Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA. Architettura di un calcolatore

Transcript

1 Architettura di un calcolatore I calcolatori sono un po come gli esseri umani; infatti pur essendo diversi per ragioni di copyright, per grandi linee sono tra loro molto simili. 1 COMPONENTI HARDWARE SOFTWARE FIRMWARE Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 2 1 1

2 HARDWARE Serve ad indicare tutte le componenti materiali di cui è costituito un calcolatore. Tradotta letteralmente ferramenta In essa rientra tutto ciò che è fisicamente realizzabile come componente di base o accessorio alla struttura di un sistema di elaborazione Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 3 Hardware Desktop Notebook Netbook Tablet Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 4 2 2

3 3 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA HARDWARE Si può rappresentare con tre componenti di base CPU (Unità centrale di processo) Memoria di lavoro Unità di I/O (Input/Output) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 5 Architettura generale Interfacce dedicate Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 6 3

4 4 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Central Process Unit Linee di Dati / Istruz. ADDR 16/32/64 Linee di Indirizzamento Linee di controllo M I C R O P R O C E S S O R E Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 7 Central Process Unit La CPU o Microprocessore è il vero e proprio cervello del sistema. Al suo interno vengono interpretate le istruzioni elementari ed eseguite le operazioni Aritmetico -Logiche (ALU). Una unità di controllo provvede al corretto funzionamento e temporizzazione Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 8 4

5 5 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Memoria di Lavoro Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 9 Memoria di Lavoro 00 voglio scrivere in una cella della memoria Bit Blu Scrivo 0 / Leggo 1 Bit Giallo Mem 0 / Perif 1 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 10 5

6 Unità di Input / Output 01 voglio scrivere in una periferica Stampante Stampa A Bit Blu Scrivo/Leggo Bit Giallo Mem/Perif Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 11 Memoria di Lavoro 10 voglio leggere in una cella della memoria Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

7 Memoria di Lavoro 11 voglio leggere da una periferica Tastiera 80 Leggo P Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 13 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

8 8 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA MEMORIA La memoria che stiamo ora considerando è la MEMORIA DI LAVORO, quella memoria dove necessariamente devono transitare tutte le informazioni. Solo le informazioni presenti in questa memoria possono essere elaborate efficientemente e velocemente. Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 15 MEMORIA RAM Le sue caratteristiche sono : accesso ai dati di tipo diretto viene anche indicata con il termine (RAM, DRAM, VRAM) Random Access Memory tempo di accesso circa nsec volatile (si cancella allo spegnimento!!) non contiene grandi quantità di informazioni rispetto alle memorie di massa In un sistema il rapporto può variare da 1:100 a 1:1000 (es. 1 GB Ram e 1 TB HD) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 16 8

9 MEMORIA di LAVORO codice numerico Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 17 Volatilità del supporto Prima dello spegnimento dopo lo spegnimento al riavvio successivo Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

10 MEMORIA ROM Una sezione della memoria di lavoro prende il nome di ROM (Read Only Memory) Si differenzia dalla RAM per il fatto che le sue informazioni sono stabili e immodificabili, contiene i programmi del BIOS e di autocontrollo. E rappresentata, nella sua forma più semplice, da una matrice di fusibili che vengono bruciati in fase di programmazione Attualmente si usano memorie flash che possono essere riscritte con opportune tecniche per poter aggiornare il software Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 19 ROM (Read Only Memory Il processore non distingue la ROM dalla RAM sono entrambe celle indirizzabili dalla CPU, nei dispositivi più moderni lo spazio della ROM può essere mascherato, dopo l avvio da memoria RAM Contiene i programmi per l avvio del sistema Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

11 ROM Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 21 Evoluzione delle RAM Elettronica Chip silicio 256 KB 1980 Anellini di ferrite 10 byte x 12 strati anni 1960 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

12 Banchi di RAM 4 MB MB MB Area puntamento decodifica indirizzo 384 KB banchi da 48 KB Area di memoria Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 23 Unità di Input / Output Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

