Sommario della Lezione

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2 Sommario della Lezione Classificazione degli elaboratori. La struttura di base di un calcolatore: CPU, ALU, memoria centrale. 2

3 Classificazione di elaboratori Supercomputer Mainframe Mini-Computer Workstation Personal Computer Notebook Palmari 3

4 Supercomputer Sono i più potenti elaboratori disponibili, dotati anche di migliaia di processori che lavorano parallelamente. Calcolatori estremamente veloci MIPS (1 Milione di Milioni di istruzioni al secondo). I supercalcolatori sono special pourpose, cioè sono dedicati ad attività specifiche. In campo scientifico o tecnico usati ad esempio, per: Elaborazione di dati atmosferici inviati da satellite Simulazione di voli spaziali Effetti cinematografici Progettazione di automobili, aerei 4

5 Mainframe (ora noti come server) Sono computer general pourpose, di grande dimensione, in generale usati per svolgere funzioni centralizzate in cui si devono elaborare enormi quantità di dati (es. gestione della contabilità, gestione prenotazioni, ) Un mainframe può essere utilizzato da migliaia di utenti contemporaneamente. Sono di grandi dimensioni (di solito occupano un intera stanza) Sono gestiti da personale altamente qualificato. 5

6 Minicomputer (ora chiamati anch essi server) Sonomenopotentiepiùpiccolidei mainframe Utilizzati da grandi aziende e centri di calcolo come sistemi dipartimentali. Sono in grado di gestire anche centinaia di terminali contemporaneamente. Sono dotati di multiprocessore. 6

7 Server Mainframe e minicomputer vengono detti server Hanno il compito di fornire i dati richiesti dagli altri computer e di eseguire programmi che controllano le comunicazioni all interno della rete(di computer) I server possono essere di qualsiasi potenza o grandezza Il marketing associa la parola server al concetto di macchina potente. 7

8 Terminali Nel caso di sistemi di elaborazione condivisi da più utenti, come i mainframes ed i minicomputer, gli utenti interagiscono tramite terminali conversazionali, ossia unità specializzate per la comunicazione a distanza. Un terminale senza nessuna capacità di calcolo è detto terminale stupido Èdotatodischermo(monitor),tastiera,mouseedèprivodidisco Serve solo per inviare e ricevere informazioni, affida i calcoli al minicomputer o al mainframe a cui è collegato Un terminale è detto intelligente se ha una limitata capacità di elaborazione ed è così in grado di svolgere una certa quantità di funzioni in modo da alleggerire i compiti del computer centrale a cui è collegato. 8

9 Terminali self-service Sono terminali usati direttamente dagli utenti finali Bancomat Certificazione comunale Segreterie studenti (università) Caratteristiche Interfaccia semplice e chiara Usodi menu Schermi sensibili al tocco per l interazione con il computer Tastiera ridotta Funzionidiaiutoinlinea 9

10 Personal Computer (PC) PC = Personal Computer(spesso detto anche Desktop) Il personal computer è: E dotato di tutto il necessario per caricare programmi elaborare dati e salvarli. Per lavorare autonomamente o elaborare dati ricevuti da altri computer quali è connesso eseguendo calcoli, rappresentando dati in forma grafica. A fine anni 70 quasi tutta la potenza generata dai computer su scala mondiale proveniva dai PC, mentre i grandi calcolatori ne governavano solol 1%. Un PC è detto multimediale quando è dotato dell hardware e del software necessari per la riproduzione simultanea di audio e filmati. 10

11 PC IBM Il primo PC o Desktop (perché si posiziona sulla scrivania) nacque nel 1981 dalla IBM con il nome di PC IBM. IBM chiese a Bill Gates di produrre un S.O. per queste macchine Bill Gates compera MS-DOS per dollari IBM impone lo standard di mercato ancora oggi più diffuso. 11

12 PC Apple Nel 1976 Steve Jobs e Steve Wozniak idearono il primo PC basato sul microprocessore (Motorola) Locostruirononelgaragedicasa Vendettero la loro automobile e fondarono la Apple Computers Il PCaveva Video televisivo Tastiera di una telescrivente Circuiteriadiunavaligia24ore 12

