Struttura dei sistemi di calcolo

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1 Struttura dei sistemi di calcolo Riferimenti: Curtin cap. 3-5 Console cap. 3 Versione: 13/03/2007 1

2 Come prologo: la macchina di von Neumann Nei primi computers l'inserimento dei dati e dei programmi avveniva cambiando la posizione di interruttori o modificando la disposizione dei cavi che connettevano diverse unita' di calcolo Versione: 13/03/2007

3 Versione: 13/03/2007

4 Idea di von Neumann: macchina general pourposes a programma memorizzato che viene specializzata dal processo introdotto dall'utente. Programma memorizzato: il procedimento viene descritto e inserito in una particolare unita' (memoria) insieme ai dati. L' inserimento avviene attraverso una particolare unita' di input. dati programma Versione: 13/03/2007 input memoria

5 Adesso occorre una unita' che esegua le istruzioni: a livello elementare questo Compito e' svolto da una Arithmetical and Logical Unit (ALU) dati programma input ALU Versione: 13/03/2007 memoria

6 Tutto cio' deve avvenire in maniera coerente ed ordinata: e' quindi necessaria una unita' di controllo dati programma input ALU Versione: 13/03/2007 memoria controllo

7 Infine i risultati dell' elaborazione debbono essere resi disponibili attraverso una unita' di output dati programma input ALU Versione: 13/03/2007 memoria controllo output

8 Piu' schematicamente... Versione: 13/03/2007

9 Tipi di calcolatori Computer multiutente (multiuser) supercomputer: supercomputer i più potenti, basati su centinaia o migliaia di processori che lavorano in parallelo mainframe e server: server svolgono funzioni centralizzate; ad essi sono collegati altri computer o terminali 9

10 Tipi di calcolatori Computer multiutente (multiuser) minicomputer: minicomputer simili a mainframe ma meno potenti terminali: terminali postazioni senza capacità di elaborazione, devono essere collegati a un server 10

11 Tipi di calcolatori Personal computer workstation computer da desktop e workstation: scrivania notebook computer portatili, di notebook: potenza confrontabile a quella di un desktop; in casa e ufficio possono essere inseriti in una docking station 11

12 Tipi di calcolatori Personal computer palmtop: palmtop computer tascabili, hanno tastiere di ridotte dimensioni PDA (personal digital assistant): assistant) i più piccoli, privi di tastiera, molto semplici, ad esempio organizer 12

13 Architettura dell elaboratore Esamineremo la struttura dell elaboratore, analizzando le funzionalità di ogni suo componente Vedremo come funzionano i dispositivi che costituiscono la macchina a un livello intermedio di dettaglio 13

14 Architettura dell elaboratore 14

15 Architettura dell elaboratore Prese sul retro (porte) 15

16 Architettura dell elaboratore CPU 16

17 Architettura dell elaboratore Memoria RAM 17

18 Fisicamente CPU e RAM sono formate da sottili lamine di silicio (chips) che contengono componenti elettronici (transistor, resistenze, condensatori) miniaturizzati. Ogni unità elementare può trovarsi a due diversi livelli di tensione elettrica (o carica del condensatore) oppure nello stato acceso/spento : ecco il corrispettivo fisico del bit

19 Architettura dell elaboratore Dispositivi di memorizzazione 19

20 Architettura dell elaboratore Bus di sistema 20

21 L hardware Funzioni di base di un elaboratore: elaborare l informazione usando il processore (Central Processing Unit, CPU) memorizzare l informazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria eseguire input/output dell informazione usando i dispositivi di input/output 21

22 Elementi della macchina di von Neumann CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 22

23 La scheda madre (motherboard) 23

24 La scheda madre (motherboard) CPU 24

25 La scheda madre (motherboard) RAM CPU 25

26 L hardware CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 26

27 L hardware elaborare CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 27

28 L hardware elaborare CPU memorizzare memorizzare RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 28

29 L hardware elaborare CPU memorizzare memorizzare RAM interagire dispositivi di input/output memoria secondaria 29

30 Funzionamento ad alto livello CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 30

31 Funzionamento ad alto livello CPU RAM 1) All avvio dell elaboratore, programmi (almeno il S.O.) e dati (se ce ne sono) risiedono in memoria secondaria 1 dispositivi di input/output memoria secondaria 31

32 Funzionamento ad alto livello CPU 2)Iprogrammiperessereeseguiti devono essere RAM programmi 2 e dati portati inmemoriaprincipale. Così anche i dati peressereutilizzati dai programmi 1 dispositivi di input/output memoria secondaria 32

