Lez. 3 - Hardware. Prof. Salvatore CUOMO

Transcript

1 Lez. 3 - Hardware Prof. Salvatore CUOMO 1

2 Introduzione all informatica L elaborazione HW dell elaboratore - L unità centrale di elaborazione - Le memorie secondarie - I dispositivi I/O SW dell elaboratore 2

3 Hardware Parte fisica del sistema L insieme dei componenti elettronici e meccanici del computer e delle sue periferiche Software Parte logica del sistema Programmi per la gestione del computer (es. Sistema operativo) o per specifiche applicazioni (es. programmi di video scrittura) 3

4 4

5 All interno dell elaboratore e all esterno Scheda Madre Dispositivi di input; Processore (CPU) Tastiera Memoria Principale Mouse Bus Dispositivi di output Monitor Stampante Altre periferiche Memorie Secondarie Rete 5

6 6

7 La scheda madre o motherboard è l elemento hardware che contiene tutti i principali circuiti necessari al corretto funzionamento di CPU, memoria e dispositivi I/O. (quindi mai risparmiare sulla scheda madre) 7

8 Lez. 4 - Hardware Giovanni Mettivier 8

9 Lez. 4 - Hardware Giovanni Mettivier 9

10 L Unità Centrale di Elaborazione (CPU) 10

11 Modello dell elaboratore Schema teorico che rappresenta le caratteristiche fondamentali e le modalità di funzionamento della elaborazione dell informazione. Elaboratore Macchina a programma memorizzato Programma: sequenza di istruzione Istruzione: tradotta in una sequenza di comandi Comandi: eseguiti dalle unità che costituiscono la macchina stessa 11

12 12

13 Caratteristiche del modello di Von Neumann Proceduralità: possibilità di eseguire differenti programmi memorizzati. Il modello è basato sul paradigma di programmazione procedurale: il programma indica la sequenza di istruzioni da eseguire per ottenere la soluzione ad un dato problema. Sequenzialità: regola della selezione della istruzione da eseguire rigidamente fissata. Connessione tra le unità funzionali con singolo flusso di informazione tra memoria e processore. 13

14 Il processore o CPU (Central Processing Unit Unità Centrale di Elaborazione) è la parte dell elaboratore che consente l esecuzione delle istruzioni dei programmi. E il cuore dell elaboratore E costituito da tre componenti principali: Unità di calcolo o ALU (Aritmetic Logic Unit) Esegue le operazioni artmetico-logiche necessarie all esecuzione delle istruzioni Unità di controllo o CU (Control Unit) Governa il funzionamento delle varie unità, legge le istruzioni dalla memoria e ne determina il tipo. Memoria di Cache Piccola memoria che permette di velocizzare le operazioni di trasferimento dati. 14

15 15

16 Con il termine microprocessore si intende un processore realizzato interamente su un unico chip (CPU integrata) Un chip o circuito integrato è costituito da milioni di transistor collegati da sottilissimi fili di alluminio, il tutto all interno di una piastrina di silicio La realizzazione fisica del microprocessore è effettuata con la tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration) Un transistor è un dispositivo elettronico a due stati, una sorta di microscopico interruttore che può essere acceso o spento. 16

17 Il processore è dotato di un orologio (clock) interno, la cui frequenza di pulsazioni, detta frequenza di clock, determina la velocità di elaborazione del computer. La velocità del clock si misura in MHz (milioni di cicli al secondo) Più alta è la frequenza di clock, maggiore è la velocità di elaborazione del computer. I primi processori avevano una frequenza di clock di pochi MHz Gli odierni processori superano le frequenze di 3000 MHz (3 GHz). La velocità e la potenza di un computer dipendono anche dalla larghezza del bus, ovvero dal numero di bit (lunghezza del singolo dato) che il processore è in grado di ricevere e di elaborare simultaneamente. I primi processori potevano elaborare solo dati di 8 bit. In breve si passò prima a 16 e poi a 32 bit. Oggi tutti i processori sono in grado di elaborare dati rappresentati con 64 bit. 17

18 Il processore contiene anche un insieme di registri I registri sono piccole memorie ad alta velocità destinate a contenere informazioni legate all istruzione in corso d esecuzione, quali: L istruzione che il processore sta elaborando; I dati su cui opera l istruzione corrente L indirizzo della prossima istruzione da eseguire L informazione relativa allo stato di tutte le risorse a disposizione 18

