Informatica per l Ingegneria Industriale. Introduzione ai calcolatori

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1 Informatica per l Ingegneria Industriale Introduzione ai calcolatori Gualtiero Volpe gualtiero.volpe@unige.it 1. Struttura del calcolatore 1

2 Che cosa è un computer? A prescindere dalle dimensioni e dal luogo in cui si trova, può essere definito come un elaboratore elettronico digitale elaboratore elettronico digitale in grado di immagazzinare ed elaborare dati in base ad una serie di istruzioni (il programma) evidentemente utilizza componenti elettronici.. :-) elabora informazioni convertendole in segnali digitali basati sul sistema binario Computer: tipologie supercomputer mainframe minicomputer personal computer network computer terminali Elevatissima capacità di elaborazione; calcolo parallelo; singole applicazioni 2

3 Computer: tipologie supercomputer mainframe minicomputer personal computer network computer terminali Funzioni centralizzate di elaborazione dati; grande numero di utenti (es. grandi aziende, servizi) Computer: tipologie supercomputer mainframe minicomputer personal computer network computer terminali Anni 60: primi elaboratori dal costo abbastanza ridotto da essere comprati da piccole aziende e organizzazioni 3

4 Computer: tipologie supercomputer mainframe minicomputer personal computer network computer terminali Utilizzo individuale: desktop (da scrivania) workstation (professionale) notebook (portatile) tascabili, palmari (dimensioni ridotte, funzioni ridotte) Computer: tipologie supercomputer mainframe minicomputer personal computer network computer terminali Terminali con capacità di calcolo e spesso anche di immagazzinamento dati 4

5 Computer: tipologie supercomputer mainframe minicomputer personal computer network computer terminali Terminali stupidi, nessuna potenza di calcolo, sfruttano quella di un server cui si collegano Struttura di un computer CPU Memoria primaria Memoria secondaria Dispositivi I/O Bus 5

6 La CPU CPU Memoria primaria Memoria secondaria Dispositivi I/O Bus La CPU L unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit) è un insieme di circuiti, detto microprocessore, che controlla l attività del computer. Il clock di una CPU, misurato in MHz o in GHz (ad esempio 2 GHz), è la frequenza con cui vengono eseguite le istruzioni elementari. Compito della CPU è quello di leggere istruzioni e dati dalla memoria e di decodificare ed eseguire le istruzioni; il risultato dell esecuzione di una istruzione dipende dal dato su cui opera e dallo stato interno della CPU stessa. Esempi di CPU: Intel Core i3, i5, i7, AMD Athlon II,... 6

7 La CPU AMD Athlon II Intel Core i7 Struttura della CPU Registri Unità di controllo Unità Logico Aritmetica 7

8 Struttura della CPU L unità centrale di elaborazione è costituita da: un insieme di registri che sono degli spazi di memorizzazione accessibili ad una velocità superiore di quella della memoria principale; una unità logico aritmetica (ALU) che esegue operazioni aritmetiche, logiche e confronti sui dati della memoria principale o dei registri; una unità di controllo che esegue le istruzioni secondo quello che viene detto ciclo di accesso-decodifica-esecuzione. Ciclo Accesso, Decodifica, Esecuzione Si tratta di una sequenza di passi nella quale: 1. Si accede all istruzione successiva portandola dalla memoria nell apposito registro istruzione 2. Si decodifica il tipo dell istruzione 3. Si individuano i dati usati dall istruzione, che vengono portati negli opportuni registri 4. Si esegue l istruzione 8

9 La CPU:prestazioni Esistono diversi criteri per valutare la performance di un processore. Sono tutti più o meno discussi o discutibili. Frequenza di clock (MHz o GHz) Mips (millions instructions per second) Flops (floating-point operations per second) SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation) real-world benchmarks La memoria CPU Memoria primaria Memoria secondaria Dispositivi I/O Bus 9

10 Memorie: una gerarchia La memoria di un computer è organizzata in maniera gerarchica, in base alla velocità di accesso. Memorie più veloci sono anche più costose. Memoria cache: molto veloce, piccole dimensioni, costosa Memoria principale (primaria): veloce, medie dimensioni, accessibile Memoria secondaria: lenta, notevoli dimensioni, economica La memoria cache Memoria piccola, ma molto veloce, intermedia tra memoria primaria e CPU I dati di uso più frequente sono mantenuti nella memoria cache per minimizzare i trasferimenti tra memoria primaria e CPU Ci sono due tipi di memorie cache: Cache interna al processore (~256KB) Cache esterna al processore (~2MB) 10