33 Funzionamento ad alto livello CPU 3 RAM programmi 2 e dati 3) La CPU (Central Processing Unit) esegue i programmi eseguendo le istruzioni di cui sono composti 1 dispositivi di input/output memoria secondaria 33

34 Funzionamento ad alto livello CPU 3 RAM programmi 2 e dati 4) Avviene l input/output e la memorizzazione su memoria secondaria 1 dispositivi di input/output 4 4 memoria secondaria 34

35 Analizziamo i vari componenti CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 35

36 Analizziamo i vari componenti CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 36

37 La memoria principale Insieme alla CPU, è una componente fondamentale del calcolatore. Permette di memorizzare sia il programma che i dati. 37

38 La memoria principale E strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoria 38

39 La memoria principale E strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoria

40 La memoria principale E strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoria celle

41 La memoria principale E strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoria Ogni cella memorizza un byte celle

42 La memoria principale E strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoria Ogni cella memorizza un byte celle

43 La memoria principale celle indirizzi E strutturata in una sequenza di celle (o locazioni) di memoria Ogni cella memorizza 1 byte Le celle sono numerate in sequenza: indirizzo Una parola di memoria e' un insieme di 2, 4, od 8 byte sul quale si puo' operare (leggere o scrivere) come su di un blocco unico N

44 La memoria principale Quali operazioni si possono 0 compiere sulla memoria? lettura del contenuto di una 1 cella scrittura in una cella 2 Per leggere e scrivere in una 3 cella è necessario conoscerne l indirizzo Specificando l indirizzo di una cella, la CPU è in grado di leggere e/o modificare il valore del byte N memorizzato in quella cella

45 La memoria principale Es.: una RAM di (216) celle di un byte ciascuna Quanti bit per esprimere un indirizzo compreso tra 0 e 65535? ! 45

46 Dimensioni della memoria Lo Spazio di indirizzamento è l insieme o il numero delle celle indirizzabili direttamente Il numero di celle indirizzabili è una potenza di 2; con: 16 bit si indirizzano 216 = celle 32 bit si indirizzano 232 = celle numero di celle indirizzabili = numero di informazioni rappresentabile con un certo numero di bit 46

47 Dimensioni della memoria L unità di misura della memoria è il byte Si usano dei multipli: Kilobyte (KB) = 1024 byte (210 byte) Megabyte (MB) = 1024 KB (220 byte) Gigabyte (GB) = 1024 MB (230 byte) Quindi: con 16 bit si indirizzano 64 KB di memoria con 32 bit si indirizzano 4 GB di memoria 47

48 Dimensioni della memoria La dimensione tipica della RAM nei Personal Computer è: 256 MB, 512 MB, 1 GB, 2 GB, 4 GB una volta gli elaboratori più potenti avevano 64 KB!!! Ad esempio questi La memoria è espandibile fino a un limite fisico (slot sulla scheda madre per ospitare i chip di memoria) e ha anche un limite massimo dovuto al sistema 48

49 La RAM Random Access Memory (RAM): (RAM) memoria ad accesso casuale Perché si chiama ad accesso casuale? Si può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro indirizzo Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso, indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza Il termine random (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono penalità in termini di tempo se si accede alla memoria in modo casuale anziché sequenziale. 49

50 La RAM veloce La RAM è veloce: il tempo di lettura/scrittura di una cella è compreso in media tra 5 e 30 nanosecondi (miliardesimi di secondo = 10-9 s) volatile La RAM è volatile: formata da componenti elettronici, se viene tolta l alimentazione anche per un breve periodo di tempo (frazioni di secondo) tutto ciò che contiene viene perso (e la macchina deve ripartire) La RAM è relativamente costosa 50

51 La ROM Read-Only Memory, Memory memoria in sola lettura Non può essere modificata (a meno che non sia di un tipo particolare, EPROM) Non è volatile Veloce quasi quanto la RAM Solitamente usata per memorizzare programmi e dati necessari all avvio dell elaboratore programmi di bootstrap (avvio dell elaboratore) configurazione del sistema 51

52 Von Neumann bottleneck La rapidita' con cui sono eseguite le operazioni e' limitata criticamente dal tempo necessario per trasferire le informazioni dalla memoria alla CPU. Si crea cioe' un collo di bottiglia. Soluzione del problema: sfruttare il principio di localita'

53 Principio di localita' Si sfrutta il principio di localita' inserendo fra La CPU e la RAM una memoria (relativamente) piccola

