TEORIA DEI SISTEMI OPERATIVI. Architettura del calcolatore

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1 TEORIA DEI SISTEMI OPERATIVI Architettura del calcolatore 1

2 ARCHITETTURA DEL CALCOLATORE L architettura dell hardware di un calcolatore reale è molto complessa La macchina di Von Neumannè un modello semplificato dei calcolatori moderni Von Neumannprogettò, verso il 1945, il primo calcolatore con programmi memorizzabili anziché codificati mediante cavi e interruttori 2

3 MACCHINA DI VON NEUMANN Con il termine Macchina di von Neumann si intende la particolare architettura di calcolatori elettronici ideata dal matematico americano John von Neumann; essa è costituita da quattro elementi fondamentali: Unità di elaborazione ( CPU, CentralProcessing Unit): Insieme di dispositivi elettronici capaci leggere, interpretareed eseguirele istruzioni contenute nei programmi. Memoria centrale(mm, MainMemory): memorizzae fornisce l accesso a dati e programmi (informazioni ed istruzioni). BUS di sistema: canale di comunicazione, svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti Interfacce delle periferiche: componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore 3

4 MACCHINA DI VON NEUMANN 4

5 MACCHINA DI VON NEUMANN - CARATTERISTICHE Le periferiche vere e proprie come stampanti, monitor, tastieraecc sono considerati elementi esterni al calcolatore, in particolare nell architettura di von Neumann, le memorie di massa(hard Disk, CD-Rom ecc) sono considerate come periferiche. Anche se questa è una semplificazionedei calcolatori moderni, che possono contenere altre componenti, il concetto di base è molto vicino alla realtà e dà una ottima rappresentazione delle funzionalità dei calcolatori. 5

6 MACCHINA DI VON NEUMANN FUNZIONAMENTO Il funzionamento di un calcolatore è descrivibile in termini di poche componenti (macro-unità) funzionali ogni macro-unità è specializzata nello svolgimento di una tipologia omogenea di funzionalità Eccezione: l unità centrale di elaborazione, che svolge sia funzionalità di elaborazione che di controllo 6

7 MACCHINA DI VON NEUMANN FUNZIONAMENTO 7

8 MEMORIZZAZIONE Un calcolatore memorizza : i dati, che rappresentano informazioni di interesse i programmi per l elaborazione dei dati La memoria è l unità responsabile della memorizzazione dei dati Una unità di memoria fornisce due sole operazioni: memorizzazione di un valore (scrittura) accesso al valore memorizzato (lettura) 8

9 ELABORAZIONE Le istruzioni di un programma corrispondono ad operazioni elementari di elaborazione operazioni aritmetiche operazioni relazionali (confronto tra dati) operazioni su caratteri e valori di verità altre operazioni numeriche Un calcolatore sa svolgere poche tipologie di operazioni elementari ma in modo molto efficiente un calcolatore può eseguire decine o centinaia di milioni di istruzioni al secondo L elaborazione dei dati viene svolta dall unità aritmetico-logica, che è un componente dell unità centrale di elaborazione 9

10 TRASFERIMENTO Obiettivo: permettere lo scambio di informazioni tra le varie componenti funzionali del calcolatore trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo Due possibili soluzioni collegare ciascun componente con ogni altro componente collegare tutti i componenti a un unico canale (bus) L utilizzo di un bus favorisce la modularitàe l espandibilitàdel calcolatore 10

11 CONTROLLO Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall unità di controllo è un componente dell unità centrale di elaborazione ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall unità di controllo il controllo consiste nel coordinamentodell esecuzione temporale delle operazioni sia internamente all unità di elaborazione sia negli altri elementi funzionali 11

12 MACCHINA DI VON NEUMANN (in sintesi) La CPU(CentralProcessing Unit) interpretaed eseguele istruzioni, elabora i dati e coordina il lavoro delle periferiche. Il processore in definitiva è il motore di un computer, oltre ad essere il suo cervello. Si compone al suo interno di tre compartimenti: una ALU(unità aritmetico-logica) che esegue tutte le operazioni di calcolo; una Unità di Controllo, che smista i dati da e per la memoria centrale e i Registri, che servono a compensare la differenza di velocità di elaborazione tra CPU e Memoria Centrale:si tratta di celle di memoria interna dove i dati vengono temporaneamente archiviati. 12

13 CPU : SCHEMA Ad ogni ciclo (clock) l unità di controllo: 1. prendeuna istruzione dalla RAM, (principale elemento della Memoria Centrale) 2. la copia nei registri, la interpreta e 3. fa eseguire alla ALU tutti i calcoli previsti, 4. poi il risultato viene memorizzato di nuovo nei registri e la risposta torna alla Memoria Centrale. 13

14 MEMORIE CACHE La CPUpuò comunicare con la Memoria Centrale grazie ai Bus, detti anche collegamenti di controllo, e per agevolare un maggiore coordinamento tra le differenti velocità dei componenti si possono trovare anche memorie cachedi due tipi: L1(interne alla CPU) ed L2(esterne alla CPU). Il processore non è tuttavia dotato di autocoscienza, serve che qualcosa lo svegli e gli dia le istruzioni iniziali all avvio del computer. 14

15 ROM La ROM(ReadOnlyMemory) i cui dati non possono essere modificati, salvo alcuni particolari modelli, contiene il software denominato BIOS, che rappresenta le istruzioni necessarie all avvio del sistema. (se la CPU è il motore del computer, il BIOSè la chiave di accensione). La CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor) è alimentato da una batteria. Si tratta di un chip, come la ROM, che contiene costantemente aggiornate, delle informazioni basilari quali l ora e la data corrente. 15