Hardware. Il computer è una macchina programmabile, cioè può essere istruita ad eseguire compiti differenti.

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1 Hardware Che cos è un computer Hardware dei personal computer (pc) Perché il binario? La memoria del computer Il processore Gestione dell input/output Hardware Software Il computer è una macchina programmabile, cioè può essere istruita ad eseguire compiti differenti. Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

2 Hardware e software Hardware: parti fisiche del computer, costituite di componenti meccaniche ed elettroniche Software: programmi e dati, intangibili, che dirigono le operazioni svolte dall hardware Programma: lista di istruzioni per il computer (processore) Dato: qualunque informazione che serve ad un programma: numero, carattere, suono immagine,... Informatica Generale (CdL in E&C), A.A I compiti generali di un elaboratore Trasmissione dati Unità centrale (elaborazione e controllo) Video Trasferimento dati Stampante Dischi RAM Memorizzazione permanente e temporanea Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

3 Classi di computer Mainframe (es. IBM 3090) Grandi sistemi informativi ( 100 terminali) Supercomputer (es. CRAY T3E) Calcolo scientifico intensivo Minicomputer/server (es. IBM AS/400) Sistemi informativi aziendali medio/piccoli ( 10 terminali) Workstation (es. Sparcstation SUN) Applicazioni ingegneristiche, grafica Personal computer Informatica Generale (CdL in E&C), A.A HARDWARE DEI PERSONAL COMPUTER (PC) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

4 Famiglie di Personal Computer A torretta (tower e minitower) Da scrivania (desktop) Portatile (notebook o laptop) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Architettura logica di un PC Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

5 Scheda madre (main board o motherboard) CPU (microprocessore) Memoria RAM Circuiti di collegamento per il trasporto dei dati (data bus) Circuiteria per le funzioni base di I/O (disk controller Slot per schede di espansione (scheda grafica, scheda audio, scheda LAN e modem interno) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Processore Un quadratino di plastica di circa un pollice di lato con all interno un quadratino ancora più piccolo di silicio contenente più di 100 milioni di transistor (attualmente) È il cervello del computer Svolge le fondamentali funzioni di calcolo Reperisce dati dalla RAM o dai dispositivi periferici Invia dati alla RAM o ai dispositivi periferici Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

6 Memoria centrale o primaria (RAM) Diversamente dal cervello umano, un processore ha internamente poca memoria funzione svolta da altri componenti Vi sono due tipi fondamentali di memoria memoria centrale (o RAM): contiene programmi in corso di esecuzioni con relativi dati memoria secondaria: deposito permanente di dati e programmi Dati e programmi sono memorizzati allo stesso modo Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Caratteristiche della RAM Strettamente collegata al processore (milioni di interazioni al secondo) Utilizzata per contenere i programmi in esecuzione con i relativi dati Contenuto facilmente modificabile Volatile (il contenuto si perde in assenza di alimentazione) Veloce(7 70 ns per accedere ad un dato), ma relativamente poco capiente Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

7 Memoria secondaria (o di massa) Contiene programmi e dati organizzati in file Collegata alla memoria centrale ma non (direttamente) al processore per essere eseguiti i programmi devono essere copiati nella RAM Utilizzabile per memorizzazione permanente Enorme capacità rispetto alla RAM ma elevato tempo di accesso ai dati (dell ordine dei millisecondi) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Dispositivi di memoria secondaria Dischi magnetici (hard disk) Memorizzazione permanente di programmi e dati Dischi magnetici (floppy disk) Trasferimento dati fra computer Nastri magnetici Backup dei dati Dischi ottici (CD ROM) Distribuzione di programmi, giochi, ecc. Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