54 Memoria cache: cache stesse proprietà della RAM, ma: più veloce (ma più piccola e costosa) della RAM localizzata tra la CPU e la RAM memorizza i dati di uso più frequente, evitando alla CPU di doverli recuperare tutte le volte dalla RAM influisce pesantemente sulle prestazioni e sul costo della CPU dimensioni tipiche sono 128 KB, 256 KB, 512 KB Analogia: 54

55 A questo punto non dovrebbe essere difficile rispondere...

56 Analizziamo i vari componenti CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 56

57 La CPU Esegue programmi scritti in linguaggio macchina Tutti i programmi, anche Word, Excel, internamente sono codificati in LM I programmi sono sequenze di istruzioni in LM Le istruzioni sono comandi elementari, ad esempio: somma due numeri leggi dalla memoria scrivi in memoria scrivi verso il dispositivo di output confronta due numeri 57

58 CPU: Il set di istruzioni Ogni tipo di processore è in grado di eseguire un numero limitato (centinaia) di istruzioni Le istruzioni si suddividono in aritmetiche, logiche di salto di lettura/scrittura in memoria di input/output Combinando in modo diverso sequenze anche molto lunghe di istruzioni (i programmi) si possono fare svolgere al computer compiti completamente diversi 58

59 CPU: Compatibilità tra processori Processori diversi comprendono ed eseguono istruzioni diverse Famiglie di processori: Intel, Motorola, Sun,... in genere processori della stessa famiglia possono eseguire gli stessi programmi (compatibilità, non sempre) processori di famiglie diverse NON possono eseguire gli stessi programmi (perché le istruzioni che capiscono sono diverse) Emulatore: consente l esecuzione su un processore di programmi scritti per un altro 59

60 La CPU È formata da: Control Unit Arithmetic Logic Unit Registri Registri Control Unit Arithmetic Logic Unit 60

61 La CPU Registri Control Unit Arithmetic Logic Unit 61

62 CPU: La CONTROL UNIT (CU) È la parte più importante del processore Funzioni: esegue le istruzioni dei programmi coordina le attività del processore controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la memoria NON ha il compito di controllare il risultato delle istruzioni! 62

63 Ciclo di fetch-decode-execute La CU svolge la sua attività in modo ciclico Ciclo di fetch-decode-execute (o ciclo della macchina): 1. Fetch (preleva): preleva dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire 2. Decode (decodifica): decodifica l istruzione e preleva gli operandi specificati 3. Execute (esegui): esegue l istruzione utilizzando la componente opportuna, memorizza i risultati e ricomincia 63

64 Ciclo di fetch-decode-execute 64

65 CPU: La CONTROL UNIT (CU) L esecuzione (passo execute) comporta l invio di comandi opportuni all unità relativa: Calcoli Arithmetic Logic Unit Lettura/scrittura dati memoria Acquisizione/stampa dispositivi di I/O 65

66 CPU: La CONTROL UNIT (CU) La frequenza con cui è eseguito il ciclo di fetch-decode-execute è scandita dal clock (orologio interno): ad ogni impulso di clock la CU esegue un ciclo La velocità di elaborazione di una CPU dipende dalla frequenza del suo clock Es.: 2.8 GHz, cioè 2 miliardi e 800 milioni di cicli al secondo 66

67 La CPU Registri Control Unit Arithmetic Logic Unit 67

68 CPU: La ARITHMETIC LOGIC UNIT (ALU) Esegue le operazioni di tipo aritmetico (somme,...) e logico (confronti,...) Preleva gli operandi dai registri e deposita il risultato delle operazioni in uno (o più) registri Può essere affiancata da un coprocessore matematico 68

69 La CPU Registri Control Unit Arithmetic Logic Unit 69

70 CPU: I REGISTRI Piccole celle di memoria (da 16, 32 o 64 bit) con tempi di accesso molto più bassi rispetto alla memoria primaria Mantengono le informazioni necessarie per eseguire l istruzione corrente Sono in numero molto limitato (10, 20, 64 o 128), visto che sono all interno della CPU Si dividono in registri: generali speciali (PC, IR) 70

71 CPU: I Registri generali Sono in numero ridotto: 8, 16, 32, 64, in funzione dell architettura Sono usati come celle di memoria temporanea; temporanea contengono gli operandi e i risultati delle istruzioni del programma In alcune architetture, alcuni registri hanno funzioni privilegiate; ad es. l accumulatore in genere contiene il risultato delle operazioni 71