13 13 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Unità Periferiche Unità di ingresso (INPUT) Unità dati Unità di puntamento Unità speciali Unità di uscita (OUTPUT) Unità dati Unità speciali Unità di Input - Output (I/O) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 25 HARDWARE Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 26 13

14 Unità periferiche di Input dati Tali unità servono a trasferire informazioni di tipo digitale, dall esterno verso la CPU e verso la memoria interna: Tastiera CD - ROM driver (Compact Disk - Read Only Memory) Lettore di codice a barre Lettore di schede e bande perforate Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 27 Dispositivi di input Tastiera Questo dispositivo è il mezzo principale di comunicazione con l unità centrale, è costituito da una matrice di interruttori ognuno dei quali riporta all unità centrale le coordinate della sua posizione quando venga chiuso Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

15 Tastiera Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 29 Tastiera Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

16 Codice ASCII standard Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 31 Codice ASCII esteso Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

17 17 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Tastiera Tasti speciali ESC Maiuscole o sopraelevate (shift) (sinistro - destro) Ctrl sinistro - Alt - Alt Gr - Ctrl destro Blocca maiuscole - Blocca numerico Tasti frecce e posizione (home - end) INS - Canc (Del) Tasti Funzione F1 - F12 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 33 Unità input di puntamento Tali unità permettono l interazione tra l utente ed un dispositivo di uscita che tipicamente è il video. Mouse Touch screen Penna ottica Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 34 17

18 18 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Unità di input speciali Tavoletta grafica (digitizer - digitalizzatore) Scanner Convertitore Analogico/Digitale Microfono (A/D converter, low sampling) Telecamera (A/D converter, high sampling) MIDI (tastiere musicali) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 35 Digitallizzatore grafico Grafica Vettoriale Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 36 18

19 Scanner Si tratta di un dispositivo che grazie ad un sistema di specchi proietta un linea dell immagine da analizzare su sensori ottici che la convertono in segnali elettrici digitalizzati Tamburo / Piani / Manuali Grafica raster o a mappatura di bit Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco Tratto dal sito slide 37 Scanner si tratta di un dispositivo molto simile ad una fotocopiatrice, il quale legge l immagine attraverso un reticolo formato da un numero più o meno rilevante di punti luminosi ognuno dei quali viene poi trasformato in un numero Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

20 Indici di pixel / riga 12 9 Scanner Nero =0 Bianco= 255 Vettore dati (127,255,127,255, ) Valori assegnati ai singoli pixel 30 * 18 = 540 pixel Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 39 Risoluzione di acquisizione Risoluzione 75 pixel per pollice (matrice 50x12 = 600 pixel) Risoluzione 100 pixel per pollice (matrice 75x 18 = 1350 pixel) Risoluzione 150 pixel per pollice (matrice 100x24 = 2400 pixel) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

21 21 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Risoluzione di acquisizione Risoluzione 200 pixel per pollice (matrice 150x36 = 5400 pixel) Risoluzione 300 pixel per pollice (matrice 200x48 = 9600 pixel) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 41 Risoluzione di acquisizione La quantità di informazione catturata da uno scanner essendo l immagine una supeficie si incrementa con il quadrato della risoluzione Se consideriamo un pollice quadrato di superficie Risoluzione 50 dpi Risoluzione 100 dpi Risoluzione 200 dpi Risoluzione 400 dpi pixel pixel pixel pixel Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 42 21

22 3D scanner Scanner a trasduttori laser Scanner a trasduttori goniometrici Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 43 Lettori di codice a barre Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

23 Conversione AD / DA Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 45 Conversione Analogico/Digitale Segnale analogico reale visualizzabile su un oscilloscopio Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

24 Conversione Analogico/Digitale Processo di campionamento t 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 a 0 1,5 2,3 2,4 1,7 0,9 0,05 0,2 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 47 Conversione Analogico/Digitale Campionamento a metà periodo Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