8 Dischi rigidi (hard disk) L hard disk registra i byte su una superficie magnetica La registrazione e la lettura sono effettuate da una testina di lettura/scrittura La lettura/scrittura da disco richiede molto tempo poiché coinvolge movimenti meccanici Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Dischi rigidi (2) Velocità di rotazione: giri/min Formato a tracce e settori (valori tipici: 400 tracce, 32 settori) Testina di lettura a movimento radiale Tempo di accesso (5 10 msec) vicino al limite fisico Capacità elevate (> 4 GB) Costo contenuto (< 100 lire/mb) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

9 Dischetti rimovibili (floppy disk) Supporti circolari (diametro 3.5 o 5.25 pollici) magnetizzati, in rotazione solo al momento dell accesso Velocità di rotazione bassa ( giri/min Tempo di accesso elevato (decimi di sec.) Capacità limitata (1.44 MB) Costo unità contenuto (poche decine di migliaia di lire) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Streamer Unità zip (da 100MB e 250MB) Costo ormai inferiore a 200K lire Unità jazz (fino a 2GB) Costo inferiore a 500K lire Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

10 Nastri magnetici Organizzazione sequenziale con blocchi (detti record fisici) multitraccia Accesso sequenziale Densità di registrazione Byte per pollice (bpi) Tempo di accesso molto elevato (può essere dell ordine dei minuti) Uso per copie di sicurezza (backup) Costo relativamente elevato ( 2 Mlire per unità DAT) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Lettori ottici (CD ROM) Supporti circolari non riscrivibili Memorizzazione dei dati a spirale Lettura mediante raggio laser Velocità misurata come Nx (cioèn volte la velocità del tradizionale CD musicale) Capacità elevate in rapporto ai floppy disk ( 650 MB) Costo unità contenuto ( Mlire) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

11 CD- RW (masterizzatori) e DVD Un CD-RW consente la scrittura (write once) di un CD Il costo di un buon CD-RW può superare, di poco, il milione di lire Un DVD (Digital Versatile Disk) ha una capacità molto superiore ad un normale CD (> 4GB) possibilità di memorizzare filmati Il costo di una unità DVD varia tra 500K e 1M lire Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Dispositivi di I/O (periferiche) Tastiera Mouse Microfono Scanner Monitor Altoparlante Stampante Dispositivi di Input Dispositivi di Output Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

12 Stampanti (prestazioni) Risoluzione Velocità Uso tipico Colore Aghi dpi car/sec Ink jet dpi 1 6 pag/min Laser jet Da 600 dpi 4 20 pag/min Modulo continuo, copie cc Personal Computing Professional Computing Bassa qualità Buona qualità Costo elevato Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Modem Modulatore/demodulatore Effettua conversioni digitale/analogico e viceversa per trasmissioni su linea telefonica Velocità tipica attuale 56Kbit/sec Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

13 Caratteristiche dell architettura dei PC Modularità scheda madre bus e schede di espansione Scalabilità Standardizzazione grande disponibilità di componenti economicità, basso rapporto costo/prestazioni Informatica Generale (CdL in E&C), A.A PERCHÉ IL BINARIO? Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

14 Dispositivi binari Dispositivo binario = che può essere in uno di due stati possibili, variamente indicati con 0/1, falso/vero, off/on Un bit è un singolo valore 0/1 Sono dispositivi binari? un interruttore della luce tradizionale l interruttore di avviamento di una macchina la lancetta delle ore di un orologio un tasto su una calcolatrice tascabile il pomello di controllo del volume di una radio Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Perché i computer usano dispositivi e segnali binari I dispositivi binari sono più semplici da costruire I segnali binari sono non ambigui Si possono fare copie fedeli dei segnali binari Tutto ciò che si può rappresentare come sequenza di simboli si può rappresentare come sequenza di simboli binari Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

15 Segnale binario Segnale analogico Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Trasmissione imperfetta Rigenerazione fedele Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

