L elaboratore elettronico

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1 L elaboratore elettronico input (dati) output (risultati) (elaborazione) Hardware: l insieme delle apparecchiature (elettroniche, meccaniche, ecc.) che costituiscono fisicamente il sistema di elaborazione. Software: l insieme dei programmi e dei dati che permettono lo svolgimento delle funzioni di elaborazione I dati V = π r I dati numerici sono quelli più usati Tutti gli altri tipi di dato sono trasformati in dati numerici Rappresentazione dei dati: il sistema binario base: 2 cifre: { 0, 1 } Esempio: = = Alcuni numeri binari = 5 10

2 Terminologia BIT (BInary digit) 0 1 BYTE = otto bit WORD = n byte Terminologia MSB Most Significant Bit LSB Least Significant Bit Multipli binari Si usano le potenze di due invece di quelle di dieci: chilo K 2 10 ~ un migliaio mega M 2 20 ~ un milione giga G 2 30 ~ un miliardo tera T 2 40 ~ mille miliardi Architettura degli elaboratori Struttura a blocchi MEM Struttura a bus Problema: collegamento completo tra N unità richiede N (N-1)/2 collegamenti Esempi: 4U:6C, 10U:45C, 20U:190C OUT UO INP A B UC C D

3 Struttura a bus Soluzione: segnali omologhi raggruppati in un bus, usato a turno dalle varie unità Tipi fondamentali di bus bus dati ( DBus ) bus degli indirizzi ( ABus ) bus di controllo ( CBus ) A B C D M 1 M 2 I O DBus ABus CBus Architettura di un Calcolatore Il ciclo base di un elaboratore ROM RAM I I I O Reset Preleva una istruzione dalla memoria RAM Fetch DBus ABus CBus Interpreta l istruzione Esegue l istruzione Decode Execute CPU Il clock Elemento di temporizzazione che genera un riferimento temporale comune per tutti gli elementi costituenti il sistema di elaborazione. T T = periodo di clock f = frequenza di clock ( = 1 / T ) t Velocità di elaborazione MIPS ( Million Instructions Per Second ) f = frequenza di clock [ Hz = cicli/s ] T = periodo di clock = 1 / f [ s ] C = cicli macchina / istruzione IPS = f / C = 1 / ( T C ) MIPS = IPS / 10 6

4 Memoria Memoria centrale Memorizza i dati e le istruzioni necessarie all elaboratore per operare. Caratteristiche: indirizzamento parallelismo accesso (sequenziale o casuale) tipo (volatile-non volatile, letturalettura/scrittura, etc.) Indirizzamento Ad ogni cella di memoria è associato un indirizzo (numerico) per identificarla univocamente Parallelismo Ogni cella di memoria contiene una quantità fissa di bit: identica per tutte le celle accessibile con un unica istruzione è un multiplo del byte minimo un byte Memoria ad accesso casuale il tempo di accesso è costante (indipendente dalla cella scelta) T a = costante anche detta RAM (Random Access Memory) Memoria ad accesso sequenziale il tempo di accesso dipende dalla cella a cui si accede spesso la dipendenza è lineare T a = K indirizzo

5 Memoria interna all interno dell elaboratore è allo stato solido (chip) solitamente è volatile veloce (nanosecondi, 10-9 s) quantità limitata (decina MB) non rimovibile costosa (5000 Lit / MB) Memoria esterna all esterno dell elaboratore talvolta rimovibile non elettronica (es. magnetica) permanente lenta (millisecondi, 10-3 s) grande quantità (qualche GB) economica (500 Lit / MB) Tecnologia: Memoria RAM: memorie a lettura e scrittura (Random Access Memory) ROM: memorie a sola lettura (Read Only Memory) Memorie di massa Memorie di massa Tecnologie magnetiche S N CD-ROM NASTRI HARD DISK FLOPPY ottiche

6 Memorie magnetiche Dischi magnetici N S S N = 0 = 1 N S N settore traccia Testine di lettura/scrittura DISCHI RIGIDI (Hard Disk) Parametri tipici Capacità (MByte) Tempo di accesso (msec) Velocità di trasferimento (MB/s) Parametri tipici Capacità = #Facce * #Tracce * #Settori * #Byte T accesso = T posizionamento + T latenza Nastri Magnetici: Sistemi di Backup DAT Digital Audio Tape DDS Digital Data System Capacità: GB DLT Digital Linear Tape T totale = T accesso + Dimensione Dati / V trasferimento

