03 L architettura del computer e la CPU (parte 2) Dott.ssa Ramona Congiu

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1 03 L architettura del computer e la CPU (parte 2) Dott.ssa Ramona Congiu 1

2 Anatomia del computer Dott.ssa Ramona Congiu 2

3 L Unità centrale 3

4 Anatomia del computer 4

5 La scheda madre All interno del computer si trova la scheda madre che contiene tutti i circuiti a cui sono collegati il microprocessore, la memoria, l alimentatore a altri dispositivi. 5

6 L unità centrale di elaborazione L unità centrale di elaborazione (CPU) è il centro nevralgico del computer. In quasi tutti gli elaboratori la CPU è costituita da un microprocessore. Le CPU sono ricavate da sottili lamine di silicio (chip) di facile ed economica produzione. Ogni chip contiene milioni di piccolissimi interruttori acceso/spento, i transistor, collegati tra loro da tracce di alluminio. I transistor e i fili di collegamento formano circuiti che elaborano dati e consentono così ai computer di svolgere i più svariati compiti. 6

7 L unità centrale di elaborazione Dato che il microprocessore svolge un gran numero di funzioni, spesso, in momenti fondamentali dell attività di elaborazione si verificano dei rallentamenti. Per velocizzare le prestazioni del computer si possono aggiungere altri microprocessori, detti coprocessori che, sotto il controllo della CPU, svolgono compiti specifici che di norma richiedono tempo. I coprocessori sono un tipo particolare di processore parallelo. In genere due o più processori possono condividere alla pari le altre risorse del sistema operando indipendentemente l uno dall altro ma il sistema operativo deve coordinarne le attività. 7

8 Caratteristiche del microprocessore Maggiore è la quantità di dati che un computer può trasmettere ed elaborare, maggiori sono la sua velocità e la sua potenza. I primi PC potevano elaborare soltanto 8 bit alla volta. In breve tempo comunque arrivarono prima a 16, poi a 32 e successivamente a 64 bit e ancora oggi le loro prestazioni sono in continuo miglioramento. 8

9 Caratteristiche del microprocessore I chip hanno un orologio incorporato (clock) che ha la funzione di stabilire la velocità di tutte le operazioni svolte al computer. Questa velocità viene misurata in megahertz (MHz). In genere più alta è la velocità del click, maggiore è la velocità dell elaboratore. 9

10 Caratteristiche del microprocessore Gli elaboratori sono programmati per svolgere vari compiti mediante una serie di istruzioni semplici che sono dette insieme di istruzioni del microprocessore. Un insieme di istruzioni molto grande consente al microprocessore di svolgere un ampia gamma di funzioni. I microprocessori con un insieme di istruzioni complesso è detto CISC. I chip che ricorrono a un insieme di istruzioni ridotto sono chiamati RISC. I RISC hanno una speciale architettura interna che consente l esecuzione di più istruzioni in un unico ciclo di elaborazione e sono più semplici ed economici dei CISC. 10

11 Quanto sono grandi i circuiti di un chip? I chip sono talmente piccoli che i milioni di transistor che contengono sono creati con fili incredibilmente sottili, misurati in micron (millesimi di millimetro). Un capello umano ha uno spessore di 100 micron, mentre i circuiti più piccoli sono creati con fili di 0.9 micron. Un capello potrebbe quindi contenere 110 fili. Più questi sono sottili, più piccoli possono diventare i chip e ciò significa chip più economici e veloci. 11

12 La memoria: ROM e RAM 12

13 La memoria Per svolgere le sue funzioni un elaboratore deve avere una memoria dove archiviare i programmi e i dati necessari. Esistono diversi chip di memoria, ma fondamentalmente si possono distinguere due categorie: La ROM (Read Only Memory, memoria di sola lettura) La RAM (Random Access Memory, memoria ad accesso casuale) Entrambe sono molto veloci 13

