Il calcolatore. Elementi di base del calcolatore. Calcolatore di Von Neumann. Unità di Ingresso. Unità di Ingresso. Unità di Uscita.

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1 Elementi di base del calcolatore Registri: dispositivi elettronici capaci di memorizzare insiemi di bit (8, 16, 32, 64, ) Clock: segnale di sincronizzazione per tutto il sistema si misura in cicli/secondo [Hz] (400 MHz = 400 x 10 6 Hz = 4 x 10 8 Hz 1 ciclo è eseguito in 2.5 x 10-9 s = 2.5ns) Elementi di Informatica 1 Il calcolatore Macchina per eseguire sequenze di operazioni elementari Hardware Architettura Software Programmi (algoritmi + strutture dati = programmi, N.Wirth) Von Neumann (1945) (SISD) Elementi di Informatica 2 Calcolatore di Von Neumann Unità di Controllo (CU) Unità di Ingresso Comunica con il calcolatore: Ingresso (Input) Memoria Unità artimetica (ALU) Uscita (Output) 1. Trasduttori (posizione, temperatura, pressione, luminosità, ) 2. Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità, ) Elementi di Informatica 3 Elementi di Informatica 4 Unità di Ingresso Permette di: introdurre dati introdurre programmi comunicare con dispositivi normalmente non compatibili con il calcolatore (funziona cioè da interfaccia) Esempi: tastiera, mouse, convertitori A/D, telecamere, microfoni, scanner, lettori di codici a barre,... Elementi di Informatica 5 Unità di Uscita Sistema usato dal calcolatore per comunicare con il mondo esterno: 1. Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità, ) 2. Attuatori (trasformano il segnale elettrico digitale in: posizione, temperatura, pressione, luminosità, ) Elementi di Informatica 6 1

2 Unità di Uscita Permette al calcolatore di: comunicare con il mondo esterno attraverso dispositivi normalmente non compatibili con il calcolatore (funziona cioè da interfaccia) Esempi: stampante, monitor, plotter, altoparlanti, convertitori A/D,... Unità di Ingresso-Uscita Alcuni sistemi possono essere utilizzati indipendentemente come Ingresso e Uscita: dispositivi di memorizzazione esterna (dischi, nastri magnetici) Elementi di Informatica 7 Elementi di Informatica 8 Unità di Controllo Sequenzializzazione delle operazioni Fetch (PC) Interpretazione del codice operativo (IR) Contiene: Registri (general-purpose, puntatori) Flags e Status Word Machine cycle e Instruction cycle Unità Aritmetico-Logica (Arithmetic Logic Unit, ALU) Comandata da segnali di controllo Esegue operazioni aritmetiche e logiche Accumulatore e Flags Esegue operazioni su: dati semplici (+,-, and, or,, shift, compl2) dati complessi (*, /, +,- in doppia precisione) floating point (anche come microprogrammi) Elementi di Informatica 9 Elementi di Informatica 10 Memoria Memoria principale e secondaria Modalità di accesso: Sequenziale Casuale Memoria Organizzazione della memoria Unità di informazione, caratterizzata da: indirizzo o locazione contenuto Parametri caratteristici: capacità [esempio 64 Mega bytes] tempo di accesso [esempio 50 ns] Elementi di Informatica 11 Elementi di Informatica 12 2

3 Memorie Diversi tipi in dipendenza dalla capacità di conservare le informazioni in caso di mancanza di alimentazione: RAM ROM PROM (scritte una sola volta) EPROM (scritte più volte, ultravioletto) EEPROM, oppure E 2 PROM [ms] Elementi di Informatica 13 Dati e Programmi Von Neumann introdusse il calcolatore con programma immagazzinato la cui memoria contiene sia i dati che il programma (OpCodes, Operands) Elementi di Informatica 14 Architettura del calcolatore BUS dei dati, BUS degli indirizzi e BUS di controllo PC, Instruction Reg., Address Reg., Data Reg. Parallelismo del calcolatore Funzionamento del calcolatore L'unità di controllo sequenzializza due attività: caricamento dell'istruzione (fetch) esecuzione effettiva dell'istruzione (execution) Elementi di Informatica 15 Elementi di Informatica 16 Fase di Fetch Fase di Execution PC > Buffer indirizzi Lettura da memoria e memorizz. nel Buffer dei dati Buffer dei dati > Registro di Istruzione Incremento PC Interpretazione codice operativo Per ogni operando di cui è richiesta la lettura: PC > Buffer indirizzi Lettura da memoria e memorizz. nel Buffer dei dati Incremento PC Elementi di Informatica 17 In dipendenza dal codice operativo viene eseguita una particolare sequenza di operazioni, utilizzando i segnali di controllo Il tempo necessario dipende dall'operazione Eventuale fase di pre-fetch Elementi di Informatica 18 3