7 Dischi OTTICI Le caratteristiche principali: elevata capacità di memorizzazione dati (0.5-5 GByte) costo abbastanza contenuto (< 10 L/MByte) dischi removibili affidabilità molto alta (> 10 anni) Esistono tre classi di dischi ottici (tecnologie differenti) READ-ONLY (CD-ROM) WRITE-ONCE (WORM) REWRITABLE (WMRA) fonte luminosa pellicola di plastica opaca piatto metallico riflettente CD audio Capacità: 650 MB = 70 minuti Capacità: 650 MB CD dati Velocità di trasferimento: 150KBps Suoni rappresentati da campioni digitali Velocità di trasferimento: x1 = 150KBps x2 = 2 x 150KBps x24 = 24 x 150KBps = 3.6Mbps CD-ROM, CD-WRITE DVD Digital Video (Versatile) Disk 1 DVD 4,7 Gbyte Dispositivi di visualizzazione 1 DVD = 10 CD

8 Schema funzionale di una VDU ( Video Display Unit ) Parametri di confronto memoria video RAM CPU processore grafico capacità grafiche risoluzione colori dimensione scheda grafica schermo VDU alfanumerica: solo caratteri righe colonne tipicamente VDU grafica: pixel (picture element) pixel H pixel V da , , , etc. monocromatica: fondo nero, pixel colorato, reverse video colori: N colori simultaneamente La memoria video Serve a memorizzare l immagine (perchè deve essere continuamente riscritta sullo schermo = refresh): caratteri e loro attributi pixel e loro colore Stampanti Parametri caratterizzanti Stampanti risoluzione (qualità) velocità di stampa (produttività) tipo di stampa (grafica, carattere) tecnologia di stampa standard di collegamento codifica dell informazione

9 Risoluzione Produttività - velocità di stampa Quanti d.p.i. ho? caratteri al secondo linee al minuto pagine al minuto - cps - lpm - ppm Abc Abc Abc Abc Abc d.p.i. = dot per inch (punti per pollice) Le stampanti Le tecnologie: a impatto a getto d inchiostro laser termiche Scanner Risoluzione dpi Scanner Scanner Quanta memoria occupa una immagine 5``x3`` acquisita tramite uno scanner a 300 DPI, 256 colori? C i a o! 300 DPIx5`` = 1500 D 300 DPIx3`` = 900 D 1500x900 = pixel 256 colori 8 bit/pixel = 1 byte/pixel byte = 1.3 MB

10 La tastiera ( keyboard ) Dispositivi di Input caratteri alfanumerici tasti funzione e caratteri di controllo numero e disposizione dei tasti ( layout ) variabilì Il mouse dispositivo di puntamento (rileva movimento relativo e per analogia fa muovere il cursore video) due o tre tasti (per selezioni) modelli meccanici (più robusti, meno precisi) modelli ottici (più precisi, meno robusti) Software Classificazione del software software applicativo middleware Sistema operativo hardware Scopo del Sistema Operativo Gestione delle risorse del sistema di elaborazione Rendere AGEVOLE l interfaccia tra l uomo e la macchina.

11 Attività svolte dal Sistema Operativo Gestione della memoria di massa (file system); Gestione della memoria RAM; Gestione dei processi; Attività svolte dal Sistema Operativo (Cont.) Gestione dell interfaccia utente; Accesso simultaneo di più utenti alla stessa macchina; Esecuzione simultaneamente di più processi sulla stessa macchina. Struttura del Sistema Operativo I SO sono generalmente costituiti da un insieme di moduli, ciascuno dedicato a svolgere una determinata funzione; I vari moduli del SO interagiscono tra di loro secondo regole precise al fine di realizzare le funzionalità di base dalla macchina. Struttura del Sistema Operativo (cont.) Gestore degli I/O Gestore dei Processi Interfaccia utente Gestore del File System Gestore della Memoria Centrale KERNEL Gestore dei processi Gestore dei Processi E il modulo che si occupa di controllare la sincronizzazione, interruzione e riattivazione dei programmi in esecuzione cui viene assegnato un processore; La gestione dei processi viene compiuta in vari modi, in funzione del tipo di utilizzo cui il sistema è rivolto.

12 Gestore dei Processi (Cont.) Il programma che si occupa della distribuzione del tempo di CPU tra i vari processi attivi, decidendone l avvicendamento, è comunemente chiamato Scheduler. Nel caso di elaboratori multi-processore si occupa anche di gestire la cooperazione tra le varie CPU presenti nel sistema. running termine Schedulazione top tempo scaduto attesa (es. I/O) ready wait evento Sistemi Mono-Tasking I SO che gestiscono l esecuzione di un solo programma per volta sono catalogati come mono-tasking; Non è possibile sospendere l esecuzione di un programma per assegnare la CPU a un altro Sono storicamente i primi SO (es MS- DOS). C B A Sistema Mono-Tasking Tempo di utilizzo della CPU. Tempo di attesa di eventi esterni. T t Sistemi Multi-Tasking I SO che permettono l esecuzione contemporanea di più programmi sono definiti multi-tasking (Windows-NT, Linux); Un programma può essere interrotto e la CPU passata a un altro programma C B Sistema Multi-Tasking Tempo di utilizzo della CPU. Tempo di attesa di eventi esterni. A t Tmulti-tasking Tmono-tasking