72 CPU: Il Program Counter (PC) È un registro speciale Contiene l indirizzo in memoria principale della prossima istruzione da eseguire Quando un programma viene avviato, l indirizzo della prima istruzione viene caricato nel Program Counter All esecuzione di un istruzione, il PC viene modificato per contenere l indirizzo della prossima istruzione da eseguire (non necessariamente quella immediatamente successiva) successiva 72

73 CPU: L Instruction Register (IR) È un registro speciale Contiene l istruzione attualmente in esecuzione La CU legge l istruzione contenuta in IR e la esegue 73

74 Altri registri... Program Status Register (o program status word): contiene informazioni sullo stato del programma (ad es. se l'ultimo risultato e' negativo o zero oppure se si e' verificato un overflow)

75 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute Vediamo come le componenti della CPU interagiscono nell esecuzione di un programma composto da due istruzioni di esempio: ADD 3,4, che somma i numeri 3 e 4 JUMP 1, che salta all indirizzo 1 OUT 3,77, che effettua l output del valore 77 verso il dispositivo 3 (per es., una stampante) 75

76 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU IR Control Unit RAM ADD 3, 4 PC 5 Accumulatore Arithmetic Logic Unit Ogni istruzione viene eseguita in un ciclo di fetch-decodeexecute 76

77 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute Ciclo 1 CPU IR Control Unit RAM ADD 3, 4 PC 5 Accumulatore Arithmetic Logic Unit 1. Il registro PC contiene l indirizzo 5, quindi viene letta da RAM l istruzione all indirizzo 5 77

78 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU IR Control Unit ADD 3,4 fetch RAM ADD 3, 4 PC 5 Accumulatore Arithmetic Logic Unit 2. e memorizzata nel registro IR 78

79 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU IR Control Unit fetch ADD 3, RAM ADD 3, 4 PC 6 accumulatore Arithmetic Logic Unit 3. La Control Unit incrementa l indirizzo contenuto nel registro PC, in modo da eseguire, in seguito, l istruzione successiva 79

80 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU decode Control Unit IR ADD 3,4 fetch RAM ADD 3, 4 PC 6 Accumulatore Arithmetic Logic Unit 4. La Control Unit decodifica l istruzione ADD 3,4 80

81 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU decode Control Unit IR ADD 3,4 fetch RAM ADD 3, 4 PC 6 Accumulatore Arithmetic Logic Unit execute 5. e, dato che si tratta di un operazione aritmetica, dà comando alla Arithmetic Logic Unit di eseguire l istruzione ADD 3,4 81

82 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU decode Control Unit IR fetch ADD 3, RAM ADD 3, 4 PC 6 Accumulatore Arithmetic Logic Unit 7 execute 6. La Arithmetic Logic Unit memorizza il risultato nel registro generico Accumulatore 82

83 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute Ciclo 2 CPU IR Control Unit ADD 3,4 PC RAM ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit 7 7. Il registro PC contiene l indirizzo 6, quindi viene letta da RAM l istruzione all indirizzo 6 83

84 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU IR Control Unit JUMP 1 PC 6 fetch RAM ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit 7 8. e memorizzata nel registro IR 84

85 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU IR Control Unit fetch JUMP 1 PC RAM ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit 7 9. La Control Unit incrementa l indirizzo contenuto nel registro PC, in modo da eseguire, in seguito, l istruzione successiva 85

86 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU decode Control Unit IR fetch JUMP 1 PC RAM ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit La Control Unit decodifica l istruzione JUMP 1 86

87 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU decode Control Unit execute IR JUMP 1 PC RAM ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit e, dato che si tratta di un istruzione di salto, la esegue memorizzando nel registro PC l indirizzo della prossima istruzione da eseguire 87

88 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute Ciclo 3 CPU IR Control Unit JUMP 1 PC RAM OUT 3,77 ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit Il registro PC contiene l indirizzo 1, quindi viene letta da RAM l istruzione all indirizzo 1 88

89 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU fetch IR Control Unit OUT 3,77 PC RAM OUT 3,77 ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit e memorizzata nel registro IR 89

90 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU fetch IR Control Unit OUT 3,77 PC RAM OUT 3,77 ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit La Control Unit incrementa l indirizzo contenuto nel registro PC, apprestando la CPU all esecuzione dell istruzione seguente 90

91 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU decode Control Unit fetch IR OUT 3,77 PC RAM OUT 3,77 ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit La Control Unit decodifica l istruzione OUT 3,77 91

92 CPU: Esempio di ciclo fetch-decode-execute CPU decode Control Unit execute fetch IR OUT 3,77 PC RAM OUT 3,77 ADD 3, 4 JUMP 1 Accumulatore Arithmetic Logic Unit e, dato che si tratta di un istruzione di output, la esegue dando comando all unità di output 92

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98 E per finire...

