Calcolatore. Archite(ura di un calcolatore. Hardware. Hardware e So4ware. So4ware. Tipologie di calcolatori 3/16/10

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1 3/16/10 Calcolatore Archite(ura di un calcolatore Elaboratore ele*ronico Personal computer (PC) elaboratore general purpose per uso individuale Le componen< principali, che analizzeremo nel seguito, sono: Hardware SoDware, d ambiente ed applica<vo Il funzionamento del calcolatore è basato su due elemen< fondamentali: Istruzioni da eseguire Da< da elaborare 2 Hardware e So4ware Hardware (HW) componen< fisici di sistema è composto da una serie di elemen< funzionali, presen< in ogni PC: Unità di elaborazione, memoria centrale, memoria di massa, bus di sistema, unità periferiche SoDware (SW) programmi che vengono esegui< dal sistema SoDware di sistema (o d ambiente): dedicato alla ges<one dell elaboratore SoDware applica<vo: opera al di sopra del SW d ambiente, è dedicato alla realizzazione di specifiche esigenze applica<ve Scheda madre CPU / RAM Hard Disk Interfacce di I/O Unità esterne: CD, DVD, monitor,. Hardware 3 4 So4ware SoDware di base o d ambiente: controlla il comportamento del sistema (il più importante dei sodware di sistema è il sistema opera<vo, che controlla le risorse del sistema e fornisce la base su cui costruire tu\ gli altri programmi) es. di SO: MS DOS, Windows, Unix, Linux, Mac OS SoDware applica<vo: è dedicato alla realizzazione di specifiche esigenze applica<ve degli uten<, si appoggia sullo strato fornito dal sistema opera<vo es. di sodware applica<vo: Word, IE, ICQ, Outlook, Skype Tipologie di calcolatori Handheld computer (PDA) di dimensioni molto limitate usualmente privi di memorie di massa Personal computer Dota< di monitor e tas<era separa< dall unità centrale Dota< di diversi disposi<vi di memoria di massa interni o esterni Notebook Versione porta<le del personal computer Spesso dota< di cara*eris<che inferiori per potenza di calcolo e memoria Worksta<on Versione potente dei personal computer Dotate di monitor di dimensioni superiori Per lo più orientate alle applicazioni grafiche o di CAD Spesso condivise da più uten< (non necessariamente in contemporanea) Mainframe Calcolatori di elevata potenza di calcolo e memorizzazione Orienta< all elaborazione di da< per l intera azienda Condivisibili da più uten< in contemporanea 5 6 1

2 3/16/10 Barcelona Supercompu:ng Center Il modello di Von Neumann Tu*e le diverse <pologie di calcolatori sono accomuna< dalla medesima archite*ura logica, schema<zzata dal modello di Von Neumann del calcolatore Processore (CPU) Bus di sistema Memoria centrale Interfaccia delle periferiche Macchina di Von Neumann 1) Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegue, le istruzioni possono comportare: operazioni di manipolazione dei da< operazioni di trasferimento dei da< 2) I trasferimen< di da< a*raverso elemen< funzionali diversi avvengono a*raverso il bus di sistema 3) Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispe*o ad un orologio di sistema (CLOCK) 4) Durante ogni intervallo di tempo l unità di controllo (parte del processore) stabilisce la funzione da svolgere 5) L intera macchina opera in maniera sequenziale 8 La macchina di Von Neumann La macchina di Von Neumann Bus di sistema Collegamento Unità di Elaborazione (CPU) Memoria Centrale (MM) Esecuzione istruzioni Memoria di lavoro Interfaccia Periferica P 1 Interfaccia Periferica P 2 Memoria di massa, stampante, terminale Archite(ura del Calcolatore RAM ROM MEMORIA CPU CENTRALE La memoria centrale (MM) RAM Volatile Dati e ROM e 0 istruzioni 1 h = 16 bit Parola (word) Registro indir. (AR) store Registro da< (DR) BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO k = 10 bit load h = 16 bit MM HD INPUT 11 STAMPANTE OUTPUT INTERFACCE UNITA PERIFERICHE Indirizzo cella Spazio di indirizzamento 2 10 = Dato da leggere/scrivere 2