13 Sistemi Time-Sharing Un evoluzione dei sistemi multi-tasking sono i sistemi time sharing. Ogni programma in esecuzione viene eseguito ciclicamente per piccoli quanti di tempo. Se la velocità del processore è sufficientemente elevata si ha l impressione di un evoluzione parallela dei processi. Time-sharing: schema Ipotesi: 1 MIPS, 4 processi, 0.25 s/utente Conseguenze: MIPS/utente D T ELA = 4 T CPU 0.75 A 0.25 C 0.50 B D C B A Time-sharing: diagramma temporale t I Sistemi Operativi presenti in commerciali In commercio sono presenti una grande quantità di diversi Sistemi Operativi; In passato la tendenza delle case costruttrici di sistemi di elaborazione era di sviluppare sistemi operativi proprietari per le loro architetture; La tendenza attuale è quella di sistemi operativi eseguibili su diverse piattaforme. MS-DOS CPU Intel 80x86 (16 bit) monotask monoutente file-system gerarchico memoria limitata (1 MB / 640 KB) nessuna protezione PC- / IBM- / DR-DOS MS-Windows CPU Intel 80386/486/Pentium multitask imperfetto monoutente stesso file system del MS-DOS interfaccia grafica a finestre e menù sistema a 16 bit!!!

14 Windows-NT CPU Intel 80386/486/Pentium/Sparc/Alfa multitask monoutente NTFS (NT File System) microkernel, thread non solo per Intel 80x86 (DEC-AXP, MIPS-R4000,...) sistema a 32 bit UNIX/Linux nato negli anni 60 (AT&T Bell Labs) rimasto all avanguardia perchè sviluppato nelle università (UCB) multitask multiutente ottima integrazione in rete portabilità dei programmi Reti di Calcolatori Organizzazione dei Sistemi Informativi I Sistemi Informativi possono essere catalogati in due grandi categorie: Sistemi Centralizzati Sistemi Distribuiti Sistemi Centralizzati Concentratore terminali Sistemi Centralizzati (Cont.) Filosofia: Elaborazione e dati su grossi sistemi centralizzati (mainframe) Terminali scarsamente intelligenti (video + tastiera) Svantaggi: Costo elevato Scarsa scalabilità

15 Sistemi Distribuiti Sistemi Distribuiti (Cont.) Filosofia: Postazioni di lavoro intelligenti (workstation) con CPU, RAM e grafica per svolgere la maggior parte delle elaborazioni localmente Rete di comunicazione ad alta velocità Servizi condivisi in rete (dischi, stampa,...) Sistemi Distribuiti (Cont.) Vantaggi: Condivisione delle risorse hardware Minor costo rispetto ai sistemi centralizzati Ridondanza (miglior affidabilità) Scalabilità (crescita graduale) Sistemi Distribuiti (Cont.) Svantaggi: Complessità di gestione Criticità dei server Criticità dei sistemi di comunicazione La realizzazione di sistemi distribuiti complessi è stata resa possibile grazie all introduzione delle Reti di Calcolatori. Rete di Calcolatori Una Rete di Calcolatori è un insieme di risorse hardware e software che consentono all utente di un sistema di elaborazione di svolgere un lavoro (es. comunicare, calcolare, ricercare dati) anche su altri sistemi fisicamente distanti. Rete di Calcolatori (Cont.) Le reti di calcolatori permettono di implementare sistemi di elaborazione distribuiti che comprendono: Mainframes PC, Minicomputer, Workstation Strumentazione intelligente File servers, Periferiche..

16 Reti di calcolatori: funzionalità Condivisione di periferici (dischi, nastri, stampanti,...) Bootstrap remoto Terminale remoto Trasferimento file Posta elettronica Condivisione di periferici server C: D: LPT1: LPT1: C: C: Condivisione di dischi Disco virtuale (locale) Tutte le richieste di lettura e scrittura per il disco virtuale vengono intercettate ed inviate via rete al server del disco Problema: le autorizzazioni Condivisione di stampanti Stampante virtuale (locale) Le richieste di stampa sulla stampante virtuale vengono intercettate ed inviate via rete al server di stampa Stampanti di rete Terminale Remoto Trasferimento File Si usa la rete più l intelligenza locale per emulare un terminale attaccato direttamente ad un calcolatore remoto Internet: telnet Copia e manipolazione diretta di file tra sistemi di elaborazione collegati in rete Internet: FTP