14 La memoria ROM La ROM è una memoria statica e inalterabile. È chiamata anche memoria non volatile. Il suo contenuto viene predisposto dalla casa produttrice al momento della creazione e non può essere modificato dall utenza. I dati in essa immagazzinati vengono richiamati all accensione del computer e non si perdono con lo spegnimento. Solitamente questi dati sono dei programmi e delle istruzioni necessarie all avvio della macchina. 14

15 La memoria RAM La RAM, detta anche memoria centrale serve a memorizzare dati e programmi di ogni tipo. Quando si carica un programma o si crea un documento, i dati immessi nell elaboratore tramite tastiera sono immagazzinati nella RAM. Di solito, quando il computer viene spento, i dati e i programmi presenti in questa memoria vengono persi. La memoria RAM è infatti una memoria volatile. Il termine random indica la modalità di reperimento dei dati nella memoria. 15

16 Tipi di memoria Esistono vari tipi di memoria. Un progettista di computer decide di usare una o l altra in base ai parametri quali la velocità, il costo e la funzione che deve svolgere. DRAM (Dynamic RAM): è il tipo di memoria centrale più diffuso. È chiamata dinamica perché le celle di memoria mantengono i dati solo per breve tempo e devono quindi essere aggiornate centinaia di volte al secondo. SRAM (Static RAM): molto più veloce ma anche più costosa, è una memoria statica che non deve essere continuamente aggiornata. Data la sua velocità viene utilizzata soprattutto in una speciale area di memoria detta Cache. Questi chip di memoria flash memorizzano dati analoghi alla DRAM ma non sono volatili. 16

17 I moduli di memoria SIMM e DIMM In quasi tutti i sistemi per aggiungere memoria non si installano singoli chip, bensì moduli di memoria. Si tratta di circuiti stampati che contengono chip di memoria e che a loro volta sono inseriti in appositi slot della scheda madre. Esistono due moduli, SIMM e DIMM. I DIMM hanno quasi completamente soppiantato di SIMM. 17

18 Altri tipi di memoria 18

19 La memoria virtuale I programmi e i file molto estesi possono eccedere la memoria disponibile anche se questa è molto grande. Per evitare questo problema i moderni sistemi operativi memorizzano parte dei dati e dei programmi al momento non utilizzati fuori dalla memoria RAM. Questo tipo di gestione della memoria è detto memoria virtuale. Quando l elaboratore ha bisogno dei dati memorizzati nell hard disk, trasferisce nell hard disk dei dati che si trovavano nella RAM così da avere spazio nella RAM, quindi trasferisce i nuovi dati utili dall hard disk alla RAM. Questo sistema è conveniente dal punto di vista economico anche se rallenta l esecuzione durante i movimenti. 19

20 La memoria virtuale 20

21 La cache Quando un elaboratore effettua delle operazioni, trasferisce spesso i dati tra la CPU, il disco fisso e la memoria. Per elaborare i dati questi devono essere spostati nella CPU. Poiché per effettuare questa operazione occorre un certo tempo sono state ideate delle tecniche per accelerarla. La più comune consiste nel memorizzare i dati in una speciale area di memoria ad alta velocità chiamata cache, localizzata tra la CPU e la memoria centrale. 21

22 La cache Quando il processore ha bisogno di certi dati controlla prima se questi sono presenti nella cache, se non ci sono li ricarica dalla RAM. Il computer effettua delle previsioni per tentare di indovinare cosa l utente andrà a richiedere successivamente. Quando l utente richiede dei dati che l elaboratore deve reperire nella RAM o sull hard disk, insieme a questi vengono trasferiti anche i dati successivi. 22

23 La cache La cache utilizza speciali chip di memoria molto più veloci ma con un costo maggiore rispetto a quelli della memoria normale. Esistono due livelli di memoria cache: Cache di livello 1: fa fisicamente parte del chip del microprocessore Cache di livello 2: è costituita da chip di memoria installati in speciali alloggiamenti della scheda madre. 23

