente opportuna, memorizza i risultati e ricomincia

Ciclo di fetch-decode-execute


Ciclo di fetch-decode-execute



L’esecuzione (passo execute) comporta l’invio di comandi opportuni all’unità relativa:

• Calcoli → Arithmetic Logic Unit• Lettura/scrittura dati → memoria• Acquisizione/stampa → dispositivi di I/O



• La frequenza con cui è eseguito il ciclo di fetch-decode-execute è scandita dal clockclock (orologio interno):ad ogni impulso di clock la CU esegue un ciclo• La velocità di elaborazione di una CPU dipende dalla frequenza del suo clock• Es.: 2.8 GHz, cioè 2 miliardi e 800 milioni di cicli al secondo


La CPU

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

Registri

…


CPU: La ARITHMETIC LOGIC UNIT (ALU)

• Esegue le operazioni di tipo aritmeticoaritmetico (somme,...) e logicologico (confronti,...)• Preleva gli operandi dai registri e deposita il risultato delle operazioni in uno (o più) registri• Può essere affiancata da un coprocessore matematico


La CPU

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

Registri

…


CPU: I REGISTRI• Piccole celle di memoria (da 16, 32 o 64 bit) con tempi di accesso molto più bassi rispetto alla memoria primaria• Mantengono le informazioni necessarie per eseguire l’istruzione corrente• Sono in numero molto limitato (10, 20, 64 o 128), visto che sono all’interno della CPU• Si dividono in registri:

– generaligenerali– speciali speciali (PC, IR)


CPU: I Registri generali• Sono in numero ridotto: 8, 16, 32, 64, 128... in funzione dell’architettura• Sono usati come celle di memoria celle di memoria temporaneatemporanea; contengono gli operandioperandi e i risultati risultati delle istruzioni del programma• In alcune architetture, alcuni registri hanno funzioni privilegiate; ad es. l’accumulatorel’accumulatore in genere contiene il risultato delle operazioni


CPU: Il Program Counter (PC)

• È un registro specialespeciale• Contiene l’indirizzol’indirizzo in memoria principale della prossima istruzioneprossima istruzione da eseguire• Quando un programma viene avviato, l’indirizzo della prima istruzioneprima istruzione viene caricato nel Program Counter• All’esecuzione di un’istruzione, il PC viene modificato per contenere l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire(non necessariamente quella immediatamente non necessariamente quella immediatamente successivasuccessiva)


CPU: L’Instruction Register (IR)

• È un registro specialespeciale• Contiene l’istruzioneistruzione attualmente in esecuzione• La CUCU legge l’istruzione contenuta in IR e la esegue

Altri registri ...

Program Status Register (o program status word):contiene informazioni sullo stato del programma(ad es. se l'ultimo risultato e' negativo o zero oppurese si e' verificato un overflow)


• Vediamo come le componenti della CPU interagiscono nell’esecuzione di un programma composto da due istruzioni di esempio:

ADD 3,4, che somma i numeri 3 e 4JUMP 1, che “salta” all’indirizzo 1OUT 3,77, che effettua l’output del

valore 77 verso il dispositivo 3 (per es., una stampante)

CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute


5…


ADD 3, 4

RAM

5PC

IR

CPU01234

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

Ogni istruzione viene eseguita in un ciclo di fetch-decode-execute

Accumulatore


5…


ADD 3, 4

RAM

5PC

IR

CPU01234

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

1. Il registro PC contiene l’indirizzo 5, quindi viene letta da RAM l’istruzione all’indirizzo 5…

Accumulatore

Ciclo 1


5…


ADD 3, 4

RAM

5PC

ADD 3,4IR

CPU01234

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

2. … e memorizzata nel registro IR

fetch

Accumulatore

79

5…


ADD 3, 4

RAM

6PC

ADD 3,4IR

CPU01234

accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

3. La Control Unit incrementa l’indirizzo contenuto nel registro PC, in modo da eseguire, in seguito, l’istruzione successiva

fetch


5…


ADD 3, 4

RAM

6PC

ADD 3,4IR

CPU01234

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

4. La Control Unit decodifica l’istruzione ADD 3,4 …

fetchdecode

Accumulatore

81

5…


ADD 3, 4

RAM

6PC

ADD 3,4IR

CPU01234

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

fetchdecode

execute

5. … e, dato che si tratta di un’operazione aritmetica, dà comando alla Arithmetic Logic Unit di eseguire l’istruzione ADD 3,4