4 Organizzazione a BUS Le due parti principali sono: la CPU (Central Processing Unit, CU+ALU) i diversi BUS Uno schema usato frequentemente è: CPU Mem. Mem. I/O Bus di sistema I/O I dispositivi periferici Sono collegati al calcolatore tramite una circuiteria dedicata Se la CPU deve gestire anche i periferici si ha un degrado delle prestazioni Generalmente i periferici contengono CPU dedicate, alloggiate fisicamente al loro interno Elementi di Informatica 19 Elementi di Informatica 20 I dispositivi periferici Gestione dei dispositivi periferici: polling (a cura della CPU) interrupt (a cura dei periferici stessi) Le interfacce I periferici di diversi costruttori devono essere intercambiabili, senza modificare i programmi (blocchi indipendenti) Sono state definite alcune interfacce standard: Calcolatore Interfaccia Standard Connessione Interfaccia Standard Periferico Elementi di Informatica 21 Elementi di Informatica 22 L'interfaccia seriale E' l'interfaccia più comune e più semplice Il nome rispecchia la modalità di comunicazione utilizzata (seriale) RS232, RS432, fissano gli standard (livelli di tensione, piedinatura, temporizzazione, ) L'intervallo tra due bit successivi è costante (velocità di trasmissione) Il parametro principale è la bit-rate Elementi di Informatica 23 L'interfaccia parallela I bit vengono inviati tutti insieme, con l'aggiunta di segnali di controllo La comunicazione è più veloce, ma occorrono più fili rispetto alla seriale Di conseguenza è usata in modo monodirezionale (stampante, distanze brevi) Elementi di Informatica 24 4

5 I periferici più comuni Verranno analizzati: video tastiera sistemi di puntamento (mouse, trackball, joystick, tavoletta, touch screen) stampante plotter dispositivi a supporto magnetico (dischi e nastri) Elementi di Informatica 25 Il video Monitor CRT RGB vs monocromatico Alfanumerico vs grafico (risoluzione) Raster vs vettoriale (circuiti per rinfresco) La memoria associata determina: la risoluzione il numero di colori (paletta) Elementi di Informatica 26 Il video Esempi: 320 x 200, 256 colori, ognuno (8,8,8) bit Memoria: bytes, 768 per la paletta 640 x 480, 16 colori Memoria: /2 = bytes 1024 x 768, colori (true color, ovvero 24 bit) Memoria: bytes La tastiera Insieme di tasti, connessi ad interruttori La circuiteria individua il/i tasto premuto ed invia il codice al sistema, che -attraverso una tabella- determina il carattere ASCII E' possibile modificare tale tabella Risolve problemi di debounce e repeat Buffer circolare Elementi di Informatica 27 Elementi di Informatica 28 Sistemi di puntamento Unità di input per sistemi grafici Differiscono per: la tecnologia utilizzata la differente ergonomia dell'interazione con l'operatore umano Sono dispositivi che trasformano l'azione della mano dell'operatore sullo strumento di puntamento nello spostamento di un marker Elementi di Informatica 29 Il mouse E' lo strumento più economico e diffuso Trasmette la variazione di posizione (coordinate x e y) Mediante la pressione di tasti invia prefissate sequenze di caratteri Tecnologie: pallina di gomma LED e fotorivelatore su tavoletta tramata Elementi di Informatica 30 5

6 La trackball Analogo al mouse Tecnologia solo a pallina di gomma Alloggiato in posizione fissa: utilizzato in ambiente industriale e su computer portatili Il joystick Cloche di puntamento usata soprattutto per i videogiochi Trasmette la posizione della cloche Trasmette segnali opportuni a fronte della pressione dei tasti (che possono avere funzioni di repeat) Elementi di Informatica 31 Elementi di Informatica 32 La tavoletta Supporto piano su cui viene appoggiata una penna con punta metallica Trasmette le coordinate della posizione della punta della penna Risoluzione elevata (10 linee/mm) Tecnologie: a pressione sonora Elementi di Informatica 33 Il touch screen Monitor sensibili al tocco del dito Trasmettono le coordinate del punto Risoluzione modesta Il dito interrompe due fasci ortogonali di luce infrarossa tra fotoemettitori e fotorivelatori Usato in ambienti industriali Elementi di Informatica 34 La stampante La stampante Collegate tramite: seriale parallela rete locale Velocità di stampa: caratteri al secondo righe al minuto pagine al minuto Elementi di Informatica 35 Tecnologia di stampa: Ad impatto: martelletto su nastro inchiostrato: qualità buona, ma lenta; pochi colori Ad aghi: insieme di aghi; la qualità dipende dal numero di aghi, dalla loro distanza e precisione; lente ma grafiche; monocromatiche; costi bassi A getto d'inchiostro: gli aghi sono sostituiti da ugelli che spruzzano gocce di inchiostro; qualità migliore; possibilità del colore Elementi di Informatica 36 6