24 La cache 24

25 I buffer Alcuni programmi assegnano a una piccola parte della RAM la funzione di buffer I buffer hanno varie applicazioni. Per esempio mantengono in memoria i dati immessi con la tastiera in attesa che vengano accettati dalla CPU. Un altro esempio può essere quello della memorizzazione dei dati durante la fase di copia/taglia e incolla. 25

26 L interazione tra CPU e memoria 26

27 L interazione tra CPU e memoria La CPU e la memoria interagiscono nell esecuzione dei programmi e nell elaborazione dei dati. La CPU è costituita da due componenti: L unità di controllo: esegue le istruzioni dei programmi, controlla le attività del microprocessore e controlla il flusso di istruzioni tra questo e la memoria. L unità logico-aritmetica: effettua operazioni aritmetiche e logiche. Queste due unità collaborano con la memoria in un processo distinto in quattro fasi che porta al completamente di un ciclo della macchina. 27

28 Il ciclo della macchina Il ciclo della macchina si divide in quattro fasi: Caricamento Decodifica Esecuzione Memorizzazione Il tempo necessario ad effettuare le prime due operazioni è detto tempo d istruzione, quello per le ultime due è detto tempo di esecuzione. 28

29 Il ciclo della macchina 29

30 I registri Per i primi microprocessori l addizione tra due numeri era un problema perché avevano un unico canale di accesso alla memoria e quindi potevano vedere un numero per volta. Per ovviare a questo problema uno dei due numeri veniva trasferito in una piccola area di memorizzazione detta registro, facente parte del microprocessore stesso. I microprocessori moderni hanno vari tipi di registri che rivestono diverse funzioni. 30

31 I bus di input e output 31

32 I bus di input e output All interno dell elaboratore ci sono dei collegamenti che consentono la trasmissione delle informazioni tra i vari componenti del sistema. Questi collegamenti formano il bus, cioè la linea di comunicazione attraverso cui passano le informazioni, siano esse interne o esterne. 32

33 Il bus Il bus di un computer è costituito da un insieme di collegamenti in rame localizzati sulla scheda madre dell elaboratore. Il bus di sistema: il bus di sistema è un gruppo di collegamenti che uniscono la CPU agli altri dispositivi del computer. I bus locali: per aumentare le prestazioni, le periferiche non sono collegate al bus di sistema, ma attraverso i bus locali sono collegate, insieme alla CPU e alla memoria, a una linea di trasmissione dati più ampia. 33

34 Adattatori e sistemi multimediali Molti utenti personalizzano il computer per renderlo più adatto alle proprie esigenze. Questo è possibile grazie agli slot di espansione presenti nella scheda madre dell elaboratore, in cui si possono inserire le schede degli adattatori. Gli slot di espansione sono collegati direttamente al bus di sistema, e pertanto le schede che vi vengono inserite operano come se fossero state installare nell elaboratore fin dall inizio. 34

35 La tecnologia Plug and Play Spesso, quando si vuole aggiungere un componente al proprio computer, è necessario riavviare il computer e configurare il nuovo dispositivo. Per ovviare a questo problema alcuni sistemi operativi presentano caratteristiche plug and play, sono cioè in grado di configurare automaticamente i nuovi dispositivi hardware. Quando si collega un nuovo dispositivo il sistema operativo lo riconosce automaticamente e carica il driver corrispondente senza riavviare il sistema. La tecnologia plug and play richiede tre componenti: Un sistema operativo Un BIOS (Basic Input-Output System) ovvero una porzione della ROM in grado di controllare lo stato di tutto l hardware presente I dispositivi da installare 35

