L hardware. Breve storia dei Computer. Premessa - Unità di misura. Scopo della lezione. Breve storia dei Computer. Premessa - Prefissi

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1 1 4 Breve storia dei Computer Stibitz: computer con relè telefonici e lampadine 1945 Turing, Von Neumann: ENIAC (primo computer elettronico, non programmabile) 1947 Bardeen, Brattley Shotky: il transistor Shannon: Teoria dell informazione il micro 1976 il primo personal computer (Apple) 2 Scopo della lezione 5 Premessa - Unità di misura Descrivere i componenti hardware del calcolatore e il suo funzionamento secondo il modello di macchina di Von Neumann Lo spazio (di memoria) si misura in Bit [b] unità fondamentale di memorizzazione Vale 0 o 1 Byte [B] insieme di 8 bit Il tempo si misura in secondi [s] La frequenza (del clock) si misura in Hertz [Hz] (1 Hz equivale a 1 ciclo al secondo) L ampiezza di banda (di trasmissione) si misura in bits/s [b/s] 3 Breve storia dei Computer 6 Premessa - Prefissi (Abaco) Pascal: Pascalina (somme e sottrazioni di n i a 8 cifre) Leibniz: Perfezionamento della Pascalina: anche moltiplicazioni e divisioni Jaquard: telai meccanici che usavano schede perforate (sistema programmabile!) Babbage: Analytical Engine (Non riuscì a realizzarla) Hollerith: Macchina per il censimento degli americani (basata sulle idee di Babbage) T G M K Tera Giga Mega Kilo migliaia di miliardi miliardi milioni migliaia 2 40 = = = = 1024

2 bus di sistema 7 HW (modello di Von Neumann) 4 componenti hw principali il la memoria le periferiche il bus Bus 10 La scheda madre memoria interfaccia alle periferiche CPU Centrale 8 Modello di Von Neuman 11 Componenti hw del computer Caratteristiche principali: Programma e dati sono memorizzati nella memoria centrale Macchina programmabile! Monitor Tastiera Mouse Memorie di massa centrale CPU Sequenzialità delle operazioni BUS Input Output Input/Output (I/O) 9 La scheda madre 12 Il La piattaforma su cui sono montate alcune componenti del PC (, memorie, modem interno, bus di sistema) è detta scheda madre (mother board) Contiene slot liberi per l aggiunta di memoria supplementare o di co-processori scheda video alcune prese (chiamate porte) per il collegamento di periferiche esterne schermo, tastiera, modem esterno

3 13 Il 16 Il Il o CPU (Central Processing Unit): calcola e controlla il movimento dell informazione ed è responsabile dell esecuzione dei programmi. La CPU è costituita da circuiti che contengono milioni di transistor collegati tra loro da sottilissimi fili e stampati su una sottile lamina di silicio. Si parla anche di micro. La CPU esegue istruzioni scritte in un particolare linguaggio detto macchina. Linguaggio macchina: serie di numeri a cui corrispondono istruzioni specifiche (Instruction Set) Ogni modello di CPU, ha un proprio linguaggio macchina, diverso da quello di altri processori 14 Il 17 Il Unità di Controllo (UC): coordina le diverse attività svolte all interno del Registri: piccole unità di memoria estremamente veloci, fisicamente contenute nel chip, memoria volatile Unità Aritmetico Logica (ALU): insieme di circuiti in grado di svolgere le operazioni aritmetiche e logiche Ogni istruzione del linguaggio macchina viene eseguita dalla CPU svolgendo una serie di operazioni elementari Il numero di operazioni elementari necessario per completare l esecuzione di un istruzione in linguaggio macchina è dell ordine di 7-10 Clock: orologio di sistema che rende sincrone le operazioni rispetto a una scansione temporale 15 Il - Legge di Moore Gordon Moore, co-fondatore di Intel, 1965 Ogni 18 mesi raddoppia la densità dei transistor nei circuiti integrati 18 Il - Clock Il tempo richiesto dal micro per svolgere un operazione elementare è detto ciclo di clock la durata tipica oggi giorno è inferiore al nanos Il numero di cicli di clock nell unità di tempo, o frequenza di clock, si misura in GHz Xeon 3 GHz Pentium GHz Athlon 1.6 GHz PowerPC G5 2 GHz è uno dei parametri caratteristici di un (Fonte:

4 bus di sistema 19 Il - Clock 22 Il - Esecuzione Dati due processori con lo stesso linguaggio macchina, risulterà più veloce quello con frequenza di clock maggiore Non è possibile dire nulla su processori con linguaggi macchina diversi Es. Pentium vs PowerPC Altri fattori contribuiscono alle prestazioni di un memoria, bus, cache, natura dei programmi eseguiti Fetch il preleva dalla memoria l istruzione da eseguire e la carica al suo interno Decode il decodifica l istruzione da eseguire Execute il esegue le operazioni corrispondenti all istruzione 20 Il - Clock (esempio) 23 Il - Registri Computer A 500 MHz 10 operazioni elementari per istruzione A impiegherà 2s Computer B 400 MHz 6 operazioni elementari per istruzione devono eseguire un programma di 100M istruzioni macchina B impiegherà 1,5s Sono la memoria interna al Usati come appoggio durante l esecuzione delle istruzioni per trasferire i dati dalla/alla memoria, per salvare i risultati parziali delle operazioni artimetico/logiche Sono solitamente poche decine (32-64) 21 Il - Esecuzione 24 Il - Registri L esecuzione di un programma richiede il caricamento del programma dal disco alla memoria centrale per ogni istruzione del programma, esecuzione di tre tipi di operazioni: Fetch Decode Execute memoria interfaccia alle periferiche

5 25 Il - Più d uno 28 Il - Più d uno A seconda del tipo di uso che si fa del computer, per migliorarne le prestazioni si possono aggiungere dei co-processori processori specializzati nell esecuzione di compiti specifici che operano sotto il controllo della CPU gestione dello schermo, calcolo scientifico, crittografia memoria interfaccia alle periferiche bus di sistema 26 Il - Più d uno 29 Componenti hw del computer memoria co- bus di sistema Monitor Tastiera Mouse Memorie di massa centrale CPU interfaccia alle periferiche co- BUS Input Output Input/Output (I/O) 27 Il - Più d uno 30 La memoria centrale Il miglioramento con un co- è legato ad una particolare funzionalità Si possono costruire sistemi con più CPU che operano in modo simultaneo e indipendente, e condividono le altre risorse del computer il sistema operativo coordina l accesso alle risorse In questo caso si parla di sistemi paralleli, o multi-, o ancora di elaboratori vettoriali

6 31 La memoria centrale 34 La memoria - Word Svolge funzioni di immagazzinamento delle informazioni sulle quali opera il dati e programmi L unità di informazione minima è il bit (binary digit) può essere considerato come una casella in cui è possibile scrivere il simbolo 0 oppure il simbolo 1 (e solo quelli) La sua capacità si misura nel numero di byte che contiene complessivamente 256 MB memorizzano caratteri circa l equivalente di otto enciclopedie da dieci volumi Una word (o parola) è un insieme di bit accessibili simultaneamente dalla CPU Una CPU viene spesso identificata attraverso la lunghezza della parola che contiene gli indirizzi di memoria che la CPU è in grado di usare micro a 16, 32, 64 bit La dimensione comune di una word è 32 bit 32 La memoria centrale 35 La memoria - Bit, byte, word Nella memoria centrale sono caricati il sistema operativo e i programmi e i dati, che diversamente risiedono sul disco il sistema operativo viene copiato in una zona ad esso riservata della memoria centrale all avvio del computer e lì rimane fino a quando verrà spento il computer dati e programmi sono caricati di volta in volta nello spazio restante e scaricati sul disco quando non sono più in uso Centrale Zona riservata al sistema operativo Programmi applicativi e dati Area libera BIT BYTE WORD 33 La memoria - Byte 36 La memoria - Le celle Una sequenza di 8 bit è detta byte, ed è diventata un unità di misura della disponibilità di memoria spesso è anche la minima unità di memoria trasferibile tra la memoria e la CPU Permette di rappresentare i caratteri stampabili (le lettere dell alfabeto, le cifre, i simboli della punteggiatura,, per un totale compreso tra 90 e 120) usando una sequenza di 7+1 bit un bit di controllo e 7 per la codifica

7 37 La memoria - Le celle 40 La memoria - Proprietà Ogni cella di memoria contiene un byte ed è contraddistinta da un indirizzo l unità minima indirizzabile può anche essere la word Volendo scrivere o leggere un dato nella/dalla memoria il deve sempre specificare l indirizzo della cella alla quale vuole accedere Volatilità la possibilità di mantenere/perdere il proprio contenuto anche in assenza di alimentazione elettrica le memorie volatili perdono il contenuto in assenza di alimentazione elettrica le memorie permanenti lo mantengono non in eterno, ma per un tempo che dipende dal tipo di dispositivo: decenni o più 38 La memoria - Proprietà 41 La memoria volatile Velocità di accesso tempo impiegato dal per accedere ad uno specificato indirizzo di trasferimento quantità di dati trasferita in una unità di tempo anche chiamata ampiezza di banda, e si misura in bit/sec Perde il suo contenuto se non viene alimentata elettricamente Genericamente indicata con il termine RAM, Random Access Memory, perché il tempo di accesso ad una cella di memoria non dipende dalla sua posizione fisica è lo stesso per tutte le celle La memoria centrale, le cache e i registri del sono memorie volatili 39 La memoria - Proprietà 42 La memoria permanente Capienza quantità di byte che può contenere Costo misurato in euro per byte Modalità di accesso in lettura la possibilità di reperire le informazioni memorizzate in scrittura la possibilità di modificare le informazioni memorizzate Memorie di sola lettura, ROM, Read Only Memory il contenuto, una volta immagazzinato, è inalterabile Tipicamente contiene informazioni utilizzate per eseguire particolari funzioni, come l avvio del computer (BIOS) Ha bassi consumi energetici