99 Analizziamo i vari componenti CPU dispositivi di input/output RAM memoria secondaria 99

100 La Memoria Secondaria Limitazioni della RAM: poco capiente, costosa, volatile è necessario usare la memoria secondaria Caratteristiche della memoria secondaria: capiente (relativamente) poco costosa non volatile lenta! 100

101 La Memoria Secondaria La CPU può eseguire (ed elaborare) esclusivamente programmi (e dati) che risiedono in memoria principale I programmi e i dati risiedono in memoria secondaria Perciò devono essere copiati in memoria principale Quando si esegue un programma, il sistema operativo lo copia da memoria secondaria (es. hard disk) in RAM; l operazione si chiama loading o caricamento 101

102 La Memoria Secondaria È composta da: supporti di memorizzazione componente fisico in cui vengono immagazzinati i dati Es.: cd dispositivi di memorizzazione leggono/scrivono dati dal/sul supporto di memorizzazione Es.: lettore cd 102

103 La Memoria Secondaria Tecnologie diverse: magnetica ottica magneto-ottica flash (o allo stato solido) 103

104 La Memoria Magnetica Sfrutta il fenomeno fisico della polarità Sul supporto sono presenti particelle che si comportano come dipoli magnetici La testina di lettura/scrittura cambia/rileva la polarità delle particelle Prese due dipoli adiacenti: stessa polarità 0 diversa polarità 1 Usata per floppy disk, hard disk e nastri 104

105 Ad esempio... s n s n n 0 s 1

106 Oppure...

107 La Memoria ottica Tecnologia usata nei Compact Disk e nei DVD 107

108 La Memoria ottica Sfrutta la riflessione della luce di un laser 108

109 La Memoria ottica Sfrutta la riflessione della luce di un laser Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pit) pit 109

110 La Memoria ottica Sfrutta la riflessione della luce di un laser Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pit) pit che formano zone chiare (luce riflessa) e zone scure (luce non riflessa) 110

111 La Memoria ottica Sfrutta la riflessione della luce di un laser Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pit) pit che formano zone chiare (luce riflessa) e zone scure (luce non riflessa) 111

112 La Memoria ottica Sfrutta la riflessione della luce di un laser Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pit) pit che formano zone chiare (luce riflessa) e zone scure (luce non riflessa) chiaro/scuro o scuro/chiaro 1 chiaro/chiaro o scuro/scuro 0 112

113 La Memoria ottica Sfrutta la riflessione della luce di un laser Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pit) pit che formano zone chiare (luce riflessa) e zone scure (luce non riflessa) chiaro/scuro o scuro/chiaro 1 chiaro/chiaro o scuro/scuro

114 La Memoria magneto-ottica Sfrutta la polarità magnetica di particelle per scrivere un laser riscalda la superficie fino a una temperatura adatta per modificare la polarità per leggere usa una testina magnetica Usata per dischi rimovibili Dischi molto capienti, cancellabili e riscrivibili, duraturi e sicuri 114

115 Memoria flash o allo stato solido Costituita da chip simili a quelli della RAM ma in grado di registrare in modo permanente Tempo di accesso ridotto Leggera e facilmente trasportabile Usata per dispositivi di piccole dimensioni PDA macchine fotografiche digitali penne USB cellulari 115

116 Caratteristiche della memoria secondaria 116

117 Accesso diretto o sequenziale Due modalità possibili di lettura o scrittura accesso diretto o random: random si accede a qualunque punto del supporto direttamente accesso sequenziale: sequenziale si accede ad un punto solo dopo aver letto/scritto fino a quel punto Es.: CD audio vs. musicassette 117

118 Velocità Quanto tempo occorre per leggere informazioni da un supporto? Dipende da: tempo di accesso: accesso tempo impiegato per iniziare a leggere i dati velocità di trasferimento: trasferimento velocità con cui i dati vengono effettivamente trasferiti in RAM In un disco, entrambi dipendono dalla velocità di rotazione (numero di rotazioni per minuto; ad es rpm) 118

119 Velocità Il tempo di accesso e la velocità di trasferimento dipendono dal dispositivo: 119

120 Capacità di memorizzazione Capacità di memorizzazione: quantità di dati memorizzarizzabile sul supporto Dipende da: dimensione (lunghezza e/o superficie) del supporto densità di memorizzazione 120