13 Workstation Sono computer di alto rendimento (hanno processori potenti) e piccole dimensioni utilizzati soprattutto per la grafica Esempi di utlizzo: Progettazione CAD (Computer Aided Design) Grafica computerizzata(video) Simulazione di processi complessi 13

14 Notebook SonoPCatuttiglieffetti! Si caratterizzano per Le dimensioni ridotte (maneggevoli e leggeri possono entrare in una ventiquattrore) La possibilità di essere utilizzati (per qualche ora) senza connessione alla rete elettrica 14

15 Palmari Sono di dimensioni molto piccole Dotati si S.O. simile al windows dei computer standard, ma senza disco fisso Facilmente interfacciabili per comunicare con i personal computer e i portatili Permettono la navigazione in internet, l invio fax e messaggi di posta elettronica( ) Provvisti di vari programmi (per scrivere appuntamenti, per usare fogli elettronici, ascoltare MP3 ) 15

16 Riepilogando I supercomputer sono i più potenti, i più veloci i più costosi. Sono utilizzati principalmente nelle università e nei centri di ricerca. I mainframe hanno processori potenti e grande quantità di memoria RAM. Sono particolarmente utilizzati in multiutenza, ossia da più persone contemporaneamente, ciascuna delle quali utilizza un terminale collegato al mainframe. Sono molto costosi, pertanto sono utilizzati da grosse società commerciali, banche, ministeri, aeroporti. I minicomputersonoelaboratoriunpo piùpiccoli maingradodi gestire grandi quantità di dati in multiutenza. Sono usati da società di medie dimensioni. I personal computer sono quelli usati per lavoro d ufficio o in ambito domestico da un solo utente per volta. Una ulteriore distinzione può essere fatta tra computer da tavolo (desktop computer) e portatili(notebook o palmtop). 16

17 Architettura generale di un calcolatore (1) Tutti i computer hanno la stessa struttura astratta, o logica, detta macchina di von Neumann Memoria Centrale (RAM) Memoria periferica Unità di uscita Unità di controllo Unità di ingresso Processore Unità logico aritmetica 17

18 Architettura generale di un calcolatore (2) L architettura di Von Neumann riflette le funzionalità richieste da un elaboratore: Memorizzare i dati e i programmi = memoria principale I Dati devono essere elaborati = unità di elaborazione (CPU) Comunicazione con l esterno = unità di ingresso/uscita(periferiche) Le componenti del sistema devono scambiarsi informazioni = bus di sistema 18

19 Architettura generale di un calcolatore (3) Stampante Mouse Tastiera Porte Controller del disco Disco rigido Lettore CD/DVD Modem CPU Scheda grafica Monitor RAM Scheda audio Altoparlanti Scheda di rete Bus Computer Computer Diagramma schematico di un personal computer 19

20 Componenti di base di un PC L unità centrale. La memoria centrale Lamemoriadi massa. Leunitàperiferichedi ingressoediuscita. 20

21 Componenti di base di un PC L unità centrale di elaborazione, detta CPU, (central processing unit) è il cervello del computer, in quanto è responsabile dell esecuzione dei programmi e del controllo di tutto ciò che avviene all interno dell elaboratore. Lamemoriacentraleèformatadatretipidi memorie: la RAM (random access memory) costituisce il banco di lavoro del computer, larom(readonlymemory)èunamemoriadisolalettura, la memoria cache caratterizzata da una elevata velocità è frapposta tra la CPU e la memoria centrale e aumenta le prestazioni del computer. 21

22 Componenti di base di un PC Le memorie di massa servono per immagazzinare datieprogrammiesidividonoin hard disk (dischi rigidi o fissi), floppy disk (dischi flessibili e rimovibili), CD ROM (compactdisk read onlymemory, dischi ottici asola lettura), CD WROM (write once read many, sui quali è possibile registrare sequenzialmente ma non è possibile alcuna operazione di modifica o cancellazione) CD WMRA(write many read always, dischi ottici riscrivibili), DVD (digital versatile disk) di grande capacità di memoria sono utilizzati per applicazioni multimediali. 22