25 Conversione Analogico/Digitale Interpolazione dei campioni Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 49 Campionamento e Supporti Ottici CD ROM AUDIO Capacità 650 Mbyte - 74 minuti di audio alta fedeltà HF Con la scelta 1 campione (sample) occupa 1 byte (range a 256 livelli) allora sample / sec * 2 canali (stereo) = byte/sec) 650 *1024 * 1024 = byte (capacità in byte del disco) byte / byte/sec = 4437 secondi 4437 secondi / 60 = 74 minuti circa di registrazione stereo ad alta fedeltà. Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

26 Unità di output Video dispositivo che permette la visualizzazione immediata delle immagini prodotte dal S.O. Stampante dispositivo che permette di trasferire i risultati su un supporto permanente (carta, pellicola, plastica,..) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 51 Video In pochi anni ha subito delle profonde trasformazioni che ne hanno potenziato enormemente le caratteristiche: dai monitor monocromatici alfanumerici in grado di presentare solo caratteri del codice ASCII agli odierni policromatici e grafici ad altissima risoluzione 52 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

27 27 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Video è oggi il dispositivo principale di uscita sia per i piccoli che per i grandi sistemi. La singola immagine è formata dal susseguirsi di linee orizzontali che coprono l intero schermo come nella televisione Molte immagini prodotte in un secondo danno l effetto del movimento. Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 53 Video CRT (Cathode Ray Tube) Il suo funzionamento era basato su un fascio sottile di elettroni, proiettati all interno di un bulbo a vuoto, che colpendo uno schermo verniciato con sostanze particolari emetteva luce Unità di output Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 54 27

28 28 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Coordinate X Y Il singolo punto visualizzabile sullo schermo si chiama pixel (picture element). Si ottiene cosi una matrice bidimensionale I pixel sulla riga costituiscono l asse x I pixel delle righe successive costituiscono l asse y Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 55 Video Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 56 28

29 Video LED o PLASMA o LCD o OLED o QLED Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 57 CRT Tecnologie degli schermi Plasma LCD / LED Link immagini Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

30 Schermi LCD Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 59 colori del video Tutte le intensità e le sfumature di colore si possono ottenere dalla combinazione di tre colori primari o fondamentali ROSSO - VERDE - BLU Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

31 C1 C2 C3 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 61 Colori del video Negli schermi televisivi e negli schermi LDC si attua la sintesi additiva dei colori Nelle stampanti si attua la sintesi sottrattiva dei colori Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

32 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 63 Schermi LCD Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

33 33 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Le sorgenti del video Tanto maggiore è il numero di pixel per riga ed il numero di righe, tanto maggiore sarà la nitidezza dell immagine pixel/riga righe/quadro VGA = pixel SVGA = pixel XGA = pixel UGA = pixel Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 65 colori del video Il singolo pixel può essere inoltre di colore variabile colori per pixel spazio per la memorizz. Bianco/Nero 1 solo bit Nero/Rosso/Verde/Blu 2 bit 16 colori 4 bit 256 colori 8 bit = 1 Byte colori 16 bit = 2 Byte colori 24 bit = 3 Byte Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 68 33

34 34 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA colori del video un immagine con 256 colori/pixel usa 1 Byte per pixel 640 x 480= pixel = Byte 800 x 600= pixel = Byte 1024 x 768= = Byte Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 69 colori del video un immagine con colori/pixel usa 2 Byte per pixel 640 x 480= pixel = Byte 800 x 600= pixel = Byte 1024 x 768= = Byte Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 70 34

35 colori del video un immagine con colori/pixel usa 3 Byte per pixel 640 x 480= pixel = Byte 800 x 600= pixel = Byte 1024 x 768= = Byte Esempi applicativi Adobe Paint Photo Shop Photo Studio Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 71 Stampanti Si tratta di dispositivi che permettono di trasferire le informazioni grafiche su un supporto solido piano (carta, tessuto, plastica, etc), utilizzando tecnologie differenti di trasferimento da cui il nome della stampante. Stampanti ad aghi Stampanti a getto d inchiostro Stampanti a sublimazione Stampanti laser o elettrostatiche Stampanti 3D (dispositivo speciale) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