Accumulatore


5…


ADD 3, 4

RAM

6PC

ADD 3,4IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

fetchdecode

execute

6. La Arithmetic Logic Unit memorizza il risultato nel registro generico Accumulatore


5

…


ADD 3, 4

RAM

6PC

ADD 3,4IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit


JUMP 167

Ciclo 2


5

…


ADD 3, 4

RAM

6PC

JUMP 1IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

fetch


JUMP 167

85

5

…


ADD 3, 4

RAM

7PC

JUMP 1IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

fetch

JUMP 167

9. La Control Unit incrementa l’indirizzo contenuto nel registro PC, in modo da eseguire, in seguito, l’istruzione successiva


5

…


ADD 3, 4

RAM

7PC

JUMP 1IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

fetchdecode

10. La Control Unit decodifica l’istruzione JUMP 1 …

JUMP 167

87

5

…


ADD 3, 4

RAM

1PC

JUMP 1IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

decode

execute

11. … e, dato che si tratta di un’istruzione di salto, la esegue memorizzando nel registro PC l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire

JUMP 167

88

5

…


OUT 3,77

ADD 3, 4

RAM

1PC

JUMP 1IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit


JUMP 167

Ciclo 3

89

5

…


OUT 3,77

ADD 3, 4

RAM

1PC

OUT 3,77IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit


JUMP 167

fetch

90

5

…


OUT 3,77

ADD 3, 4

RAM

2PC

OUT 3,77IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

14. La Control Unit incrementa l’indirizzo contenuto nel registro PC, apprestando la CPU all’esecuzione dell’istruzione seguente

JUMP 167

fetch

91

5

…


OUT 3,77

ADD 3, 4

RAM

2PC

OUT 3,77IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

15. La Control Unit decodifica l’istruzione OUT 3,77 …

JUMP 167

fetch

decode

92

5

…


OUT 3,77

ADD 3, 4

RAM

2PC

OUT 3,77IR

CPU01234

7Accumulatore

ControlUnit

ArithmeticLogicUnit

16. … e, dato che si tratta di un’istruzione di output, la esegue dando comando all’unità di output

JUMP 167

fetch

decode

execute

E per finire ...



RAMCPU


memoria secondaria


La Memoria Secondaria• Limitazioni della RAM: poco capiente, costosa, volatile è necessario usare la memoria secondariamemoria secondaria

• Caratteristiche della memoria secondaria:– capientecapiente– (relativamente) poco costosa(relativamente) poco costosa– non volatilenon volatile– lenta!lenta!


La Memoria Secondaria• La CPU può eseguire (ed elaborare) esclusivamente programmi (e dati) che risiedono in memoria principale• I programmi e i dati risiedono in memoria secondaria• Perciò devono essere copiati in memoria principale• Quando si esegue un programma, il sistema operativo lo copia da memoria secondaria (es. hard disk) in RAM; l’operazione si chiama loadingloading o caricamentocaricamento


La Memoria SecondariaÈ composta da:• supporti di memorizzazione

componente fisico in cui vengono immagazzinati i dati

Es.: cd

• dispositivi di memorizzazioneleggono/scrivono dati dal/sul supporto di memorizzazione

Es.: lettore cd


La Memoria SecondariaTecnologie diverse:• magneticamagnetica

• otticaottica

• magneto-otticamagneto-ottica• flash (o allo stato solido)flash (o allo stato solido)


La Memoria Magnetica• Sfrutta il fenomeno fisico della polaritàpolarità• Sul supporto sono presenti particelle che si comportano come dipoli magnetici

• La testina di lettura/scrittura cambia/rileva la polarità delle particelle• Prese due dipoli adiacenti:

– stessa polarità 0– diversa polarità 1

• Usata per floppy disk, hard disk e nastri

Ad esempio.....

s n ns n s

0 1

Oppure....