8 43 46 Esiste una dipendenza inversa tra costo di realizzazione e velocità di una memoria Per questo motivo la memoria di un computer è distribuita su dispositivi hw diversi, organizzati in una gerarchia di memorie ai livelli più alti della gerarchia di memorie ci sono le memorie più veloci, più piccole, più costose registri e cache ai livelli più bassi ci sono quelle più lente, più capienti, più economiche CD, DVD, dat, zip Registri Cache I liv. Cache II liv. Hard disk Supporti Dimensione < 1KB ~ 256 KB ~ 2 MB 1 GB ~ 100 GB a piacere Accesso (tempo) < 1 ns < 1 ns < 1 ns ~ 10 ns ~ 1 ms ~ 10 ms Se voglio prepararmi un piatto di spaghetti guardo se ne ho nella dispensa; se non ne trovo lì allora devo andare dal panettiere sotto casa perdendo un po di tempo in più; se non ne trovo neanche lì devo andare al supermercato, dove perderò ancora più tempo Analogamente, quando il ha bisogno di un dato, prima guarda se è presente nella sua memoria interna; se non lo trova lì lo va cercare nella memoria centrale un po più lenta, se non c è neanche lì, lo va a cercare sul disco fisso che ha tempi di accesso e trasferimento superiori Al vertice della gerarchia ci sono i registri della CPU Ognuno di essi può contenere una parola La capacità complessiva è inferiore a 1 KB Sono molto veloci ma anche molto costosi Registri Cache I livello Cache II livello centrale Hard disk Supporti magnetici e ottici Lettore floppy, cd,... Hard disk Interfaccia alle periferiche Scheda madre bus di sistema Cache I liv. centrale Cache II liv. Al secondo livello è la cache, una memoria RAM più veloce di quella centrale Utilizzata come magazzino a metà strada tra la memoria centrale e il Contiene informazioni che il sistema operativo di volta in volta ritiene più urgenti e utili dati/programmi a cui si accede spesso La cache di I livello (L1) è integrata nel, quella di II livello (L2) risiede sulla scheda madre

9 49 52 Componenti hw del computer La memoria centrale è il livello sotto le cache nella gerarchia Vi vengono caricati i dati e i programmi per essere eseguiti quando il computer è spento tutte le informazioni risiedono sul disco fisso e sulle ROM quando lo si accende, per primo viene caricato il sistema operativo insieme alle informazioni necessarie al suo funzionamento, poi i programmi che l utente esegue e i relativi dati è condivisa tra tutti i programmi in esecuzione simultaneamente Monitor Tastiera Mouse Memorie di massa BUS centrale Input Output Input/Output (I/O) CPU Il bus Supporti magnetici Hard disk, floppy, zip Scrittura e lettura Bassa velocità di accesso Basso costo (in alcuni casi) portabilità Alti consumi energetici 32 bit 16 bit 51 Supporti ottici CD-ROM, DVD Bassa velocità di accesso Write once, read many Basso costo Portabilità Alti consumi energetici 54 Il bus è il canale fisico che mette in comunicazione le varie componenti del calcolatore è composto da un insieme di fili In ogni istante, su ogni filo, passa un bit Se il bus è formato da n fili, può trasferire n bit contemporaneamente l ampiezza del bus influenza la velocità del computer

10 55 Il bus 58 Bus diversi a seconda della velocità di trasmissione dati richiesta dalle diverse Componenti Bus più veloce: quello che collega la memoria centrale alla CPU Ogni periferica è costituita da 3 componenti device dispositivo fisico controller componente elettronica di controllo device driver componente software che deve essere installata in memoria per il corretto funzionamento del dispositivo 56 Il bus 59 - Il controller Diversi tipi di Bus: Dati: trasferisce dati tra CPU e memoria o tra CPU e una periferica Indirizzi: trasferisce indirizzi che identificano una cella di memoria che la CPU vuole leggere o scrivere Di controllo: Trasferisce un codice che identifica il tipo di istruzione da compiere Il controller è realizzato su un circuito stampato può essere più o meno intelligente a seconda della periferica che controlla Riceve gli ordini dal e li impartisce al dispositivo fisico cosa fare (leggere/scrivere), dove, quanto 57 Componenti hw del computer 60 - Il driver Monitor Tastiera Mouse Memorie di massa centrale CPU Il driver è il programma che gestisce la periferica Viene consegnato insieme alla periferica (di solito memorizzato su un CD-ROM) e deve essere installato in memoria è parte del software di sistema BUS Input Output Input/Output (I/O)