3 3/16/10 L unità di elaborazione (CPU) Indirizzo prox istruzione Registro contatore di programma (PC) Registro interruzioni (INTR) Registro istruzione corrente (CIR) Istruzione in elaborazione Registro da< (DR) Sincronizzazione Parola letta/da scrivere in MM Registro di stato (SR) A B Clock Registro indirizzi (AR) Stato CPU Operazioni Flag: C, Z, S, V aritmetiche e logiche Unità aritme<co logica Registri operandi (ALU) Registri generali Unità di controllo (CU) Indirizzo cella MM Controllo: -Prelievo -Decodifica -Esecuzione Master/slave Registro contatore di programma (PC) Registro interruzioni (INTR) Registro istruzione corrente (CIR) Registro da< (DR) Il bus di sistema Registro di stato (SR) A B Clock Registro indirizzi (AR) Bus dati, Bus indirizzi, Bus controlli Unità aritme<co logica (ALU) Unità di controllo (CU) CPU Bus di sistema Passo 3 PC INTR CIR Sequenza di le(ura SR A B Ck ALU CU 0 Passo 1 Passo Passo 2 PC INTR CIR Sequenza di scri(ura 0 SR Passo 1 A Passo 35 ALU B CU Ck Passo 4 DR AR 1023 DR AR 1023 READ OK WRITE OK I D C I D C Le interfacce delle periferiche Interfaccia periferica 1 Interfaccia periferica 2 Peripheral Data Register (PDR) Peripheral Command Register (PCR) Peripheral State Register (PSR) Dato da leggere/scrivere Peripheral Data Register (PDR) Comando da Peripheral Command eseguire Register (PCR) Peripheral State Stato della Register (PSR) periferica Archite(ura di un PC Bus di sistema 3

4 3/16/10 Archite(ura di un PC Cabinet De*o anche Chassis o Case, il Cabinet è il contenitore del computer Può essere principalmente di due <pi: DESKTOP TOWER Schema logico la cornice tra*eggiata include gli elemen< che si trovano all interno della scheda madre Tra le periferiche indicate: tas<era, mouse, stampante e monitor sono disposi<vi esterni Hard Disk e Floppy Disk sono solitamente disposi<vi interni, cioè si trovano fisicamente alloggia< all interno del cabinet che racchiude il PC Il desktop si sviluppa in orizzontale e si posiziona generalmente so*o il monitor Il tower invece si sviluppa in ver<cale e può essere posto al di so*o della scrivania Scheda madre Alimentatore La scheda madre (motherboard, MB) è chiamata anche scheda di sistema ed è l elemento centrale del computer Si tra*a di un grande circuito stampato sul quale trovano posto i componen< ele*ronici principali su cui si fonda il funzionamento del PC Microprocessore Microprocessore (CPU) La CPU, Central Processing Unit, è l elemento dedicato all esecuzione dei programmi si occupa di eseguire tu*e le operazioni richieste dal sistema opera<vo e dal sodware applica<vo. Per poter svolgere il suo compito deve essere in grado di: leggere e scrivere i da< nella memoria del computer (RAM) riconoscere ed eseguire i comandi e le istruzioni fornite dai programmi indicare alle altre componen< del computer cosa fare, in modo da organizzare e sincronizzare le varie operazioni da svolgere