7 La stampante Termiche: comprendono diversi tipi: aghi che bruciano carta termo-sensibile, calore che fa evaporare sostanze che si depositano sulla carta Laser: un raggio laser forma l'immagine della pagina su un cilindro fotosensibile che si carica elettrostaticamente nei punti colpiti da maggior intensità. Sul cilindro si deposita il toner, che viene trasferito a caldo sulla carta Dot per inch, Page per minute Elementi di Informatica 37 Il plotter A penna (piani o a rullo): equipaggio mobile con 2 gradi di libertà una o più penne componente orizzontale: movimento penna componente verticale: movimento penna o trascinamento rullo A matrice di punti: ricordano le stampanti a getto d'inchiostro Elementi di Informatica 38 Memorie a supporto magnetico Materiale ferromagnetico (ossido di ferro) depositato su un supporto inerte Una corrente positiva o negativa orienta il materiale che costituisce le areole La lettura della polarizzazione si ottiene facendo transitare le areole sotto una spira Si arriva a centinaia di bit per mm 2 Elementi di Informatica 39 Memorie a supporto magnetico Vantaggi: elevata quantità di dati in poco spazio permanenza dell'informazione anche in mancanza di alimentazione Si differenziano attraverso la forma del supporto interte: dischi flessibili, dischi rigidi, nastri Elementi di Informatica 40 I dischi magnetici I dischi magnetici Vertiginosa evoluzione negli ultimi anni Supporto flessibile (floppy) o rigido (hard) su cui è steso del materiale magnetico con ciclo di isteresi quadrato Ruotano a velocità costante; la testina sfiora la superficie del disco Tracce concentriche Ogni traccia è suddivisa in settori mediante la formattazione Si può accedere (r/w) solo ad un intero settore: trasferimento a blocchi Tracce o cilindri Settore Elementi di Informatica 41 Elementi di Informatica 42 7

8 I dischi magnetici Caratteristiche: floppy: 5"1/4 o 3"1/2, fino a 1.44 Mb, elevato tempo di accesso, capacità limitata hard: immersi in gas pressurizzato, alta velocità, alta tranfser-rate, anche più dischi in parallelo, collegati al bus di sistema - Mirror, Raid Elementi di Informatica 43 I dischi magnetici Parametri caratteristici (dischi rigidi): Densità lineare di memorizzazione: bit/pollice Numero di tracce per pollice: Velocità di rotazione: rpm Velocità di spostamento del braccio: 5-50 ms per tracce adiacenti ms per tutte le tracce Velocità di trasferimento: 100kbyte/s - 4 Mbyte/s Capacità di memorizazione: 20 Mbyte - 10 Gbyte Elementi di Informatica 44 I dischi magnetici Se la quantità di dati supera la capacità del settore, i programmi di gestione devono spezzettarli e concatenarli Una catena si dice file Esiste un indice del disco (FAT) che contiene le info sui settori allocati e liberi Deframmentazione del disco I nastri magnetici Materiale magnetico disposto su nastri di plastica avvolti su bobine Informazioni memorizzate in blocchi intercalati da zone non magnetizzate Accesso sequenziale Applicazioni tipiche: backup o archiviazione dati Elementi di Informatica 45 Elementi di Informatica 46 I dischi ottici Derivati da CD usati per riproduzioni audio Basati su deformazioni permanenti della superficie del supporto (materiale plastico) Le variazioni di tensione accumulata su un fotorivelatore consentono di ricostruire l'informazione I dischi ottici Memorie WORM (Write Once Read Many) Esistono dispositivi per la scrittura dei dati Elevata capacità: 640 Mbyte, 74 min Molto utilizzati per: elevata affidabilità grande capacità enorme economicità Elementi di Informatica 47 Elementi di Informatica 48 8