17 Posta elettronica Trasmissione e ricezione di dati digitali direttamente in modo digitale dati solo ASCII (dati binari vanno codificati opportunamente) Indirizzo elettronico Comunicazione uno-a-uno Comunicazione uno-a-molti = mailing list Classificazione delle reti LAN (Local Area Network) Mbit/s, 1 Km MAN (Metropolitan Area Network) 100 Mbit/s, 10 Km Di scarso interesse, tendono ad essere inglobate dalle reti mondiali (WAN) WAN (Wide Area Network) 1 Mbit/s, 100 Km 1 Gbit/s (ATM, GigabitEthernet) Reti Locali Reti Locali (Local Area Network=LAN) Sono utilizzate ogni volta che è necessario connettere tra loro calcolatori o dispositivi con capacità di elaborazione locali Sono particolarmente utili quando si hanno: Quantità considerevoli di informazioni da trasmettere Natura sporadica dei messaggi. Caratterizzazione di una LAN Topologia : definisce l organizzazione logica del sistema di elaborazione: Organizzazione Punto-Punto Organizzazione a stella Organizzazione ad anello Organizzazione a BUS Canali: definisce le caratteristiche dei collegamenti fisici (es. cavi) tra gli elementi del sistema di elaborazione Topologia punto-a-punto A collegamento completo di N nodi richiede N (N-1) / 2 linee scarsa tolleranza ai guasti B C E D

18 Topologia a stella A D Topologia ad anello A C D B B E C il centro stella è l elemento critico sia per la tolleranza ai guasti sia per le prestazioni globali del sistema criticità di tutti gli elementi se l anello è unidirezionale Topologia a bus A B C D il bus è l elemento critico I canali fisici di trasmissione Two-wires open lines: la più semplice; i fili sono isolati uno dall altro. Si hanno problemi di crosstalk dovuto all accoppiamento tra fili (rate ~ Kbps) Twisted pair: maggior immunità al rumore; rate di ~ 1Mbps su distanze inferiori a 100m Cavo coassiale: ~ 10 Mbps su poche centinaia di metri Fibre ottiche: ~ 100 Mbps Ethernet Standard IEEE Cablaggio: cavo coassiale o doppino telefonico Topologia logica: bus Utilizza un protocollo di tipo CSMA- CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) CSMA-CD? Libero Occupato A B C D A vuole B vuole trasmettere a D trasmettere a C

19 CSMA-CD Collisione CSMA-CD? Libero? Libero Attendi Attendi A B C D A B C D B vuole trasmettere a D C vuole trasmettere a A CSMA-CD? Libero Attendi Reti Geografiche (Wide Area Network=WAN) A B C D Reti Geografiche Sono reti basate su linee pubbliche del tipo: Commutate (Switched) Dedicate (Leased) Sono anche disponibili linee ISDN (Integrated Services Digital Networks) che integrano su un unica rete digitale la trasmissione di voce e dati Collegamenti fisici (WAN) linea dedicata (CDN) 2 Mbps linea commutata (=modem) 9, K bps tariffazione a tempo commutazione di circuito rete a pacchetto (X.25) ITAPAC

20 Evoluzione dei collegamenti WAN ISDN (Integrated Services and Data Network) 2 canali dati a 64 Kbps 1 canale fonico a 16 Kbps videotelefono, dati digitali,... ATM Asynchronous Transfer Mode Mbps Modem Per poter accedere alle reti mondiali è necessario utilizzare speciali apparecchiature denominate modem. Un modem è in grado di trasformare i dati digitali in segnali elettrici adatti al canale trasmissivo usato e viceversa. Modem (modulatore - demodulatore) Internet modem modem Internet è la più estesa rete di calcolatori interconnessi fra loro nel mondo (Rete di reti) Organizzazione della rete Università Salute Enti privati Media Finanza Internet Computers Amministrazione Governo Business Organizzazione della rete (Cont.) Backbone Regional access provider Regional access provider Regional access provider Utente Local access provider Local access provider Local access provider Host Client Server

21 Organizzazione della rete (Cont.) Ogni rete locale e ogni nodo di Internet ha un suo indirizzo IP unico Gli indirizzi sono distribuiti da un ente centrale InternNIC (Network Information Center) Gli indirizzi IP sono numeri a 32 bit, scritti come 4 gruppi di numeri separati da., Es: I primi due numeri definiscono l organizzazione, gli altri la sottorete e la macchina Organizzazione della rete (Cont.) Ogni macchina ha un proprio domain name che è gerarchico Es:giunone.polito.it Il nome diventa più specifico muovendosi da destra verso sinistra fino ad identificare il nome della macchina E più facile ricordare un nome che un indirizzo IP Organizzazione della rete (Cont.) Suffissi americani....comper le organizzazioni commerciali.orgper le organizzazioni senza scopo di lucro.gove.mil per le agenzie governative e militari.netper le aziende e le organizzazioni che possiedono dei grandi network. Gli altri....ititalia.uk Inghilterra.zaSud Africa.br Brasile