La Memoria ottica

• Tecnologia usata nei Compact Disk e nei DVD


La Memoria ottica• Sfrutta la riflessioneriflessione della luce di un laser


La Memoria ottica• Sfrutta la riflessioneriflessione della luce di un laser• Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pitpit)


La Memoria ottica• Sfrutta la riflessioneriflessione della luce di un laser• Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pitpit) che formano zone chiare (luce riflessa) e zone scure (luce non riflessa)



– chiaro/scuro o scuro/chiaro 1– chiaro/chiaro o scuro/scuro 0



– chiaro/scuro o scuro/chiaro 1– chiaro/chiaro o scuro/scuro 0

11 11 11 00 11 00 11 00 11 11


La Memoria magneto-ottica• Sfrutta la polarità magnetica di particelle

– per scrivere un laserlaser riscalda la superficie fino a una temperatura adatta per modificare la polarità– per leggere usa una testina magneticatestina magnetica

• Usata per dischi rimovibili• Dischi molto capienti, cancellabili e riscrivibili, duraturi e sicuri


Memoria flash o allo stato solido• Costituita da chip simili a quelli della RAM ma in grado di registrare in modo permanente• Tempo di accesso ridotto• Leggera e facilmente trasportabile• Usata per dispositivi di piccole dimensioni

– PDA– macchine fotografiche digitali– penne USB– cellulari


Caratteristiche della memoria secondaria


Accesso diretto o sequenziale

Due modalità possibili di lettura o scrittura• accesso direttodiretto o randomrandom: si accede a qualunque punto del supporto direttamente• accesso sequenzialesequenziale: si accede ad un punto solo dopo aver letto/scritto fino a quel punto

Es.: CD audio vs. musicassette


VelocitàQuanto tempotempo occorre per leggere informazioni da un supporto?Dipende da:• tempo di accessotempo di accesso: tempo impiegato per iniziare a leggere i dati• velocità di trasferimentovelocità di trasferimento: velocità con cui i dati vengono effettivamente trasferiti in RAM

In un disco, entrambi dipendono dalla velocità di rotazione velocità di rotazione (numero di rotazioni per minuto; ad es. 7200 rpm)


Velocità

Il tempo di accesso e la velocità di trasferimento dipendono dal dispositivo:


Capacità di memorizzazione

Capacità di memorizzazione: quantità di dati memorizzarizzabile sul supportoDipende da:• dimensione (lunghezza e/o superficie) del supporto• densità di memorizzazione


Memorie di un elaboratore

Registri

Mem. cache

Dischi magneticie/o ottici

Mem. centrale

Nastri magnetici

16 B-64 B

10*millisecondi /secondi

128 KB-512 KB

128 MB-2 GB

660 MB-100 GB

> 10 GB

100 picosecondi

nanosecondi

10*nanosecondi

10*microsecondi / millisecondi

Tem

po

di a

cces

soCap

aci tà

(picosecondi=10-12 s; nanosecondi=10-9 s; microsecondi=10-6 s)


Supporti di memorizzazione


L’Hard disk

• Tecnologia magnetica• La memoria secondaria più diffusa• Dimensioni piccole, elevate capacità

Formattazione• FormattazioneFormattazione dei supporti

– preparazione della superficie del supporto per la memorizzazione delle informazioni

In particolare nella formattazione del disco rigido(Hard Disk) esso viene diviso in settori cui e' assegnatauna codifica binaria, per permettere di recuperare rapidamente l'informazione.

Formattare l' hard disk significa smagnetizzarlo e rimagnetizzarlo quindi ogni informazione presente e' persa irrevocabilmente .

In genere oggi il disco rigido viene vendutogia' formattato e con programmi applicativi gia' immagazzinati in memoria. Attenzione prima di formattarlo!