36 I sistemi multimediali Al momento gli slot d espansione sono usati soprattutto per trasformare i computer in sistemi multimediali in grado di fornire all utente audio, animazioni e grafica di alta qualità. Un PC per diventare un sistema multimediale deve avere almeno una scheda audio, un unità per leggere ed eventualmente anche scrivere CD, DVD, un acceleratore grafico. Queste componenti (salvo quelle di archiviazione) vengono aggiunte tramite schede inserite negli slot di espansione del bus di sistema. 36

37 I sistemi multimediali Scheda video (Accelaratore grafico) E il componente del computer che permette di generare le immagini da mostrare a video. A seconda dei computer può essere più o meno potente. Attualmente, le schede video posseggono un processore dedicato (GPU) che esegue tutti i calcoli necessari a vedere immagini 3D molto sofisticate. Posseggono anche una quantità di RAM dedicata che snellisce il lavoro della RAM del computer. Pertanto, all acquisto di un computer, è importante verificare la presenza di una scheda video dedicata e non completamente condivisa. Oggigiorno le schede video più gettonate sono prodotte dalla NVIDIA e dalla ATI. 37

38 La comunicazione con le periferiche 38

39 La comunicazione con le periferiche I componenti che si collegano al computer sono detti periferiche. I più comuni sono la stampante, la tastiera, il mouse, lo scanner etc. Le periferiche interne sono collegate mediante cavi a specifici connettori posti sulla scheda madre. 39

40 La comunicazione con le periferiche Per connettere questi dispositivi al computer bisogna inserire i loro cavi in apposite prese, dette porte, collocate sull elaboratore. È da lì che le informazioni entrano ed escono. Il tipo e il numero di porte varia a seconda dell elaboratore, ma di norma comprende le porte seriali, parallele, fireware, USB e SCSI. 40

41 Le principali porte Input/Output di un computer Le porte possono essere hardware, e quindi di tipo fisico, o di tipo logico, quindi software. L utilizzo di una tipologia di porta rispetto ad un altra è determinato in base al tipo di dispositivo che si vuole collegare. Porta USB (Universal serial bus) : è lo standard più usato per connettere i componenti multimediali al PC. È facile da usare e non è necessario riavviare il computer quando si usa. Attraverso di essa si possono collegare molti dispositivi (Penne USB, Lettori MP3, fotocamere, stampanti etc). 41

42 Le principali porte Input/Output di un computer Porta Seriale : è un interfaccia fisica che viene tipicamente usate per collegare un modem. Nella maggior parte dei computer non è più usata, poiché è stata sostituita dalla porta USB. Porta parallela : è un interfaccia nata per collegare un computer a uno scanner o a una stampante. Anche queste porte stanno via via scomparendo, sostituite dalle USB. Porta firewire: viene comunemente usata per collegare dispositivi di archiviazione o di acquisizione video al PC. Può trasferire grandi quantità di dati e può stabilire una connessione tra dispositivi anche senza un computer. È superiore alla USB ma molto meno usata. 42

43 Dall infrarosso al bluetooth Collegare vari dispositivi tramite cavi può risultare noioso. Nel 1993 la Hewlett-Packard introdusse per la prima volta sui propri dispositivi la tecnologia a infrarossi, grazie a cui due unità possono scambiarsi dati senza essere collegate tramite cavi. Il raggio infrarosso emesso dall elaboratore va infatti a colpire l altro elaboratore e in questo modo vengono trasmessi i file dall uno all altro. L unico inconveniente è che non devono esserci ostacoli sulla traiettoria del raggio. 43

44 Dall infrarosso al bluetooth Le tecnologie wireless hanno raggiunto un efficienza e una maturità ben maggiore e si apprestano a sostituire le connessioni via cavo fisico in molti contesti. Bluetooth: è un sistema di trasmissione radio che permette di far comunicare dispositivi elettronici di vario tipo entro un raggio di 100 metri. Il campo principale di questa tecnologia consiste appunto nell interconnessione tra PC, apparati elettronici domestici, computer palmari, cellulari e periferiche. 44

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