5 3/16/10 Microprocessore (CPU) Memoria I sistemi a*ualmente in uso sono principalmente dota< di processore Intel o AMD. In ques< modelli il processore non è saldato in modo permanente sulla piastra madre (come avveniva una volta) ma viene alloggiato su par<colari conne*ori che per i Pen<um tradizionali (e per gli altri processori, quelli prodo\ dalla concorrenza, quali AMD) viene chiamato Socket. La piastra madre è infa\ proge*ata per supportare vari <pi di CPU a velocità differen<. In questo modo è più facile aggiornare un PC, sos<tuendo un processore installato con un altro più veloce e recente Memoria principale: RAM Random Access Memory (RAM), de*a anche memoria principale o memoria vola<le perché man<ene le informazioni solo fino a quando il PC è acceso. E fisicamente il posto dove sono conservate tu*e le informazioni su cui si sta lavorando. Serve per contenere i da< elabora< dai programmi e le istruzioni che cos<tuiscono i programmi stessi. 27 BUS di Sistema Cache e ROM La memoria Cache è una memoria RAM che il microprocessore può accedere in modo più veloce rispe*o alla memoria di lavoro principale RAM Il microprocessore accede prima alla memoria Cache e se trova i da< necessari (perché già u<lizza< in precedenza) non deve effe*uare la le*ura nella RAM (più lenta) Fisicamente la Cache è una memoria ad alta velocità, costruita con RAM Sta<che (SRAM) anziché le più lente ed economiche RAM Dinamiche (DRAM), usate per la memoria principale Si parla anche di memoria cache di primo livello (L1) e secondo livello (L2): la cache di primo livello è incorporata nello stesso chip del microprocessore e quindi è ancora più veloce ROM (Read Only Memory), non riscrivibile dal sistema La memoria ROM è scri*a dal produ*ore e non può essere modificata dall'u<lizzatore. I livelli 1 e 0 che cos<tuiscono i da< binari sono "incisi" durante il processo di produzione del componente e non possono essere cambia< Esistono modelli riprogrammabili (es. EPROM, Erasable and Programmable ) 28 BUS da: Il BUS collega i vari componen< interni del PC in modo da perme*ere che i da< vengano invia< da un componente all altro Sulla piastra madre del PC non c è una parte precisa che individui il BUS perché questo è un insieme di circui< ele*rici de\ tracce, stampate sulla superficie della MB e disposi<vi de\ controller Sul BUS sono previste degli slot di espansione in modo che aggiungendo una nuova scheda anche in un secondo tempo rispe*o all istante in cui si assembla il PC, sia permessa la comunicazione con le altri componen<, interne ed esterne

6 3/16/10 Interfacce di Input/Output (I/O) 31 Interfacce di I/O Sono le porte di comunicazione tra il computer e le periferiche : Mouse / Tas<era / Monitor / Stampante. La tecnologia ormai più diffusa per le connessioni delle periferiche si chiama USB (Universal Serial Bus); sfru*a un metodo di trasmissione seriale ad alta velocità e perme*e di conne*ere in cascata fino a 127 periferiche. Il miglioramento più grande apportato dall'usb è la standardizzazione delle porte. Tu*e o quasi le periferiche moderne hanno l'a*acco USB La tas<era può essere collegata al conne*ore PS/2 sviluppato originariamente da IBM per la linea di PC PS/2 e poi diventato standard per la maggior parte dei PC oppure tramite porta USB. Il mouse può essere collegato sia al PS/2 che alla porta seriale (Com1 o Com2) che alla porta USB. La stampante si collegava alla porta parallela, (questa si differenzia dalla seriale perché i bit vengono trasmessi a gruppi e quindi in parallelo, invece che uno alla volta), le ul<me stampan< sono dotate solo di connessione USB. 32 Hard Disk Hard Disk Vengono memorizzate in modo permanente le informazioni elaborate Le informazioni sono magne<zzate sulla superficie del disco e pertanto rimangono memorizzate anche se viene a mancare la corrente. Sull Hard Disk si trova il Sistema Opera<vo, il SoDware Applica<vo e i file da<. Fisicamente è composto da più dischi rives<< da una sostanza magne<ca e da più tes<ne di le*ura che contemporaneamente leggono i da< dai dischi in rotazione Memorizzazione Quando si deve memorizzare un dato, la tes<na di le*ura/scri*ura si posiziona sulla traccia/se*ore opportuni: La scri*ura si o\ene modificando la polarizzazione magne<ca delle par<celle che rivestono ogni pia*o la le*ura viene eseguita rilevando la polarizzazione imposta alle par<celle. I banchi di molecole polarizzate sul disco creano un campo magne<co capace di generare corrente nella bobina della tes<na, quando questa si avvicina La direzione della corrente dipende dalla polarità delle bande. Rilevando la direzione della corrente, si capisce se la tes<na sta passando su uno 0 oppure su un 1. Hard Disk forma(azione Un hard disk è stru*urato per registrare da< su cilindri, tracce e se*ori (clusters, tracks, sectors). I se*ori sono dei cerchi concentrici le tracce sono una suddivisione dei se*ori stessi i cilindri sono dei gruppi di se*ori Per poterlo u<lizzare è necessario forma*arlo, ma prima di fare questo è indispensabile par<zionarlo e scrivere su esso le informazioni della(e) par<zione(i) e del boot sector. Queste operazioni vengono ges<te dal sistema opera<vo e in par<colare da una parte del SO: il file system