Attenzione:

La formattazione suddivide il disco rigido in

1. Settori2. Tracce circolari3. Spazi vuoti tra le tracce (gaps)


L’Hard disk

• Tecnologia magnetica• La memoria secondaria più diffusa• Dimensioni piccole, elevate capacità• Struttura:

– pila di dischi

in rotazione– testine mobili– perno centrale


I bit sull’Hard disk

Vista dall’alto



Traccia



Traccia

Settore



Traccia

Settore

Blocco



Traccia

Settore

Blocco

Testina L/S



Traccia

Settore

Blocco

Testina L/S

Rotazione del disco



Traccia

Settore

Blocco

Testina L/S

Rotazione del disco

Spostamento testina


I cluster Blocco

I blocchi (o cluster) sono l’unità minima di memorizzazione:

• hanno tutti la stessa capacità (in un dato disco)

• ogni file occupa come minimo un blocco (più di uno se supera la capacità)

• un blocco non può essere occupato da più di un file

Per es.: cluster da 4 KB: quanto spazio occupa un file da 1 KB?

4 KB (cioè un cluster)!

E un file da 5 KB?

8 KB (cioè due cluster)


Tempo di accesso in un hard disk

tempo di accessotempo di accesso


• seek timeseek time (tempo di posizionamentotempo di posizionamento): tempo impiegato per localizzare la traccia su cui sono memorizzati i dati




• seek timeseek time (tempo di posizionamentotempo di posizionamento): tempo impiegato per localizzare la traccia su cui sono memorizzati i dati• latenzalatenza: tempo impiegato perché i dati arrivino e scorrano sotto la testina di lettura




tempo di accesso = tempo di accesso = seek time + latenzaseek time + latenza


• latenzalatenza: tempo impiegato perché i dati arrivino e scorrano sotto la testina di lettura


Quale figura rappresenta correttamente i concetti di traccia, settore e blocco?

Quindi se ci viene chiesto:

Quale figura rappresenta correttamente i concetti di traccia, settore e blocco?

Correct answer: c

Quindi se ci viene chiesto:

Sappiamo rispondere

E naturalmente sappiamo rispondere anche a queste domande...


I Floppy disk

• Tecnologia magnetica• Bassa capacità (1.44 MB)• Trasportabile• Deteriorabile• Sostituibili da dischetti ad alta capacità (anche magneto-ottici) o penne USB

Formattazione

Originariamente occorreva formattare Il floppy disk: oggi, in genere, vengono venduti gia' formattati

Nel corso degli anni sono stati prodottidiversi tipi di floppy disk

Oggi sono sostituiti da dischetti ad alta capacità (anche magneto-ottici) o da penne USB


I Dischi ottici

• Lettura/scrittura laser• Buona capacità di memorizzazione• Economici• Evitano la trasmissione di virus (se già non li contengono)• Affidabili e duraturi• Buona velocità di trasferimento


I Dischi otticiDiverse categorie:• CD-ROM: simili ai CD musicali

– solo leggibili– capacità fino a 660 Mbyte

• CD-R: CD scrivibili una volta (R = Recordable)• CD-RW: CD scrivibili più volte (~ 1000 volte) (RW = ReWritable)• DVD: come i CD-ROM ma più capienti

– capacità 4.7 GB (può arrivare fino a 17 GB)– DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW (e DVD+R, DVD+RW)

Durata dei supporti: • ROM: 50-300 anni, R: 20-250 anni, RW: 25-100 anni• vero problema: obsolescenza tecnologica

Nastri magnetici

● Molto lenti

● Grande capacita' di memoria

I nastri magnetici venivano usati dai centridi calcolo per “salvare” periodicamente i dati (ad es. contenuti negli hard disk) e conservarli al sicuro.Ad esempio i centri di calcolo delle banche ogni giorno salvavano su nastri magnetici i dati di tutte le transazionieseguite. Oggi vengono usate altre tecnologie,ad esempio memorie Eprom.