23 Componenti di base di un PC Traleunitàperiferichedi input,odi ingresso,abbiamo la, tastiera, il mouse, la track-ball (un mouse rovesciato), il touch pad (un dispositivo sensibile al tatto) lo scanner (una specie di fotocopiatrice che permette di leggere le immagini e le scritte stampate su di un foglio e di trasformare in documenti utilizzabili dal computer), lapennaotticautileperleggerecodiciabarre, la tavoletta grafica, lo schermo tattile, il microfono e i sistemi di riconoscimento della voce. Traleunitàperiferichedioutput,odiuscita,abbiamo il monitor, la stampante, il plotter, un dispositivo grafico di elavata precisione 23

24 Chip Le componenti interne di un computer sono i circuiti logici di base di un calcolatore quali, ad esempio Iregistri Lamemoria I circuiti aritmetici di controllo Sono realizzate codificando su una sottile lamina di silicio (circuito integrato o chip) milioni di transistor (interruttori accesso/spento) collegati da sottilissimi fili di alluminio. 24

25 L Unità Centrale di Elaborazione (CPU) L Unità Centrale di Elaborazione (in inglese Central Processing Unit, abbreviato CPU) è il microchip presente nel computer capace di elaborare i dati in ingresso e fornire una risposta in uscita, eseguendo: Istruzioni di calcolo Istruzioni di controllo L elaborazione avviene in accordo a sequenze di istruzioni(istruzioni macchina) Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni viene chiamato linguaggio macchina 25

26 Architettura di Von Neumann Unità periferiche CPU Memoria Principale Memoria Secondaria Unità di Ingresso Unità di Uscita BUS 26

27 L Unità Centrale di Elaborazione (CPU) La CPU si identifica, nel personal computer, col microprocessore, in generale un microprocessore può essere presente in molti dispositivi elettronici moderni. La CPU è un microprocessore con compiti particolari. Esso è il cuore del computer, infatti: Gestisce il funzionamento dell intero computer (gestisce il flusso di dati tra CPU e memoria o tra memoria e periferiche Esegue le operazioni (elementari) presenti in ogni programma 27

28 Esempio di Microprocessore 28

29 Coprocessori e processori paralleli Nei moderni computer la CPU è coadiuvata da altri processori specializzati nel trattamento di particolari tipologie di dati. Un coprocessore è un processore dedicato che, sotto il controllo della CPU e del S.O. svolge operazioni specialistiche(evitando dispendi di tempo della CPU): Processore sulla scheda video Processore sulla scheda audio NOTA Microprocessori ad hoc sono incorporati in automobili, telefoni, termostati, schede telefoniche carte di credito. 29

30 Struttura e componenti della CPU La CPU coordina le attività di tutte le componenti del calcolatore interpreta le istruzioni che compongono il programma e le esegue. Ha tre componenti principali: Unità logico-aritmetica(alu): effettua i calcoli aritmetici e logici Unità di controllo: coordinamento di tutte le operazioni dell ALU e governo dei dispositivi collegati all elaboratore Registri: celle di memoria ad accesso molto veloce in cui la CPU memorizza dati, risultati e informazioni relative all istruzione attualmente in esecuzione. Unità Centrale Central Processing Unit CPU Control Unit ALU Bus interni Banco di Registri PC IR R1 Rn Periferiche di I/O Dispositivi di Memoria di Massa Bus (dati, indirizzi, controllo) Memoria Principale (RAM) 30

