La rivoluzione informatica. Introduzione. Classi di computer. Classi di computer (2) Architetture dei Calcolatori (lettere A-I)

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1 La rivoluzione informatica Introduzione Architetture dei Calcolatori (lettere A-I) Dopo la rivoluzione agricola e quella industriale Nascita della Società della Informazione Innovazione e progresso senza precedenti Se l industria dei trasporti avesse avuto la stessa rapida evoluzione della tecnologia informatica Oggi sarebbe possibile volare in 5 secondi da Roma a Stoccolma con 50 centesimi! Oggi, con meno di 1000 si acquista un PC che ha migliori prestazioni, maggiore quantità di memoria e maggiori dimensioni del disco di un computer acquistato nel 1980 per ! Non è tutto rose e fiori Sviluppo disordinato per la veloce obsolescenza Necessario un processo di aggiornamento continuo Hardware, software ed anche livello di conoscenza delle persone Valeria Cardellini 1 Classi di computer Tre principali classi di computer (e relativi settori di mercato), caratterizzate da diverse applicazioni, requisiti e tecnologie Desktop computer Più nota, tende ad ottimizzare il rapporto prezzo/prestazioni per un singolo utente Server Fornitura di servizi a larga scala, efficienti, affidabili, disponibili e scalabili (accelerazione dovuta alla rapida diffusione dei servizi basati sul Web); caratterizzata dal più ampio range di capacità computazionale e costo Embedded computer Più diffusa, maggiore tasso di crescita nel mercato; presenta il più ampio range di applicazioni e prestazioni (ad es. sofisticati router di rete, telefoni cellulari); spesso caratterizzata da requisiti real-time (massimo tempo di esecuzione consentito) e di consumo elettrico Valeria Cardellini 2 Classi di computer (2) Diverso tasso di crescita delle tre classi negli ultimi anni Embedded computer: 40% per anno Desktop computer e server: 9% anno Valeria Cardellini 3

2 Dietro un programma Esperienza da programmatori Concentrata Sul linguaggio di programmazione (C, C++, Java, ) Sul problema da risolvere Su come risolvere il problema (algoritmo) Su come progettare il proprio sistema software Il programmatore basa il proprio lavoro su vari strati di sistemi software, organizzati in modo gerarchico Il sistema operativo Il compilatore Per poter scrivere un programma efficiente occorre conoscere l architettura dei calcolatori Un sistema elettronico: il computer Comunicare con un computer Tramite segnali elettrici Uso di un alfabeto binario Sistema in base 2: cifre 0 e 1 (bit = Binary digit) Comandi al computer Istruzioni Rappresentate da numeri Esempio: la sequenza di bit Rappresenta l istruzione binaria somma due numeri Valeria Cardellini 4 Valeria Cardellini 5 Dalle istruzioni in binario all assembler Programmazione in linguaggio macchina binario Per semplificare e velocizzare: si usa un programma assemblatore che Prende in ingresso un programma scritto in assembler Linguaggio composto da istruzioni simboliche che corrispondono a istruzioni binarie Genera il corrispondente programma in linguaggio macchina Ad esempio L assemblatore prende un istruzione del tipo: add A, B La traduce in Valeria Cardellini 6 Un programma in assembler Un esempio di traduzione Da un programma in assembler MIPS ad un programma in linguaggio macchina binario swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 assemblatore Valeria Cardellini