Aumento della memoria• Espansioni della memoria principale• Juke-box

– ospita molti CD– seleziona automaticamente il CD necessario

• Libreria di nastri– insieme di nastri selezionabili da un robot

Alcune importanti operazioni

1) Compressione

2) Back up dei dati (importante)


CompressioneCompressione operata da:• Sistema:

– “trasparente” per l’utente– si comprimono file specifici o anche l’intero disco [NB: il libro non è preciso]

• Programmi di utilità: – l’utente crea archivi– si comprimono file specifici o gruppi di file – formati compressi (senza perdita di informazioni): zip, rar, gz– inutile comprimere formati già compressi (jpg, gif, mp3, divx)

Ottimizza l’uso dello spazio– trasferimento in rete più veloce– reperimento più lento


Backup dei dati• BackupBackup: CopiaCopia di tutti o di parte dei dati su altri supporti• Operazione costosacostosa in termini di tempo e di spazio, ma necessarianecessaria• Conservazione in luoghi fisicamente luoghi fisicamente distantidistanti

Perche' e' importante il backup dei dati?

I dati possono essere persi! Per:

●Cattiva installazione o uso di un programma

●Cattivo funzionamento dell' hard disk●Mancanza di corrente●Catastrofi naturali●Furto



RAMCPU

memoria secondaria



Slot di espansione

• Slot di espansioneSlot di espansione: connettoreconnettore presente su una scheda (come la scheda madre) nel quale possono essere inserite nuove schede• Le capacità di un computer possono essere estese inserendo apposite schede negli slot di espansione

– schede grafiche– schede audio– modem/fax– schede di acquisizione video


Comunicazione con dispositivi di I/O

• I dispositivi di I/O sono le perifericheperiferiche dell’elaboratore• Sono collegate all’elaboratore attraverso le porteporte, cioè delle prese• Vari tipi di porteVari tipi di porte, che differiscono per l’aspetto fisico, per le caratteristiche elettriche/ottiche, velocità, e più in generale per il protocollo (ad es. il formato dei dati scambiati sulla porta)

167

Tipi di porteIn un PC troviamo questi tipi di porte:•2 o più porte USBUSB (per varie

periferiche, fino a 127 in serie)•1 porta parallelaparallela (per la stampante)•0 o più porte firewirefirewire (IEEE 1394, per

varie periferiche, fino a 63, dotate di larga banda passante, cioè in grado di trasmettere molti bit al secondo)

•0 o più porte SCSISCSI (/'skʌzi/, per dischi esterni, scanner, fino a 16 periferiche)


Tipi di porte

SCSI: Small Computer System InterfaceUSB: Universal Serial Bus


Dispositivi di Input/Output

Servono a comunicare e interagire con l’elaboratore; non necessariamente con un essere umano


Dispositivi di input• Tastiera• Dispositivi di puntamento (mouse, ...)• Microfono (in generale Line In)• Scanner• Fax

La tastiera

La versione standard ha 101 tasti; diverse per nazionalità, infatti...

Tastiere ergonomiche

Tastiere virtuali Il touch screen: basta “premere”lo schermo o toccarlo con una penna ottica


Dispositivi di input di immagini

• Scanner– A piano fisso– A tamburo– Manuale

• Macchine fotografiche• Telecamere digitali• Frame grabber per acquisizione da telecamere analogiche


Dispositivi di input di puntamento

• Mouse• Trackball• Touch pad• Tavoletta grafica• Joystick• Mouse senza filo


Dispositivi di output

• Stampanti• Videoterminali• Videoproiettori• Casse acustiche• Plotter


Elementi di output

• PixelPixel: picture element• DotDot:

– elemento di immagine su una pagina stampata

• Bit mappingBit mapping:– ogni pixel ha un indirizzo – la CPU può modificare ogni pixel


Elementi di output

• Risoluzione (stampa)Risoluzione (stampa):– indica la qualità di una immagine– si misura in punti per pollice (dpi, dots per inch)– più è elevata, migliore è l’immagine

• Dot pitch Dot pitch dei monitor: – distanza tra i fosfori o le celle LCD (RGB) sullo schermo


Elementi di output

• FontFont: tipo di carattere– forma (Courier, Times, ...)– stile (Normale, Grassetto, ...)– dimensione (12, 13, 24, ...)