31 Come lavora la CPU (1) Il processore possiede zone di memoria chiamate registri, dove vengono scritti/letti i dati su cui operare ed i loro risultati un registro importante è il Program Counter (PC) che registra l indirizzo della prossima istruzione da eseguire un altro registro importante è l Instruction Register (IR) che contiene la prossima istruzione da eseguire Il processore inoltre contiene la ALU e l Unità di Controllo la ALU (Arithmetic Logic Unit) riceve nell IR un dato nella memoria. Il dato è composto dal tipo di operazione e dagli operandi (un operazione matematica, uno spostamento di dati da una parte all altra della memoria); esegue l operazione e determina quale istruzione deve essere eseguita di seguito l Unità di Controllo(Control Unit) usando il registro PC recupera dalla memoria e pone in IR l istruzione successiva da eseguire 31

32 Come lavora la CPU (2) Fase di fetch : caricare nel registro IR l istruzione il cui indirizzo si trova in PC e incrementare il valore di PC fase di decode: decodificare l istruzione in IR se l istruzione è HALT allora l esecuzione termina; altrimenti determinare i dati necessari da prelevare dalla Memoria; se sono necessari altri dati allora estrarre i dati dalla Memoria e caricarli nei registri di CPU fasedi execute: eseguire l istruzione e depositare il risultato ad indirizzo appropriato; torna alla fase di fetch. 32

33 Come lavora la CPU (3) START Fetch Next Decode Execute Instruction Instruction Instruction HALT 33

34 Caratteristiche importanti della CPU data capacity: quantità di bit che possono essere elaborati simultaneamente; tipicamente da 8 a 128 bit velocità di elaborazione: misurata in quantità di istruzioni per secondo (o milioni di istruzioni per secondo MIPS) Legge empirica di Gordon Moore: la potenza di calcolo ottenibile a costo costante raddoppia ogni 24 mesi (la cosa continua dal 1965) 34

35 Legge di Moore Crescita del numero dei transitor nella CPU 35

36 CLOCK Tutte le attività interne alla CPU sono regolate da un orologio (clock) che genera impulsi regolari ad una certa frequenza (ad es. 800 MHz, 1 GHz, 2GHz, ) e serve per sincronizzare le operazioni svolte. Ogni operazione elementare del processore avviene in corrispondenza di un impulso del clock (le operazioni non sono eseguite di continue ma a scatti) Lavelocitàdelclocksi misurainhertz L hertz è il numero di cicli che il clock effettua in un secondo 1hertz(Hz) = 1cicloalsecondo 1megahertz(MHz) =circa1milionediciclialsecondo 1gigahertz(GHz) =circa1miliardodiciclialsecondo 36

37 Velocità di una CPU La velocità del clock permette di confrontare solo processori della stessa famiglia UnPentiumIII a450 MHzèpiùlentodi unpentiumiii a 500 MHz Ma non è detto che un Pentium IV a 2 GHz esegua un operazione più velocemente di un AMD Athlon a 1.5 GHz 37

38 Velocità di una CPU Alcuni esempi : Il processore 386 utilizzava sei cicli di clock per sommare due numeri: il 486 ne utilizzava due; un Pentium di prima generazione 1; infine, un Pentium Pro in un unico ciclo di clock esegue tre somme Dunque processori di famiglie diverse non si possono confrontare sulla base del ciclo di clock. Invece, processori della stessa famiglia sì: Pentium II / 300 MHz èpiùvelocedi PentiumII/200MHz 38

39 Istruzioni del processore Ogni processore è in grado di eseguire solo poche istruzioni elementari quali: Somma di due numeri (già la somma di tre numeri viene effettuata tramite due somme elementari) Confronto tra due numeri. Leistruzioni di uncomputersonoil suovocabolario quanto più esso è povero, tante più parole saranno necessarie per descrivere un concetto, ma tanto più esse saranno corte e di semplice comprensione. 39

40 Gerarchie di Memorie Ogni computer opera utilizzando diversi tipi di memoria, che sono organizzati in modo gerarchico: tutti i dati sono memorizzati su supporti lenti ma capienti(memoria di massa) quelli usati più frequentemente sono nella memoria centrale(ram) una piccola porzione di dati che è stata acceduta più recentemente si trova nella cache Memoria Di Massa RAM Cache memorie più capienti memorie più veloci 40