11 La memoria principale La memoria principale o primaria è quella cui ci si riferisce solitamente parlando di memoria. La memoria principale La memoria principale è costituita da memoria di tipo RAM (Random Access Memory), che consente un rapido accesso ai suoi dati. Una RAM consente l accesso ai dati in essa contenuti senza dover rispettare un determinato ordine e con lo stesso tempo di accesso. La memoria principale è una memoria volatile: allo spegnimento del computer i dati in essa contenuti vanno persi. 11

12 Tipi di RAM DRAM (Dynamic RAM): il tipo più diffuso, altamente volatile, deve essere aggiornata continuamente, economica SRAM (Static RAM): può mantenere i dati finché è alimentata, molto più veloce e costosa della DRAM, viene utilizzata per realizzare la memoria cache La memoria principale La memoria principale contiene il codice del programma in esecuzione e i dati che questo usa. Codice e dati sono contenuti in un insieme di celle identificate da un indirizzo univoco, che ne consente l individuazione. Dato un indirizzo di memoria, le operazioni effettuabili sono: lettura del contenuto della cella corrispondente e suo trasferimento verso il bus scrittura del contenuto proveniente dal bus nella corrispondente cella di memoria 12

13 Indirizzamento di memoria Ogni cella della memoria è identificata da un numero, chiamato indirizzo di memoria. In questo modo ogni dato all interno della memoria presenta una precisa collocazione, ed è pertanto possibile recuperarlo, o decidere dove memorizzarlo, indicandone l indirizzo. Lo spazio di indirizzamento indica il massimo indirizzo di memoria rappresentabile. Indirizzi Memoria Bit All interno della memoria e, in generale, del calcolatore l informazione è rappresentata come sequenze di bit. Il bit è l unità elementare dell'informazione trattata da un elaboratore. La rappresentazione logica del bit è costituita dai soli valori {0, 1}. L adozione della rappresentazione binaria si deve alla semplicità di realizzare fisicamente un elemento con due stati anziché un numero superiore, ed anche alla corrispondenza diretta con i valori logici vero e falso. 13

14 Byte Sequenze di bit sono raggruppate in entità più vaste, che contengono generalmente un numero di bit pari ad una potenza binaria, pari cioè a 2 n ; Il più noto di tali raggruppamenti è il byte (chiamato anche ottetto), corrispondente ad 8 bit, che costituisce l unità di misura più utilizzata in campo informatico. Ad esempio le dimensioni della memoria si misurano in multipli del byte. Una cella di memoria contiene una sequenza di byte, ad esempio quattro, detta parola (word). Multipli del byte 14

15 Dimensioni della memoria Le dimensioni della memoria principale variano a seconda del tipo di computer Nei PC attuali le dimensioni tipiche della memoria principale vanno da 1 GB a 8 GB. Dimensioni dello spazio di indirizzamento Nei computer attuali gli indirizzi di memoria sono rappresentati con almeno 32 bit, con cui si possono indirizzare 2 32 byte = 4 GiB Lo spazio di indirizzamento è pertanto generalmente maggiore della memoria fisica realmente esistente nel computer. 15

16 Tempi di accesso Un importante caratteristica della memoria è il suo tempo di accesso (tempo necessario per leggere o scrivere una parola) Le memorie principali dei computer attuali sono molto veloci e i loro tempi di accesso sono di pochi nanosecondi (= 10-9 sec, un miliardesimo di secondo) Riassunto delle caratteristiche della memoria RAM La memoria RAM è: ad accesso diretto (si può accedere a qualsiasi cella senza accedere alle altre) veloce (accesso nell ordine dei nanosecondi) relativamente costosa di dimensioni limitate volatile (non può mantenere dati permanenti) 16

17 Memorie ROM La ROM (Read Only Memory) è un tipo di memoria che consente solamente l operazione di lettura dei dati, poiché il suo contenuto viene permanentemente definito in fase di costruzione della memoria stessa. È di tipo non volatile quindi il suo contenuto non viene perso se viene a mancare l'alimentazione. Tipi di ROM PROM (Programmable Read Only Memory): ROM programmabili dall utente una sola volta; EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): programmabili dall utente e cancellabili mediante esposizione ai raggi UV; EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory): ROM programmabili dall utente e cancellabili elettricamente mediante tensioni più elevate rispetto a quelle di funzionamento normale; EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory dette anche flash): stesso funzionamento delle EAROM, ma migliori. 17