3 Da un linguaggio di programmazione ad alto livello all assembler Una semplificazione ulteriore Un programma compilatore traduce da un linguaggio di programmazione ad alto livello in linguaggio assembler Un linguaggio di programmazione ad alto livello Offre astrazioni notevoli Variabili, tipizzazione dei dati Procedure, funzioni Programmazione ad oggetti Gestione di eccezioni Aumenta la produttività del programmatore Permette al programma di essere indipendente dal computer sul quale viene sviluppato Valeria Cardellini 8 Il processo di traduzione completo swap(int v[], int k) { int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } Programma in linguaggio ad alto livello compilatore Programma in linguaggio assembler (MIPS) swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 assemblatore Programma in linguaggio macchina binario (MIPS) Valeria Cardellini Il meccanismo di astrazione L astrazione permette di progettare a livelli Ogni livello conosce solamente quello che lo strato immediatamente sottostante mette a disposizione ed offre dei servizi al livello immediatamente superiore E un principio di progettazione universale in informatica Progettazione software Livelli di rete TCP/IP, gerarchia ISO/OSI Progettazione hardware Progettazione per moduli e sottosistemi Nella programmazione, il linguaggio ad alto livello astrae e semplifica le complicazioni del linguaggio assembler; a sua volta, il linguaggio assembler svolge la stessa funzione verso il linguaggio macchina Valeria Cardellini 10 Architettura del set di istruzioni, organizzazione e hardware L architettura del set di istruzioni di un calcolatore Descrive le caratteristiche del sistema che hanno un influenza diretta sull esecuzione di un programma Si tratta della parte visibile al programmatore (anche ai compilatori) Organizzazione del calcolatore Si riferisce alle unità operazionali ed alla loro interconnessione ad alto livello E la parte del sistema che realizza le specifiche dell architettura del set di istruzioni Hardware del calcolatore Si riferisce alle specifiche del calcolatore, inclusi i dettagli sul livello logico-digitale e la tecnologia di packaging Valeria Cardellini 11

4 L architettura del set di istruzioni L architettura del set di istruzioni di un calcolatore si riferisce a Insieme delle istruzioni Numero di bit che rappresentano tipi di dati Tecniche di indirizzamento della memoria,... the attributes of a [computing] system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the data flows and controls of the logic design, and the physical implementation. Amdahl, Blaaw, and Brooks (1964) Organizzazione di un calcolatore L organizzazione di un calcolatore si riferisce a Capacità e caratteristiche prestazionali delle principali unità funzionali che compongono il sistema (ad esempio registri, ALU,...) Segnali di controllo scambiati tra le diverse unità funzionali che compongono il sistema Modo in cui le unità funzionali sono interconnesse Organizzazione del sottosistema di memorizzazione L insieme delle istruzioni rappresenta un interfaccia critica tra l hardware ed il software di basso livello software hardware instruction set Il termine architettura di un calcolatore copre tutti e tre gli aspetti (architettura del set di istruzioni, organizzazione e hardware) Valeria Cardellini 12 Valeria Cardellini 13 Architettura di riferimento dei calcolatori Architettura di Von Neumann (1946) Un calcolatore deve essere in grado di svolgere i seguenti compiti Memorizzare i dati sui quali operare Memorizzare sequenze di istruzioni Eseguire le istruzioni sui dati Controllare il flusso di esecuzione Comunicare con gli utenti e con altri dispositivi Sottosistema di elaborazione Sottosistema di memorizzazione Sottosistema di interconnessione Sottosistema di interfaccia Valeria Cardellini 14 Componenti principali di un calcolatore Processore Unità di controllo Unità di elaborazione dati Memoria Dispositivi di input Dispositivi di output Tastiera Mouse Disco Monitor Stampante Processore o unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit CPU) Memoria principale (Main Memory MM) Dispositivi di Input/Output (I/O) e loro interfacce Valeria Cardellini 15

5 e loro interconnessione Processore Unità di controllo Unità di elaborazione dati Memoria Dispositivi di I/O Interfaccia di I/O Dispositivi di I/O Interfaccia di I/O dati Bus indirizzi controllo Bus di sistema: collega i componenti principali di un calcolatore (linee dati, indirizzo, controllo) Valeria Cardellini 16 All esterno della scatola il mouse Sistema di puntamento Inventato negli anni 1960 (da Doug Engelbart) Mouse elettromeccanico che usa una sfera La rotazione della sfera fa scorrere due rotelle lungo gli assi x e y La composizione degli spostamenti delle rotelle determina lo spostamento effettivo 3 byte inviati ogni volta che il mouse fa un certo spostamento minimo: 1 - Spostamento sull asse x 2 - Spostamento sull asse y 3 - Posizione dei bottoni Per i mouse più recenti usata la tecnologia ottica Il mouse è in realtà un processore ottico in miniatura Valeria Cardellini 17 All esterno della scatola il monitor Monitor CRT Usa la stessa tecnologia del televisore ma con prestazioni migliori Tubo a raggi catodici (Cathode Ray Tube CRT) L immagine viene scandita da un raggio su uno schermo rivestito di fosfori Refresh rate: frequenza con cui i quadri sono riprodotti (es. 85 Hz) L immagine è composta da una matrice di pixel Risoluzione dello schermo: numero di pixel (es. 1024x768) Colori: 24 bit per pixel per le componenti rosso (R), verde (G), blu (B) All esterno della scatola il monitor (2) Monitor LCD Basato sulla conduzione di luce polarizzata da parte dei cristalli liquidi (Liquid Crystal Display - LCD) Il pixel LCD non è la sorgente della luce, bensì controlla la trasmissione della luce Conduzione influenzata da campi elettrici Campi generati da elettrodi trasparenti Display a matrice attiva Elementi luminosi (pixel) controllati da una matrice di selezione Migliori ma costosi Valeria Cardellini 18 Valeria Cardellini 19