41 Caratteristiche delle memorie 1. Tipo d'accesso(sequenziale o random) 2. Velocità 3. Capacità 4. Costo 5. tecnologia di fabbricazione 6. Rimovibilità Esempi: RAM: 1.random; 2.alta; 3.bassa; 4.alto; 5.elettronica; 6.assente floppy disk: 1.random; 2.bassa; 3.bassa; 4.basso; 5.magn.; 6.presente hard disk: 1.random; 2.alta; 3.alta; 4.medio; 5.magn.; 6.assente CD ROM: 1.random; 2.basso; 3.alta; 4.basso; 5.ottica; 6.presente 41

42 La Memoria Centrale (1) Contiene: dati programmi Random Access Memory (RAM) Memoria volatile necessita di alimentazione elettrica 42

43 La Memoria Centrale (2) Può essere vista come una lunga sequenza di componenti elementari, ognuna delle quali può contenere un unità di informazione(un bit) Le componenti elementari sono aggregate tra di loro e formano delle strutture complesse dette celle (otto bit formano un byte) La memoria può essere vista come una sequenza di celle 43

44 La Memoria Centrale (3) Ciascuna cella è caratterizzata da un indirizzo Gli indirizzi corrispondono all ordinamento delle celle nella sequenza Gli indirizzi sono numeri interi (partono da 0) Il numero di bit k necessari per l indirizzo dipende dal numero di celle di memoria: i.. h bit }cella k = 2 k 2 k

45 La Memoria Centrale (4) k - 1 Operazione di lettura: 1. La CPU scrive l indirizzo della cella di memoria da cui leggere nel registro degli indirizzi (RI) 2. Esegue l operazione( apre i circuiti ) 3. Il valore della cella indirizzata viene trasferito nel registro dati (RD) Operazione di scrittura: al contrario h bit CPU 0 bus indirizzi rigistro 972 k bit indirizzi (RI) bus dati h bit Operazione di Lettura rigistro dati (RD) 45

46 La Memoria Centrale (5) Un altro nome con cui viene indicata la memoria centrale è RAM (Random Access Memory). Questa definizione indica che il tempo di accesso ad una cella è lo stesso indipendente dalla posizione della cella. Le operazioni che si possono effettuare sulla memoria sono le operazioni di lettura e scrittura di informazioni nelle celle. 46

47 La Memoria Centrale (6) Le dimensioni della memoria centrale variano a seconda del tipo di computer e vengono espresse mediante le seguenti unità di misura: 1 Kilobyte(KByte) corrisponde a 1024 byte 1 Megabyte(MByte) corrisponde a 1024 Kbyte 1 Gigabyte(GByte) corrisponde a 1024 MByte 1 Terabyte(TByte) corrisponde a 1024 GByte Nei computer attuali le dimensioni tipiche della memoriacentralevannodal 1a2 Gbyte. 47

48 La Memoria Centrale (7) Attualmente esistono 3 tipi di RAM dinamica(dram): SDRAM: di vecchia concezione, Max velocità MB/sec(lenta per le attuali schede grafiche) DDR: di nuova generazione, Max velocità(2.666 B/Sec) RDRAM (o RAMBUS) MB/sec (usata nelle consolle Nintendo64ePlaystation2) di futuroincerto RAM statica (SRAM), più veloce, ma più costosa, usata anche nella cache e nelle memorie di tipo flash. Video RAM (VRAM). Memoria molto veloce presente sulle schede video. 48

49 Bios La memoria ROM-BIOS (Basic Input Output System) è un insieme di procedure registrate in un chipdi ROMall internodei PC Contiene le procedure che gestiscono funzioni di input/output, comprese quelle grafiche Contiene il programma che il computer esegue appena acceso(bootstrap) Il BIOS esteriormente appare come un piccolo chip elettronico con tanti piedini di metallo 49

50 Cmos Una piccola parte di RAM (CMOS) è presente anche nel BIOS La memoria CMOS è una memoria statica (SRAM) che mantiene i dati con un alimentazione a batteria (simileaquellausatapergliorologidapolso) Essa contiene le informazioni sulla composizione fisica del computer(informazioni di setup) Quando l hardware subisce modifiche (espansione di memoria, installazione di nuove periferiche ) è sufficiente aggiornare questa parte del BIOS. Informatica 50