16 L orologio del computer (clock) Lo stato dei dispositivi binari all interno di un computer richiede un certo tempo per cambiare (0 1 o 1 0) Quindi la lettura dei valori binari (0/1) può avvenire solo a determinati istanti Questo è il motivo per cui i computer hanno un orologio (generatore di impulsi) Orologio più veloce implica computer più veloce (a parità di altre condizioni) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A LA MEMORIA DEL COMPUTER Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

17 Bit In memoria (centrale o secondaria) l informazione è immagazzinata sotto forma di sequenze di bit Un bit è un singolo valore 0/1 (off/on) Un bit può essere implementato in molti modi un commutatore elettromeccanico la tensione agli estremi di un conduttore un transistor un piccola superficie magnetizzata su disco/nastro una piccola superficie riflettente su un CD Informatica Generale (CdL in E&C), A.A L informazione si può copiare Non cambia quando è copiata da un mezzo ad un altro Si possono fare quante copie si vuole Esempio: download di un brano musicale da un sito Web: disco magnetico del sito web memoria centrale interfaccia di rete rete vostro modem memoria centrale scheda audio L informazione rappresentata non cambia Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

18 Byte Un bit è così poca informazione che la memoria è organizzata in gruppi di 8 bit, detti byte Gruppi di N byte (N dipende dal particolare computer) vengono detti word Sugli attuali PC, N=4 Per rappresentare i dati sono spesso richiesti molto più di 8 bit, a volte milioni o anche miliardi di byte Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Potenze di due Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

19 I n d i r i z z i Un immagine della memoria centrale Memoria centrale La memoria consiste di una lunga lista di byte Ogni byte ha un indirizzo Ogni rettangolo in figura rappresenta una locazione di memoria Ogni locazione di memoria contiene un byte L indirizzo di ogni locazione NON è parte della memoria Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Il contenuto della memoria I n d i r i z z i Memoria centrale Ciò che una sequenza rappresenta dipende dal contesto (cioè dal modo in cui un programma usa la sequenza) Esempio: il byte (memorizzato all indirizzo 2) può rappresentare il carattere Q o il numero 81 o altro ancora Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

20 Lettura e scrittura Il processore può fare due cose fondamentali con la memoria: Può scrivere un byte ad un dato indirizzo il contenuto precedente è perduto il nuovo contenuto rimane per un uso futuro Può leggere un byte il processore ottiene la sequenza di bit il contenuto della particolare locazione rimane inalterato Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Programmi e memoria Una sezione della memoria contiene i dati elaborati da un programma in esecuzione: il contenuto di questa porzione di memoria viene generalmente modificato Un altra sezione contiene le istruzioni del programma: il contenuto rimane (generalmente) inalterato Usando linguaggi di programmazione ad alto livello (C, Java, ), non è necessario tenere traccia del contenuto della memoria Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

21 Organizzazione dei dati sulle memorie di massa Ogni entità referenziabile su disco è un file un programma un insieme di dati utilizzati da un programma un archivio di dati ungrafico I file sono identificati da un nome (filename) nome Esempi: tesi.doc, sort.java, sort.class estensione Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Una classificazione dei file File eseguibili contengono istruzioni per il computer appaiono in formato non comprensibile all utente sono eseguiti su richiesta dell utente o di altri programmi File di dati contengono parole, numeri, immagini che possono essere visti, modificati, stampati sono creati utilizzando software applicativo (tipicamente) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

22 IL PROCESSORE (CPU) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Che cosa c è nel processore? Unità aritmetico logica (detta ALU) esegue le operazioni Unità di controllo controlla l ordine di esecuzione delle istruzioni del programma Registri generali sono la (piccola) memoria del processore Registri speciali Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

23 Ciclo base di un computer Programmi e dati risiedono nella RAM La CPU esegue ciclicamente la seguente procedura: Recupera un istruzione dalla RAM Decodifica l istruzione Recupera dalla RAM gli eventuali dati specificati dall istruzione Esegue l istruzione (può comportare il trasferimento da/verso i disp. periferici) Scrive nella RAM gli eventuali risultati Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Operazioni di macchina Il processore è in grado di eseguire operazioni semplici e molto dettagliate, come sommare due numeri illuminare un certo punto sul video spostare un byte da una posizione ad un altra della memoria verificare se un bit ha il valore 1 Sembra davvero poco! Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