6 Dentro la scatola la scheda madre La base della struttura è costituita dalla scheda madre (motherboard) Contiene circuiti integrati o chip Il processore, la memoria, la cache, i connettori per i dispositivi di I/O Serve ad assicurare La connessione tra le varie componenti Il processore, la memoria, la cache, i dispositivi di I/O L alimentazione a tutte le componenti Controllo dello stato della macchina Il bus è costituito da una serie di piste sul circuito stampato In genere implementa anche alcune funzionalità Controller hard disk Scheda audio/video integrata Valeria Cardellini 20 Dentro la scatola la scheda madre (2) Processore Pentium 4 Processore Interfaccia del processore Slot bus I/O Valeria Cardellini 21 M e m o r i a Disco e interfaccia USB Grafica Dentro la scatola la memoria principale Contiene sia le istruzioni che i dati necessari ai programmi in esecuzione Memorizzazione binaria (bit) di istruzioni e dati L unità di misura della capacità di memoria è il bit In genere si adotta il byte (pari a 8 bit) ed i suoi multipli Kbyte (2 10 = 1024 byte), Mbyte (2 20 = byte), Gbyte (2 30 = byte), Tbyte (2 40 byte) Caratterizzata anche dalla dimensione di ogni singolo elemento (cella o parola) che può essere trasferito Da 32 bit a 128 bit nei calcolatori più recenti Ad ogni parola di memoria è associato un indirizzo composto da k bit, tramite il quale il processore accede all informazione memorizzata nella parola I 2 k indirizzi (corrispondenti a 2 k parole) costituiscono lo spazio di indirizzamento del calcolatore Indirizzo a 32 bit spazio di indirizzamento di 2 32 o 4G parole Valeria Cardellini 22 Caratteristiche della memoria principale Tempo di accesso in memoria: tempo necessario per rispondere ad una richiesta di lettura o scrittura Memoria ad accesso casuale (Random Access Memory - RAM) Il tempo di accesso è costante ed indipendente dall indirizzo della cella a cui si vuole accedere e dalla sequenza dei precedenti accessi Memoria volatile: il contenuto delle celle viene perso ad ogni interruzione della corrente di alimentazione Valeria Cardellini 23

7 Dentro la scatola il disco rigido Memoria secondaria (o di massa) Non volatile Non necessita di alimentazione per mantenere i dati memorizzati Di grande capacità Economica Basata su tecnologia magnetica/ottica o un mix Esempi Hard disk (disco rigido o magnetico) Confezionati in un package che unisce diversi dischi Dischi ottici: CD, DVD Memorie FLASH removibili Floppy e Zip drive Nastri magnetici Valeria Cardellini 24 Dentro la scatola il disco rigido (2) Testina Motore per la rotazione dei dischi Costituito da un insieme di piatti rotanti (da 1 a 15) Piatti rivestiti di una superficie magnetica Esiste una testina (bobina) per ogni faccia Generalmente piatti a doppia faccia Le testine di facce diverse sono collegate tra di loro e si muovono contemporaneamente Velocità di rotazione costante (ad es RPM) Valeria Cardellini 25 traccia L organizzazione dei dati sul disco tracce Suddivisione della superficie del disco in anelli concentrici, detti tracce Registrazione seriale su tracce concentriche tracce settori Tracce adiacenti separate da spazi Ciascuna traccia è divisa in settori Il settore è la più piccola unità che può essere trasferita (scritta o letta) Centinaia di settori per traccia, generalmente di lunghezza fissa (ad es., 512 byte) Il settore contiene, tra l altro, un ID del settore, i dati e un codice di correzione di errore: la capacità formattata scende del 15% La stessa traccia su piatti diversi forma un cilindro Valeria Cardellini 26 L organizzazione dei dati sul disco rigido (2) Nei dischi più vecchi Ogni traccia conteneva lo stesso numero di settori Le tracce esterne (più lunghe) memorizzavano informazioni con densità minore Nei dischi recenti Per aumentare le prestazioni del disco, si utilizzano maggiormente le tracce esterne: zoned bit recording (o multiple zone recording) Tracce raggruppate in zone sulla base della loro distanza dal centro Una zona contiene lo stesso numero di settori per traccia Più settori per traccia nelle zone esterne rispetto a quelle interne Densità di registrazione (quasi) costante Valeria Cardellini 27