19 I principali registri del processore sono: Registro di istruzione (IR- Instruction Register) Contiene l istruzione che si sta elaborando Registro Contatore (PC-Program Controller) Contiene l indirizzo della prossima istruzione da estrarre ed eseguire Registro PSW (Programm Status Word): parola di stato di programma Contiene i flag di stato, bit impostati dall HW della CPU dopo un operazione per indicare particolari condizioni circa l esito dell esecuzione (es. segno, risultato nullo, overflow, carry, ) 19

20 Il processore esegue le istruzioni di un programma una alla volta in sequenza: estrae le istruzioni dalla memoria, le interpreta e le esegue una dopo l altra. Un programma indica la sequenza di istruzioni da eseguire per ottenere la soluzione ad un dato problema. Il processore esegue ogni istruzione mediante una sequenza ben definita di operazioni detta ciclo di istruzione o ciclo macchina. Estrazione di una istruzione (fase di fetch) Esecuzione dell istruzione (fase di execute) Ripetendo questa semplice sequenza di operazioni, il processore è in grado di eseguire programmi comunque complessi. 20

21 Fase di Fetch L unità di controllo preleva dalla memoria centrale l istruzione utilizzando l indirizzo conservato nel PC. Il PC punta alla istruzione successiva a quella in esecuzione L istruzione prelevata viene memorizzata nel registro IR. Fase di Execute L unità di controllo interpreta l istruzione e determina le operazioni da eseguire L unità di controllo controlla l esecuzione delle operazioni 21

22 I processori più diffusi per PC sono il Pentium prodotto da Intel, giunto ormai alla V generazione con frequenze di clock oltre i 3 GHz, e l Athlon prodotto da AMD con prestazioni comparabili. I due processori sono praticamente del tutto compatibili dal punto di vista software. 22

23 Da circa un paio di anni lo sviluppo dei processori non segue la linea di aumentare la frequenza di clock, ma piuttosto di aumentare le prestazioni per ciclo di clock. (sistemi paralleli) In termini di pura potenza di calcolo un Pentium Core 2 Duo è quasi 2 volte e mezzo più veloce di un Pentium 4, ma usa la stessa frequqnza di clock. I recentissimi quad core non sono da considerare particolarmente utili, perché al momento l incremento di prestazioni rispetto al dual core è marginale, se non in applicazioni multiple. 23

24 Da qualche anno si è sviluppata, in concomitanza con la diffuzione enorme dei computer portatili, la necessita di ridurre la potenza elettrica richiesta ai sistemi hardware. Questo ha portato a tecnologie integrate (processore-chipset-scheda di rete) come la Intel Centrino e la più recente Centrino 2. 24

25 La RAM correntemente utilizzata sui PC è oggi di tipo volatile, basata su tecnologia a semiconduttori. Il tipo più diffuso è la syncronous dynamic Ram o SDRAM. Quelle di tipo veloce sono indicate dalla sigla DDR-2 (e recentissime DDR-3). Dimensioni tipiche della memoria di un PC sono dell ordine di 1-4 GB. I tempi di accesso sono dell ordine di qualche decina di ns. 25

26 Come già accennato i dispositivi di I/O sono di tipo più vario. In generale però essi utilizzeranno: Un bus di I/O, che permette ai dispositivi ad esso collegati di comunicare con il resto del sistema Una interfaccia hardware fra il dispositivo e il PC Un protocollo software per gestire i dati provenienti dall interfaccia 26

27 Il dispositivo di input più utilizzato è la tastiera. Essa comprende più di 100 tasti e permette di introdurre caratteri speciali. La disposizione qwerty è quella storica della macchina da scrivere. 27

28 Esc (Escape): consente di annullare un comando in via di esecuzione. Tasti numerici: per inserire i numeri basta premere il tasto corrispondente, per i simboli bisogna premere contemporaneamente il tasto Shift. Tasti funzione (F1-F12): hanno funzioni diverse a seconda del software impiegato. Backscape: riporta indietro il punto di inserzione cancellando i caratteri. Enter (Invio): per completare una operazione, per iniziare un nuovo paragrafo. 28