18 Tipi di ROM Soltanto le vecchie ROM sono veramente di sola lettura. Le flash ROM, aggiornabili via software, sono quelle di uso corrente. Oltre che nei computer, le flash ROM sono molto usate nelle fotocamere digitali, nei lettori di musica portatili, nei telefoni cellulari, nei pendrive. BIOS Tutti i computer contengono un chip di memoria elettronica non volatile e non modificabile (ROM). Contiene un programma (detto Basic Input Output System, BIOS) per l avviamento del computer e per altre operazioni fondamentali. 18

19 La memoria secondaria La memoria secondaria (o memoria di massa) è costituita da uno o più dispositivi capaci di contenere molti più dati della memoria principale, a discapito della velocità. I dati contenuti nella memoria secondaria sono conservati in maniera permanente anche quando il computer viene spento. Esempi di dispositivi di memoria secondaria sono: i dischi rigidi (hard disk), i dischetti (floppy disk), i CD e i DVD. La memoria secondaria Criteri per distinguere tra differenti tipologie di memorie secondaria: Tecnologia impiegata Capacità di memorizzazione Velocità di accesso ai dati 19

20 I dischi rigidi (hard disk) Tecnologia impiegata: magnetica Capacità di memorizzazione: fino a ~ 1 TB Velocità di accesso ai dati: alta, nell ordine delle decine di ms Utilizzo dei dischi rigidi Prima che un disco possa essere utilizzato per immagazzinare dati, sono necessari tre passaggi: formattazione a basso livello divisione in partizioni formattazione ad alto livello 20

21 Formattazione a basso livello La formattazione a basso livello divide la superficie del disco in cerchi concentrici chiamati tracce. Ciascuna traccia viene a sua volta suddivisa in segmenti chiamati settori. Un settore costituisce lo spazio minimo di memorizzazione di un disco. Di norma, la formattazione a basso livello viene effettuata una sola volta, in fabbrica. Struttura dei dischi Settori Tracce e cilindri 21

22 Partizionamento Il partizionamento divide il disco fisico in volumi logici. E un operazione necessaria anche se si intende usare un unico volume. Nei sistemi operativi Microsoft, ciascun volume viene identificato da una lettera dell alfabeto (C:\, D:\, ecc.). Formattazione ad alto livello Questo tipo di formattazione può essere eseguita dall utente. Spesso si esegue prima dell installazione di un sistema operativo: la formattazione ad alto livello consiste infatti nella creazione delle strutture del filesystem specifico di un sistema operativo. La formattazione tuttavia cancella l indice dei file contenuti nel disco. Ai fini pratici, equivale a cancellare il contenuto del disco. 22

23 Compact Disk (CD) Tecnologia impiegata: ottica Capacità di memorizzazione: tipicamente 650 MB Velocità di accesso ai dati: misurata a multipli di 0.15 MB/s (1x). Ad esempio, 40x corrisponde a 6 MB/s. Digital Versatile Disk (DVD) Tecnologia impiegata: ottica Capacità di memorizzazione: da 4.7 a 17 GB Velocità di accesso ai dati: misurata a multipli di 1.35 MB/s (1x), nove volte maggiore rispetto a un CD. 23

24 Blu-ray Disk (BD) Tecnologia impiegata: ottica Capacità di memorizzazione: da 25 GB fino a 128 GB Velocità di accesso ai dati: misurata a multipli di 4.5 MB/s (1x), fino a 54 MB/s. Unità a stato solido (SSD) Tecnologia impiegata: elettrica Capacità di memorizzazione: fino a 2 TB (2011) Velocità di accesso ai dati: da 100 a 600 MB/s. Al momento più costose degli Hard Disk. 24

25 Il bus CPU Memoria primaria Memoria secondaria Dispositivi I/O Bus Il bus Un bus è un canale attraverso il quale due o più dispositivi si scambiano informazioni. Senza questo sistema, ogni componente del computer dovrebbe possedere un collegamento fisico distinto verso ognuno degli altri dispositivi (cosiddetti collegamenti punto-punto). A differenza dei collegamenti punto-punto, il bus consente una maggiore configurabilità. Il clock di un bus esprime la velocità con cui vengono scambiati i dati. 25