51 Come si avvia il PC Il bootstrapèunprogrammachepermetteal PCdi partire, esso risiede nella memoria ROM nel BIOS (la ROM non è volatile), viene attivato subito dopo l accensione, ed effettua le seguenti operazioni: Check-up dell hw del computer, verificando: La corrispondenza tra le informazioni contenute nello stesso BIOS e la componentistica reale della macchina (è possibile apportare modifiche tramite il SETUP) Il funzionamento di tali hw (processore, RAM, video, tastiera, memorie di massa, ecc..) Se il controllo ha esito positivo il BIOS accede al disco che contiene il sistema operativo, lo carica in RAM e gli cede il controllo, altrimenti si blocca e l unica cosa che è possibile fare è spegnerlo!!! Informatica 51

52 La memoria virtuale La RAM non è infinita, per cui è possibile che essa si saturi, soprattutto quando sono in esecuzione molti applicativi o sono aperti documenti molto grandi. In questo caso il S.O. provvede a fare spazio all interno della RAM utilizzando una particolare area del disco fisso (area di SWAP) per spostarvi (parti di) dati o (parti di) programmi dalla RAM. Informatica 52

53 Swapping Il S.O. sceglie ciò che va spostato nell area di swap utilizzando varie strategie, ad esempio sposta ciò cheinramèinutilizzatodapiùtempo Tale uso combinato di RAM e di Hard Disk prende il nome di Memoria Virtuale L operazione di spostamento è detta di swapping, tale operazione è molto costosa in termini di tempo Informatica 53

54 Memoria cache (1) Per elaborare i dati, questi devono trovarsi nella CPU. Per velocizzare questa operazione la tecnica più comune utilizzata nelle moderne architetture di processore è di memorizzare i dati in un area di memoria ad accesso più veloce chiamata cache. Tipicamente si usano due cache in cui sono mantenuti i dati più recenti, una direttamente integrata al processore e l altra sulla scheda madre. la memoria cache è volatile cioè il suo contenuto viene perso quando il PC viene spento. Informatica 54

55 Memoria cache (2) Nella cache vengono memorizzati: Una parte dei dati contenuti nella memoria principale (ad esmpio quelli ultilizzati ultimamente o quelli vicini fisicamente all istruzione in esecuzione) Quindi si cerca il dato/istruzione prima di tutto nella cache: Sec èlosiusa(cachehit) Informatica 55

56 Memoria cache (3) Cache di livello 1 (detta anche interna o primaria o L1) fa fisicamente parte del chip del processore. È velocissima ma anche non molto capiente ( Mega) Cache di livello 2 (detta anche esterna o secondaria o L2) è costituita da chip di memoria alloggiati sulla scheda madre. È più lenta di L1 ma notevolmente più veloce della memoria centrale. Informatica 56

57 Buffer Alcuni programmi assegnano ad una piccola zona della RAM la funzione di buffer (memoria tampone) Utilizzato per scaricare o caricare i dati su/da disco Contiene gli ultimi dati immessi da tastiera (fino a che nonsipremeiltasto INVIO ) Contiene gli ultimi comandi usati da un programma con i relativi dati coinvolti per poter permettere l annullamento tramite il pulsante Clipboard = contiene ciò che viene tagliato o copiato Informatica 57

58 Riepilogando Una memoria è un dispositivo capace di immagazzinare, conservare e restituire informazioni, cioè programmi, applicazioni e dati. Nel computer sono presenti diversi tipi di memorie. Ciò che differenzia le memorie è la velocità di accesso, la capacità e il prezzo. La memoria centrale è formata da tre tipi di memorie: la RAM (random access memory) costituisce il banco di lavoro del computer, la ROM (read only memory) è una memoria di sola lettura, la memoria cache caratterizzata da una elevata velocità è frapposta tra la CPU e la memoria centrale aumenta le prestazioni del computer. Informatica 58