29 Spie luminose: indicano in che modalità sono i tasti Bloc Num, Bloc Scorr e Bloc Maiusc. Tasto Tab: sposta l inserimento dei caratteri di uno spazio di tabulazione. Tasto Shift: insieme alle lettere fornisce le lettere maiuscole. Tasti alfanumerici: sono disposti come quelli di una macchina da scrivere. Tasti direzione: per spostare il cursore o il punto di inserzione. Tastierino numerico: Se Bloc Num è attivo serve ad inserire i numeri. 29

30 Comunissimo dispositivo di input. Dispone di due tasti per compiere azioni e sempre più spesso di una rotellina per far scorrere pagine o testo. 30

31 Comunissimo dispositivo di input. Dispone di due tasti per compiere azioni e di una rotellina per far scorrere pagine o testo. - Sensore meccanico - Sensore ottico Puntatore: la freccia che si sposta sullo schermo Puntare: posizionare la freccia su un oggetto dello schermo Clic: premere e rilasciare immediatamente un tasto Doppio clic: premere il tasto due volte in rapida successione Trascinare: tenere premuto il tasto mestre si sposta il mouse. 31

32 Il tradizionale CRT basato su tubo catodico ha ormai lasciato completamente il passo a monitor LCD (cristalli liquidi). Alcuni parametri importanti sono: La dimensione (espressa dalla lunghezza in pollici della diagonale 1 = 2,54 cm) La risoluzione in pixel (es. 1280x1024, 1440x960, ) La luminosità (es. 300 cd/m 2 ) Il contrasto (es. 500:1, 800:1, ) I tempi di latenza (es. 5 ms) L uniformità e la resa cromatica 32

33 Permettono la visualizzazione di grafica ad alta definizione e lo stremining video. Usano un bus dedicato (AGP o il più recente PCI- Express) e possono disporre di memoria dedicata (con prestazioni decisamente più spinte) o usare memoria condivisa con il resto del sistema (con prestazioni più scadenti e appesantimento del sistema complessivo). Le applicazioni che richiedono di più ad una scheda video sono tipicamente i videogames 3D. 33

34 Modem: Permette di trametter informazioni sulla linea telefonica e di connettersi, tramite un provider, alla rete internet. Stampante: premette di stampare pagine di testo, fotografie, disegni, etc. Le più diffuse sono del tipo a getto di inchiostro, quelle usate in ambito professionali sono di tipo laser. Scanner: permette di acquisire in forma digitalizzata un immagine, che viene quindi trasformata in un file, che poi può essere eventualmente ristampato (come in una fotocopiatrice) o inviato in rete (come in un fax) 34

35 Nasce per risolvere in modo generale il problema della connessione di numerose periferiche al PC. L idea di fondo è che ogni dispositivo collegato al bus possa fare da hub, ovvero da fulcro di una rete a stella di altri dispositivi ad esso collegati. In tal modo si I cavi di collegamento forniscono anche una tensione di 5V. possono collegare fino a 127 dispositivi con velocità di trasferimento 1.5 MB/s (o 12 Mb/s). 35

36 - Utilizza cavi sottili per il collocamento. - Hot plugging - Tecnologia plug and play - I cavi di collegamento forniscono anche una tensione di 5V. - Velocità trasferimento 480 Mbps 36

37 Il bus USB è inadeguato nelle situazioni in cui è richiesta un alta velocità di trasferimento dati, come ad es. per l utilizzo di dispositivi di memoria di massa esterni. Firewire ( alias IEEE 1394) e USB 2.0 si contendono attualmente il mercato per quanto riguarda il trasferimento dati ad alta velocità rispettivamente di 400 e 480 Mb/s. 37

38 Il WiFi è un nome commerciale per il protocollo di trasmissione standard IEEE a/b/g basato sulla trasmissione di segnali radio alla frequenza portante di 2.4 GHz. Permette di trasferire dati fino a 54 Mb/s su distanze dell ordine di qualche decina di metri. Può essere usato per connettere più computers ad un Access Point ( punto di accesso alla rete) o per collegare diverse periferiche ad un computer. 38

39 Il WiMax è un sistema di trasmissione (IEEE ) che raggiunge la velocità di 2 Mb/s ma copre aree molto più vaste (10 km) e può essere usato per connettere direttamente un computer ad un provider (similmente a quanto accade per la rete dei telefonini GSM). 39

40 Le Memorie sono dispositivi per la memorizzazione delle informazioni. Ogni memoria è costituita da celle, a cui si accede tramite un indirizzo In ogni elaboratore vi sono tre tipi di memorie: Memoria centrale Contiene dati e istruzioni attualmente elaborati dal processore Registri Contengono informazioni necessarie all elaborazione della singola istruzione Memorie di massa Contengono dati e programmi che sono oggetto di elaborazione immediata 40