8 Lettura/scrittura di un disco Il processo di lettura/scrittura è composta da tre fasi: - Posizionamento della testina sul cilindro desiderato (tempo di posizionamento o seek) Dischi di diametro piccolo permettono di ridurre il tempo di posizionamento - Attesa che il settore desiderato ruoti sotto la testina di lettura/scrittura (latenza di rotazione) - Operazione di lettura o scrittura di un settore (tempo di trasferimento) Valeria Cardellini 28 Relazione tra tecnologia e informatica La tecnologia è alla base della rapidissima evoluzione dell informatica Evoluzione rapidissima Prestazioni relative per unità di costo delle tecnologie usate nei computer Anno Tecnologia Valvola Transistor Circuito integrato Circuito integrato a larghissima scala Prestazioni 2005 Circuito integrato a ultra scala Valeria Cardellini I circuiti integrati Un transistor è un interruttore (on/off) pilotato da segnali elettrici Un circuito integrato combina un insieme di transistor su un pezzo di silicio (chip) Rapido aumento della capacità di integrare Un maggior numero di componenti su aree via via più piccole Legge di Moore Il numero di transistor su di un chip raddoppia ogni 18 mesi Circa un aumento del 60% all anno (quadruplica ogni 3 anni) Conseguenze della legge di Moore Aumento della capacità dei chip di memoria Aumento della capacità delle CPU Valeria Cardellini 30 Legge di Moore per CPU Densità logica dei microprocessori Più transistor in una CPU significano: Eseguire direttamente istruzioni più complesse Maggiore memoria sul chip (cache) Maggiore parallelismo interno N.B. Altro fattore tecnologico decisivo è la frequenza di funzionamento Valeria Cardellini 31

9 Evoluzione della tecnologia Il processo di produzione Capacità di un chip di memoria (DRAM) Anno Dimensione Kb Kb Mb Mb Mb Mb Mb Mb Processore 2X in velocità ogni 1,5 anni (dal 1985) 100X in prestazioni nell ultimo decennio Memoria Capacità DRAM: 2X ogni 2 anni (dal 1996) 64X in miglioramento della dimensione nell ultimo decennio Disco Capacità: 2X ogni anno (dal 1997) 250X in dimensione nell ultimo decennio Il silicio è un semiconduttore Non conduce bene l elettricità E possibile modificare il silicio in modo che Si comporti da conduttore Si comporti come un isolante Si comporti come un conduttore o isolante a seconda delle condizioni (come un interruttore o transistor) Il processo di produzione Parte da un lingotto di silicio Tagliato orizzontalmente in wafer (2mm di spessore) Tagliato in die (chip) Valeria Cardellini 32 Valeria Cardellini 33 Il processo di produzione (2) Evoluzione dei calcolatori Prima fase: macchine meccaniche Pascaline di Pascal ( ), macchina differenziale e macchina analitica di Babbage ( ) Seconda fase: appare l elettronica Relè, tubi a vuoto, transistor Terza fase: computer digitali Quarta fase: networking Quinta fase: quantum computing? Valeria Cardellini 34 Valeria Cardellini 35

10 Le principali pietre miliari Quasi tutta l evoluzione ha avuto luogo negli ultimi 55 anni Valeria Cardellini 36