24 La forma delle istruzioni macchina Ogni istruzione consiste di più byte Ogni istruzione specifica: un codice operativo, che individua un operazione di macchina uno o più operandi, che specificano i dati su cui agire Unprogramma eseguibile è una sequenza di istruzioni macchina Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Un esempio (non necessariamente reale) 8 bit 8 bit 16bit Codice operativo Operando1 Operando2-256 possibili codici operativi (quindi 256 istruzioni) - Operando1 indica uno fra 256 possibili registri della CPU - Operando2 denota un indirizzo fra 0 e Esempio: Carica... il byte all indirizzo 296 nel registro 1 Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

25 Un frammento di programma Carica nel registro 1 il byte all indirizzo 296 Carica nel registro 2 il byte all indirizzo 300 Somma i contenuti dei registri 1 e 2 e metti il risultato nel registro 3 Memorizza il contenuto del registro 3 nella posizione di memoria di indirizzo Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Processori diversi Processori differenti hanno differenti istruzioni ed operazioni di macchina Un programma in linguaggio macchina di un Pentium non ha senso per un processore Apple tuttavia un processore è comunque in grado di fare ciò che fa l altro, usando un codice macchina differente Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

26 Fattori che incidono sulla velocità della CPU Frequenza dell orologio interno (clock) Complessità del set di istruzioni (processori RISC vs CISC) Presenza di coprocessore matematico Presenza di una memoria cache Velocità di trasferimento dei dati sul bus Dimensione della parola (word size) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Data bus Collega i componenti sulla scheda madre Trasporta i dati fra il processore e gli altri componenti (in particolare, la RAM) Consiste di linee per il trasporto di indirizzi linee per il trasporto di dati Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

27 Memoria cache Memoria veloce (tempo di accesso 4 ns) che consente un più rapido accesso ai dati da parte della CPU Il computer prevede quali sono i dati che verranno richiesti dal programma e li carica nella cache principi di località spaziale e temporale La CPU prima controlla se i dati siano nella cache prima di richiederli alla RAM Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Gerarchie di memoria Velocità Registri Cache RAM Memorie di massa Costo/bit Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

28 Memoria ROM (Read-only memory) Memoria permanente che contiene le istruzioni che consentono (fra l altro) l avviamento del computer (bootstrap o semplicemente boot) Basic I/O System (ROM BIOS) Insieme di istruzioni che istruiscono il computer sul modo di accedere ai dischi magnetici Informatica Generale (CdL in E&C), A.A GESTIONE DELL INPUT/OUTPUT Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

29 Interfaccia di I/O Scheda di interfaccia (fra bus e periferica) Modalità di trasferimento seriale: mouse, tastiera (standard RS- 232C) parallelo: stampante (standard centronics) Gestione dell I/O a controllo di programma mediante interruzione con accesso diretto alla memoria (Direct Memory Address, o DMA) Informatica Generale (CdL in E&C), A.A Esempio di gestione della stampa di una riga A controllo di programma Il processore invia un carattere alla scheda di interfaccia, attende che questa segnali l avvenuta stampa, quindi invia il carattere successivo. Mediante interruzione Il processore invia un carattere alla scheda, quindi si occupa d altro. Quando la stampa termina, l interfaccia manda un segnale di interruzione al processore per segnalare la nuova disponibilità dell unità periferica. Con accesso diretto alla memoria Il processore invia ad una opportuna unità DMA l indirizzo di memoria e la lunghezza del blocco dati da stampare. L unità DMA gestisce quindi l I/O. Informatica Generale (CdL in E&C), A.A

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