26 Il bus Monitor Memorie Disco BUS CPU Il bus All interno di un computer esistono più bus dati che rendono possibile il transito di quest ultimi dalle periferiche alla memoria, dalla memoria ai processori, dai processori alle periferiche, dall unità di controllo all unità aritmetico logica, ecc. CPU RAM ROM PCI AGP SCSI USB 26

27 Bus: una gerarchia Bus del processore: il più veloce. Bus della cache: in certe architetture, la cache è connessa ad un bus separato; altrimenti è connessa al bus della memoria. Bus della memoria: collega la memoria centrale al processore. Bus per l input-output locale: schede video, schede di rete, memoria di massa. Bus input-output standard: vecchio e lento, vi si possono trovare collegate schede audio e modem interni. Dispositivi di I/O CPU Memoria primaria Memoria secondaria Dispositivi I/O Bus 27

28 Dispositivi di I/O Sono tutti quegli apparati che servono per il trasferimento di dati fra il computer e il mondo esterno Esempi di dispositivi di input (ingresso): tastiera, mouse, microfono, webcam, scanner, Esempi di dispositivi di output (uscita): monitor, stampante, altoparlanti, Esempi di dispositivi sia di input che di output: modem, scheda di rete, Dispositivi di I/O Molti dispositivi di I/O sono collegati al computer dall'esterno attraverso le cosiddette porte di I/O. Tipiche porte di I/O sono la porta parallela, la porta seriale, la porta di rete, ecc. Talvolta alcuni possono essere inseriti all'interno del computer stesso come schede. 28

29 22/09/2013 Porte di I/O Esempio di scheda: scheda audio 29

30 22/09/2013 Altri dispositivi di I/O Data gloves Head-Mounted Display (HMD) Computer Aided Virtual Environment (CAVE) Oltre i calcolatori tradizionali Simulatori Applicazioni per musei Applicazioni mediche 30

31 22/09/2013 Oltre i calcolatori tradizionali Esempio: dentro un case Il case (o cabinet) è il contenitore, l involucro in cui vengono montati i vari componenti di cui è composto un personal computer Silicon Graphics O2 PowerMac G4 La facilità di accesso alla parte interna può variare molto. Nei PowerMac è sufficiente manovrare una leva Case generico per PC La forma del case può essere dettata, oltre che da motivi pratici, anche da considerazioni estetiche. Il parallelepipedo grigio non è d obbligo! 31

32 22/09/2013 Esempio: dentro un case Parte anteriore Alloggiamenti dischi Vista laterale Parte posteriore Scheda madre Alimentazione Esempio: dentro un case CPU RAM BIOS Controller integrati SLOT per controller aggiuntivi porta parallela porta USB slot PCI slot AGP IDE floppy 32

33 La scheda madre La scheda madre (motherboard) svolge funzioni di integrazione e comunicazione tra tutti i componenti del computer. Dalla scheda madre dipendono: Organizzazione (forma e design) Supporto per il processore Supporto per le periferiche (numero e tipo di alloggiamenti) Prestazioni (indirettamente e direttamente, attraverso il chipset) Possibilità di aggiornamenti/espansioni La scheda madre 33

34 Il clock della scheda madre Componenti diversi del computer sono sincronizzati in base a clock diversi. Sulla scheda madre esiste un circuito che genera il clock principale; un tick di questo clock rappresenta la più piccola unità di tempo durante la quale può venire eseguita un elaborazione di qualche tipo. Il clock principale è usato come base da altri circuiti (ad esempio la CPU) che ne generano multipli o sottomultipli, per regolare le operazioni di dispositivi più veloci o più lenti. Esempio: saper leggere la configurazione di un PC 34

35 Il sistema operativo Il sistema operativo è un programma che agisce da intermediario fra l utente e l hardware dell elaboratore. E responsabile del diretto controllo e della gestione efficiente dell hardware dell elaboratore. Fornisce un ambiente nel quale l utente è in grado di eseguire i programmi. Il sistema operativo Principali funzioni di un sistema operativo: - Gestione dei processi - Gestione della memoria - Gestione del file system - Gestione dell input/output da periferiche Esempi di sistemi operativi: Windows, Linux. 35