121 Memorie di un elaboratore 16 B-64 B 128 MB-2 GB Mem. centrale > 10 GB Dischi magnetici e/o ottici Nastri magnetici nanosecondi Tempo di accesso Mem. cache Capacità 128 KB-512 KB 660 MB-100 GB 100 picosecondi Registri 10*nanosecondi 10*microsecondi / millisecondi 10*millisecondi / secondi (picosecondi=10-12 s; nanosecondi=10-9 s; microsecondi=10-6 s) 121

122 Supporti di memorizzazione 122

123 L Hard disk Tecnologia magnetica La memoria secondaria più diffusa Dimensioni piccole, elevate capacità 123

124 Formattazione Formattazione dei supporti preparazione della superficie del supporto per la memorizzazione delle informazioni In particolare nella formattazione del disco rigido (Hard Disk) esso viene diviso in settori cui e' assegnata una codifica binaria, per permettere di recuperare rapidamente l'informazione.

125 Attenzione: Formattare l' hard disk significa smagnetizzarlo e rimagnetizzarlo quindi ogni informazione presente e' persa irrevocabilmente. In genere oggi il disco rigido viene venduto gia' formattato e con programmi applicativi gia' immagazzinati in memoria. Attenzione prima di formattarlo!

126 La formattazione suddivide il disco rigido in 1. Settori 2. Tracce circolari 3. Spazi vuoti tra le tracce (gaps)

127 L Hard disk Tecnologia magnetica La memoria secondaria più diffusa Dimensioni piccole, elevate capacità Struttura: pila di dischi in rotazione testine mobili perno centrale 127

128 I bit sull Hard disk Vista dall alto 128

129 I bit sull Hard disk 129

130 I bit sull Hard disk Traccia 130

131 I bit sull Hard disk Traccia 131

132 I bit sull Hard disk Settore Traccia 132

133 I bit sull Hard disk Blocco Settore Traccia 133

134 I bit sull Hard disk Blocco Settore Traccia 134

135 I bit sull Hard disk Blocco Testina L/S Settore Traccia 135

136 I bit sull Hard disk Blocco Testina L/S Settore Traccia Rotazione del disco 136

137 I bit sull Hard disk Blocco Testina L/S Spostamento testina Settore Traccia Rotazione del disco 137

138 I cluster Blocco I blocchi (o cluster) sono l unità minima di memorizzazione: hanno tutti la stessa capacità (in un dato disco) ogni file occupa come minimo un blocco (più di uno se supera la capacità) un blocco non può essere occupato da più di un file Per es.: cluster da 4 KB: quanto spazio occupa un file da 1 KB? 4 KB (cioè un cluster)! E un file da 5 KB? 8 KB (cioè due cluster) 138

139 Tempo di accesso in un hard disk tempo di accesso 139

140 Tempo di accesso in un hard disk tempo di accesso 140

141 Tempo di accesso in un hard disk tempo di accesso seek time (tempo di posizionamento): posizionamento tempo impiegato per localizzare la traccia su cui sono memorizzati i dati 141

142 Tempo di accesso in un hard disk tempo di accesso seek time (tempo di posizionamento): posizionamento tempo impiegato per localizzare la traccia su cui sono memorizzati i dati 142

143 Tempo di accesso in un hard disk tempo di accesso seek time (tempo di posizionamento): posizionamento tempo impiegato per localizzare la traccia su cui sono memorizzati i dati latenza: latenza tempo impiegato perché i dati arrivino e scorrano sotto la testina di lettura 143

144 Tempo di accesso in un hard disk tempo di accesso = seek time + latenza seek time (tempo di posizionamento): posizionamento tempo impiegato per localizzare la traccia su cui sono memorizzati i dati latenza: latenza tempo impiegato perché i dati arrivino e scorrano sotto la testina di lettura 144

145 Quindi se ci viene chiesto: Quale figura rappresenta correttamente i concetti di traccia, settore e blocco?

146 Quindi se ci viene chiesto: Quale figura rappresenta correttamente i concetti di traccia, settore e blocco? Sappiamo rispondere Correct answer: c

147 E naturalmente sappiamo rispondere anche a queste domande...

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151 I Floppy disk Tecnologia magnetica Bassa capacità (1.44 MB) Trasportabile Deteriorabile Sostituibili da dischetti ad alta capacità (anche magneto-ottici) o penne USB 151