7 3/16/10 Altri disposi:vi di Memorizzazione DVD Digital Video (o Versa:le) Disk DVD - single layer single face DVD - single layer double face DVD - double layer single face DVD - double layer double face Schede di espansione Monitor La maggior parte dei componen< del computer si trova integrato sulla scheda madre. Per dare maggiori possibilità di espansione o per dare più flessibilità di configurazione sono previste delle schede di espansione che vanno inserite negli alloggiamen< previs< sulla scheda madre: slot ISA, PCI, AGP. Principali cara*eris<che : Risoluzione Grafica Frequenza di refresh Tipo di monitor slot ISA (per schede audio, modem) slot PCI (per schede grafiche, schede di rete, controller SCSI) slot AGP (per le schede video dell ul<ma generazione) 39 Monitor CRT (Cathode Ray Tube) U<lizzano un tubo a raggi catodici per visualizzare le immagini sullo schermo. L immagine viene creata a*raverso l azione congiunta di tre cannoni ele*ronici che inviano flussi di ele*roni su una griglia Passando a*raverso la griglia, i fasci di ele*roni vanno a colpire i fosfori all interno dello schermo. Si u<lizzano 3 diversi <pi di fosfori: verdi, rossi e blu. L intensità del flusso di ele*roni determina la luminosità del colore Monitor LCD Il cristallo liquido è una sostanza densa <po sapone liquido se s<molata da una sorgente ele*rica esterna modifica la sua capacità di far passare luce Quando la scarica ele*rica cessa, il cristallo ripris<na la sua condizione iniziale di piena trasparenza Ogni pixel è una sorta di piccola lampadina che accendendosi diventa opaca e non fa passare la luce, spegnendosi diventa trasparente Accendendo e spegnendo i pixel la luce passa in maniera sele\va, creando così le immagini Ogni i punto è ges<to da tre ele*rodi, uno per ogni colore primario 42 7

8 3/16/10 Come funziona un monitor LCD Cultura tecnologica del proge*o 43 Come funziona un monitor LCD Cultura tecnologica del proge*o 44 Monitor al plasma U<lizzata per display di grosse dimensioni Elevate cara*eris<che di luminosità e contrasto, con un angolo di visione maggiore dei monitor LCD Lo svantaggio di questa tecnologia è la risoluzione rela<vamente bassa, il costo e la necessità di impiegare alte tensioni di lavoro Funzionamento simile alle tradizionali lampade a fluorescenza un gas inerte è contenuto tra due superfici di vetro trasparente tramite l azione di tante piccole coppie di ele*rodi si generano delle scariche che a*raversano il gas e lo caricano ele*ricamente fino ad eme*ere una luce ultraviole*a che colpisce ed eccita i fosfori 45 8