36 36 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Unità di output Stampante l immagine è prodotta attraverso matrici di punti elementari Alfanumeriche Grafiche Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 73 Unità di output speciali Plotter ( stampante x,y) si tratta di un dispositivo provvisto di penne e di due motori che spostano la punta della penna scrivente sul foglio di carta i movimenti combinati permettono di ottenere immagini a tratto continuo anziché per pixel (immagini vettorizzate) Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 74 36

37 I plotter possono essere anche molto grandi Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 75 Stampanti 3D Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

38 Unità di Input/Output (I/O) Unità di memoria di massa Unità per disco flessibile (Floppy Disk) Unità a disco rigido (HardDisk) Unità magneto-ottiche Unità a nastro DAT Unità di comunicazione Modem (Modulatore - Demodulatore) Schede di rete ISDN - ADSL -.. Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 77 Supporti di memoria di MASSA Sono dispositivi per la memorizzazione permanente o semi permanente delle informazioni. La loro capacità è estremamente elevata rispetto alla capacità della memoria di lavoro. La loro velocità è però milioni di volte inferiore ( msec / nsec) alla RAM 1 msec = sec 1 msec = nsec 78 Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

39 39 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Supporti di Memoria SUPPORTI DI MEMORIA DI MASSA La memoria di massa rappresenta lo spazio fisico dove le informazioni devono essere conservate per l uso futuro Sono dispositivi che permettono la registrazione delle informazioni grazie a modificazioni fisiche del supporto. Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 79 Supporti di Memoria di massa Flash memory (vari dispositivi elettronici) Pen drive, SD mem, SDHC mem, compact flash dischi fissi o hard disk magnetici ed elettronici capacità 100 Mbyte 100 Tbyte SSD (solide state drive) SD Secure Digital SDHC SD High Capacity SDXC SD extended Capacity Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 80 39

40 Supporti di Memoria di massa Flash memory (vari dispositivi elettronici) Pen drive, SD memory, compact flash dischi fissi o hard disk magnetici ed elettronici capacità 100 Mbyte 100 Tbyte SSD (solide state drive) Rulli e Nastri magnetici (obsoleti) DAT dischi flessibili o floppy disk (obsoleti) capacità variabile da 320 KByte a 250 MByte Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 81 Memoria di massa Hard Disk magnetici Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

41 Laboratorio di Bioinformatica -- Università di TOR VERGATA Memoria di massa Hard Disk classico Posizionamento Lineare Posizionamento Tangenziale Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 83 HD magnetici o Solid State Device? Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

42 Punti di comparazione HDD a piatti magnetici SSD a celle elettroniche Velocità Da 5 a 10 volte maggiore Durata Quasi infinita (a meno di rotture meccniche) Limitata dal numero di scritture Dimensioni Comparabili Comparabili tendenti a diminuire Frammentazione Rallenta volmente le prestazioni Non ha effetto sulle prestazioni Costo / bit Inferiore Superiore ~ 10% al 20% Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 85 Memoria di Massa Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

43 Memoria di Massa Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 89 Supporti Ottici CD (Compact Disk) CD Rom solo lettura CD Writable CD RW Rewritable DVD (Digital Video Disk Digital Versatile Disk) DVD - Rom DVD R0W Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

44 CD ROM La superficie del CD viene alterata permanentemente in fase di scrittura da un fascio laser di intensità maggiore rispetto alle condizioni di lettura Timing 4/0 3/1 3/0 2/1 1/0 1/1 Numero/valore dei bit Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 91 DVD vs CD Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide

45 DVD Supporti sempre più capienti, oggi fino a 45 GByte con tecnologia multilayer e con differenti luci laser Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide 93 DVD multi layer Lezione3 Lauree Triennali Lezione Informatica Hardware Del Bolgia Franco slide