152 Formattazione Originariamente occorreva formattare Il floppy disk: oggi, in genere, vengono venduti gia' formattati

153 Nel corso degli anni sono stati prodotti diversi tipi di floppy disk Oggi sono sostituiti da dischetti ad alta capacità (anche magneto-ottici) o da penne USB

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155 I Dischi ottici Lettura/scrittura laser Buona capacità di memorizzazione Economici Evitano la trasmissione di virus (se già non li contengono) Affidabili e duraturi Buona velocità di trasferimento 155

156 I Dischi ottici Diverse categorie: CD-ROM: simili ai CD musicali solo leggibili capacità fino a 660 Mbyte CD-R: CD scrivibili una volta (R = Recordable) CD-RW: CD scrivibili più volte (~ 1000 volte) (RW = ReWritable) DVD: come i CD-ROM ma più capienti capacità 4.7 GB (può arrivare fino a 17 GB) DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW (e DVD+R, DVD+RW) Durata dei supporti: ROM: anni, R: anni, RW: anni vero problema: obsolescenza tecnologica 156

157 Nastri magnetici Grande capacita' di memoria Molto lenti

158 I nastri magnetici venivano usati dai centri di calcolo per salvare periodicamente i dati (ad es. contenuti negli hard disk) e conservarli al sicuro. Ad esempio i centri di calcolo delle banche ogni giorno salvavano su nastri magnetici i dati di tutte le transazioni eseguite. Oggi vengono usate altre tecnologie, ad esempio memorie Eprom.

159 Aumento della memoria Espansioni della memoria principale Juke-box ospita molti CD seleziona automaticamente il CD necessario Libreria di nastri insieme di nastri selezionabili da un robot 159

160 Alcune importanti operazioni 1) Compressione 2) Back up dei dati (importante)

161 Compressione Compressione operata da: Sistema: trasparente per l utente si comprimono file specifici o anche l intero disco [NB: il libro non è preciso] Programmi di utilità: l utente crea archivi si comprimono file specifici o gruppi di file formati compressi (senza perdita di informazioni): zip, rar, gz inutile comprimere formati già compressi (jpg, gif, mp3, divx) Ottimizza l uso dello spazio trasferimento in rete più veloce reperimento più lento 161

162 Backup dei dati Backup: Backup Copia di tutti o di parte dei dati su altri supporti Operazione costosa in termini di tempo e di spazio, ma necessaria Conservazione in luoghi fisicamente distanti 162

163 Perche' e' importante il backup dei dati? I dati possono essere persi! Per: Cattiva installazione o uso di un programma Cattivo funzionamento dell' hard disk Mancanza di corrente Catastrofi naturali Furto

164 Analizziamo i vari componenti CPU RAM dispositivi di input/output memoria secondaria 164

165 Slot di espansione Slot di espansione: espansione connettore presente su una scheda (come la scheda madre) nel quale possono essere inserite nuove schede Le capacità di un computer possono essere estese inserendo apposite schede negli slot di espansione schede grafiche schede audio modem/fax schede di acquisizione video 165

166 Comunicazione con dispositivi di I/O I dispositivi di I/O sono le periferiche dell elaboratore Sono collegate all elaboratore attraverso le porte, porte cioè delle prese Vari tipi di porte, porte che differiscono per l aspetto fisico, per le caratteristiche elettriche/ottiche, velocità, e più in generale per il protocollo (ad es. il formato dei dati scambiati sulla porta) 166

167 Tipi di porte In un PC troviamo questi tipi di porte: 2 o più porte USB (per varie periferiche, fino a 127 in serie) 1 porta parallela (per la stampante) 0 o più porte firewire (IEEE 1394, per varie periferiche, fino a 63, dotate di larga banda passante, cioè in grado di trasmettere molti bit al secondo) 0 o più porte SCSI (/'skʌzi/, per dischi esterni, scanner, fino a 16 periferiche) 167

168 Tipi di porte SCSI: Small Computer System Interface USB: Universal Serial Bus 168

169 Dispositivi di Input/Output Servono a comunicare e interagire con l elaboratore; non necessariamente con un essere umano 169

170 Dispositivi di input Tastiera Dispositivi di puntamento (mouse,...) Microfono (in generale Line In) Scanner Fax 170

171 La tastiera

172 La versione standard ha 101 tasti; diverse per nazionalità, infatti...

173 Tastiere ergonomiche

174 Tastiere virtuali Il touch screen: basta premere lo schermo o toccarlo con una penna ottica

175 Dispositivi di input di immagini Scanner A piano fisso A tamburo Manuale Macchine fotografiche Telecamere digitali Frame grabber per acquisizione da telecamere analogiche 175