•Font bitmapFont bitmap: caratteri rappresentati come matrice di punti

• Font scalabiliFont scalabili: caratteri rappresentati come serie di formule

Le stampanti


Le stampanti

• LaserLaser: qualità di stampa fotografica– risoluzione fino a 1200 dpi– a colori hanno costi ancora elevati


Le stampanti

• A matrice di puntiA matrice di punti: le più vecchie– testina ad aghi– bassa risoluzione– stampa su moduli continui

• PlotterPlotter: per stampare disegni tecnici– pennini colorati– alta risoluzione e precisione


Le stampanti

• Macchine digitali da stampaMacchine digitali da stampa:– stampano su qualsiasi materiale

• Stampanti fotograficheStampanti fotografiche: stampano foto digitali

• InkjetInkjet: le stampanti a colori più diffuse

– le testine ‘gettano’ gocce di inchiostro colorato sulla carta


Come avviene la stampa

La stampa di un documento o immagine è un’operazione complessa, dipende dalla stampante; parte di tale complessità è gestita dal driverdriver della stampante

N.B.: NON solo nelle stampanti laser

Per finire questa parte....

In conclusione


Il BUS• BusBus: linea di comunicazione per la trasmissione di informazioni tra i vari componenti del sistema● Fisicamente, è un insieme di collegamenti in rame● Tutti i componenti del sistema sono collegati al bus●La dimensione del bus indica quanti dati possono viaggiare

contemporaneamente:tipicamente 32 o 64 bit.

Il BUS di sistema

l bus di sistema è un gruppo di collegamenti che uniscono la CPU agli altri dispositivi del computer. Comprende: – Linee per trasmettere indirizzi – Linee per trasmettere dati – Linee per i segnali di controllo



Bus di sistema

L’uso del bus ‘standard’ rallenterebbe le operazioni di scambio dei dati tra memoria, CPU (che sono molto frequenti) e scheda video.Esiste quindi un bus dedicato che mette in connessione diretta RAM, CPU e scheda video

Il BUS locale


Il BUS locale• Il bus localebus locale è un’evoluzione del bus di sistema, per il collegamento veloce tra CPU, memoria e periferiche veloci (es. riprese video, schede video che mandano il segnale al monitor)

• Metodo molto flessibile: facile aggiungere componenti

E per finire....

Load 3568 R1 Add R1 R2Store R1 3568Jump 1000

25

1000

1001

1002

1003

3568CPU

ALU

30

R1

R2

Al termine delle istruzioni che valore e' contenuto in 3568?

E per finire....

Consideriamo

Load 3568 R1

Add R1 R2

Store R1 3568

Jump 1000

25

1000

1001

1002

1003

3568CPU

ALU

30

R1

R2

Supponiamo che R2 contenga il valore 30e che R1 sia un accumulatore

Al termine delle istruzioni che valore e' contenuto in 3568?


25

1000

1001

1002

1003

3568CPU

ALU

25

30

R1

R2

La prima istruzionememorizza in R1 ilvalore contenuto in 3568

Load 3568 R1

Add R1 R2

Store R1 3568

Jump 1000

25

1000

1001

1002

1003

3568CPU

ALU

55

30

R1

R2

La seconda istruzione somma i valoricontenuti in R1 e R2 memorizza il risultato in R1

Load 3568 R1

Add R1 R2

Store R1 3568

Jump 1000

55

1000

1001

1002

1003

3568CPU

ALU

55

30

R1

R2

La terza istruzione memorizza il contenuto di R1 in 3568


55

1000

1001

1002

1003

3568CPU

ALU

55

30

R1

R2

La quarta istruzionefa saltare il programmaalla memoria 1000 eil processo si ripete

Il valore in 3568 ora e' 55; e la prossima volta?

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