41 I parametri fondamentali delle memorie sono: Dimensione della parola (locazione di memoria) Modalità di accesso (diretto o sequenziale) Permanenza o volatilità dei dati Capacità (numero di locazioni disponibili) Tempo di accesso (o velocità): tempo necessario per accedere ad una locazione di memoria per un operazione di lettura o scrittura. (ns) In base agli ultimi due parametri, le memorie si collocano a diversi livelli di una gerarchia, che va da memorie più capaci ma più lente (memorie di massa) a memorie velocissime ma piccolissime (registri) 41

42 42

43 Piccole memorie ad altissima velocità, interne alla CPU, usate per memorizzare risultati temporanei dell elaborazione di una istruzione e informazioni di controllo. Ogni registro ha una specifica funzione La dimensione di un registro è una parola di n bit (solitamente tutti i registri hanno la stessa dimensione). Un registro può contenere una qualunque tra le 2 n combinazioni diverse di n bit. 43

44 La memoria principale o memoria centrale, detta anche RAM (Random Access Memory = Memoria ad Accesso Casuale), è la memoria in linea con il processore, che contiene i dati e i programmi che sono correntemente elaborati dal processore. Un programma, quando non è oggetto dell elaborazione, è memorizzato su memoria di massa (dischi). Quando deve essere eseguito, viene caricato tutto o in parte in memoria principale (memoria virtuale) Le caratteristiche fondamentali di tale tipo di memoria sono: - Accesso diretto alle informazioni; - Velocità elevata; - Volatilità: quando il computer viene spento, i dati e i programmi presenti in questa memoria vengono cancellati. 44

45 E un insieme di locazioni o celle, ognuna contraddistinta da un numero, detto indirizzo che serve per accedere all informazione contenuta nella cella. Locazione o cella di memoria = minima unità indirizzabile contenente una parola (word) di 16, 32, o 64 bit. La tecnologia utilizzata per la memoria centrale è quella dei dispositivi a semiconduttori, che la fanno apparire come una matrice di bit. Ogni bit è presente come stato (alto o basso) di tensione. I primi computer avevano 128 kb di RAM Attualmente la capacità delle RAM dei PC si aggira intorno ai 4 GB. 45

46 La connessione tra memoria e processore rappresenta un limite degli elaboratori di Von Neumann. Limite architetturale: permette l accesso ad una sola informazione per volta ( collo di bottiglia ) Limite tecnologico: la velocità con cui il processore ottiene le informazioni dalla memoria centrale (velocità di accesso della RAM) è inferiore alla velocità con cui è in grado di elaborarle. Soluzioni: Allargamento del bus di dati, in modo da poter estrarre più istruzioni e/o dati per volta. Superamento del limite tecnologico mediante l introduzione di una memoria intermedia tra memoria centrale e processore che approssimi la velocità del processore. 46

47 Piccola Ram molto veloce, interposta tra la CPU e la memoria principale per migliorare le prestazioni del sistema. Quando viene indirizzata una parola, quella parola e alcune di quelle vicine vengono trasferite dalla lenta memoria centrale nella più piccola e veloce memoria cache, in modo che la parola successiva sia accessibile più velocemente. 47

48 La ROM (Reas Only Memory) è una memoria a sola lettura, destinata a contenere informazioni non variabili nel tempo, Caratteristiche delle memorie ROM: - Accesso casuale alle informazioni; - Velocità elevata (inferiore alle RAM); - Non volatilità. E usata per memorizzare programmi di sistema Es. il programma per il caricamento in RAM del Sistema Operativo (boostrap) o del software realizzato dal costruttore della scheda madre per la gestione dell hardware del sistema. 48

49 PROM (Programmable ROM) Può essere programmata dall utente (una sola volta) EPROM (Erasable PROM) Può essere non solo programmata dall utente, ma anche cancellata (mediante esposizione a raggi ultravioletti). EEPROM (Electric Erasable PROM) Si può cancellare per mezzo di impulsi elettrici Un tipo recente di EEPROM è rappresentato dalle cosiddette memorie flash, usato come supporto di memorizzazione per le macchine fotografiche digitali e per molte altre applicazioni. 49