176 Dispositivi di input di puntamento Mouse Trackball Touch pad Tavoletta grafica Joystick Mouse senza filo 176

177 Dispositivi di output Stampanti Videoterminali Videoproiettori Casse acustiche Plotter 177

178 Elementi di output Pixel: Pixel picture element Dot: Dot elemento di immagine su una pagina stampata Bit mapping: mapping ogni pixel ha un indirizzo la CPU può modificare ogni pixel 178

179 Elementi di output Risoluzione (stampa): (stampa) indica la qualità di una immagine si misura in punti per pollice (dpi, dots per inch) più è elevata, migliore è l immagine Dot pitch dei monitor: distanza tra i fosfori o le celle LCD (RGB) sullo schermo 179

180 Elementi di output Font: Font tipo di carattere forma (Courier, Times,...) stile (Normale, Grassetto,...) dimensione (12, 13, 24,...) 180

181 Le stampanti Font bitmap: bitmap caratteri rappresentati come matrice di punti Font scalabili: scalabili caratteri rappresentati come serie di formule 181

182 Le stampanti Laser: Laser qualità di stampa fotografica risoluzione fino a 1200 dpi a colori hanno costi ancora elevati 182

183 Le stampanti A matrice di punti: punti le più vecchie testina ad aghi bassa risoluzione stampa su moduli continui Plotter: Plotter per stampare disegni tecnici pennini colorati alta risoluzione e precisione 183

184 Le stampanti Macchine digitali da stampa: stampa stampano su qualsiasi materiale Stampanti fotografiche: fotografiche stampano foto digitali Inkjet: Inkjet le stampanti a colori più diffuse le testine gettano gocce di inchiostro colorato sulla carta 184

185 Come avviene la stampa La stampa di un documento o immagine è un operazione complessa, dipende dalla stampante; parte di tale complessità è gestita dal driver della stampante N.B.: NON solo nelle stampanti laser 185

186 Per finire questa parte...

187 In conclusione

188 Il BUS Bus: Bus linea di comunicazione per la trasmissione di informazioni tra i vari componenti del sistema Fisicamente, è un insieme di collegamenti in rame Tutti i componenti del sistema sono collegati al bus La dimensione del bus indica quanti dati possono viaggiare contemporaneamente: tipicamente 32 o 64 bit. 188

189 Il BUS di sistema l bus di sistema è un gruppo di collegamenti che uniscono la CPU agli altri dispositivi del computer. Comprende: Linee per trasmettere indirizzi Linee per trasmettere dati Linee per i segnali di controllo

190 Architettura dell elaboratore Bus di sistema 190

191 Il BUS locale L uso del bus standard rallenterebbe le operazioni di scambio dei dati tra memoria, CPU (che sono molto frequenti) e scheda video. Esiste quindi un bus dedicato che mette in connessione diretta RAM, CPU e scheda video

192 Il BUS locale Il bus locale è un evoluzione del bus di sistema, per il collegamento veloce tra CPU, memoria e periferiche veloci (es. riprese video, schede video che mandano il segnale al monitor) Metodo molto flessibile: facile aggiungere componenti 192

193 E per finire...

194 E per finire Consideriamo CPU R Load 3568 R1 Add R1 R2 Store R Jump R2 30 ALU Al termine delle istruzioni che valore e' contenuto in 3568?

195 Supponiamo che R2 contenga il valore 30 e che R1 sia un accumulatore CPU R Load 3568 R Add R1 R Store R Jump R2 30 ALU Al termine delle istruzioni che valore e' contenuto in 3568?

196 La prima istruzione memorizza in R1 il valore contenuto in CPU R1 25 R2 30 ALU 3568 Load 3568 R1 Add R1 R2 Store R Jump

197 La seconda istruzione somma i valori contenuti in R1 e R2 memorizza il risultato in R CPU R1 55 R2 30 ALU 3568 Load 3568 R1 Add R1 R2 Store R Jump

198 La terza istruzione memorizza il contenuto di R1 in CPU R1 55 R2 30 ALU 3568 Load 3568 R1 Add R1 R2 Store R Jump

199 La quarta istruzione fa saltare il programma alla memoria 1000 e il processo si ripete CPU R Load 3568 R1 Add R1 R2 Store R Jump R2 30 ALU Il valore in 3568 ora e' 55; e la prossima volta?

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