Il primo elaboratore moderno

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1 Il primo elaboratore moderno Quando ha avuto inizio la travolgente evoluzione tecnologica che ha portato agli attuali computer? A parte le dimensioni e le prestazioni (e altri dettagli), l ENIAC (1946) è considerato il primo computer della storia 1 ENIAC (1946) Electronic Numeric Integrator And Calculator Primo elaboratore elettronico digitale generalpurpose (= programmabile) Costruito da J. Mauchly e J. Eckert per il calcolo delle traiettorie balistiche dei proiettili d artiglieria Utilizza valvole termoioniche, consuma 200 kw, pesa 27 tonnellate e occupa 180 m 2 Sistema a programma cablato Utilizza il sistema numerico decimale Sistema di input/output su schede perforate (IBM) Memoria: 20 parole da 10 cifre ( 100 byte) di sola lettura VIDEO: La nascita del computer L ENIAC (4 ) 2 1

2 EDVAC (1951) Electronic Discrete Variable Automatic Calculator Evoluzione dell ENIAC Progettato da J. Mauchly e J. Eckert con la consulenza di von Neumann Utilizza 6000 valvole termoioniche, consuma 56 kw, pesa 7 tonnellate e occupa 45 m 2 Sistema a programma memorizzato Utilizza il sistema numerico binario Sistema di input/output su schede perforate (IBM) Memoria:1024 parole da 44 bit ( 5,5 kb) Realizzato in conformità alla cosiddetta architettura di Von Neumann, la stessa utilizzata dai moderni calcolatori 3 Architettura degli elaboratori L architettura degli elaboratori descrive la struttura e le componenti di un elaboratore dal punto di vista logico-funzionale Per elaboratore intendiamo una macchina capace di elaborare in modo automatico dei dati (hardware) L hardware degli attuali calcolatori è progettato secondo l architettura di von Neumann Il procedimento che descrive l elaborazione dei dati costituisce il programma (software); utilizzando software differenti, uno stesso hardware può essere utilizzato per problemi diversi (macchina programmabile) 4 2

3 Architettura di von Neumann Descritta nella relazione First draft of a report on the EDVAC (30 giugno 1945) Lo schema si basa su cinque componenti fondamentali: 1. CPU (Central Processing Unit) o unità di lavoro, unità centrale 2. Unità di memoria, detta memoria principale (main memory) intesa come memoria di lavoro 3. Unità di input, tramite la quale i dati vengono inseriti nel calcolatore per essere elaborati 4. Unità di output, necessaria affinché i dati elaborati possano essere restituiti all'operatore 5. Bus, un canale dati che collega tutti i componenti fra loro Prevede la condivisione dei dati del programma e delle istruzioni del programma nello stesso spazio di memoria 5 Schema di von Neumann (1) DISPOSITIVI di INPUT CPU DISPOSITIVI di OUTPUT MEMORIA CENTRALE (MAIN MEMORY) 6 3

4 1) Central Processing Unit (CPU) Costituita da: Control Unit (CU) Gestisce il funzionamento delle parti di un elaboratore e l esecuzione dei programmi residenti in memoria centrale Arithmetic Logic Unit (ALU) Esegue le operazioni aritmetiche e logiche sui dati provenienti dalla memoria Registri (generali / dedicati) Locazioni di memoria interne alla CPU; memorizzano temporaneamente i dati durante un ciclo di istruzione 7 1a) CPU Control Unit L elaborazione delle istruzioni di un programma consiste nell esecuzione, da parte della CU, di una successione di passi elementari, ovvero: Prelevamento dalla memoria centrale della istruzione da eseguire (fase di fetch) Interpretazione della funzione da eseguire (fase di decode) esecuzione dell istruzione (fase di execute) L intero procedimento viene detto ciclo di istruzione (o ciclo operativo) Microprocessore (6 37 ) 8 4

5 1b) CPU Arithmetic-Logic Unit Componente della CPU preposta all esecuzione delle operazioni aritmetiche e logiche quali, ad esempio, Somma, sottrazione, moltiplicazione divisione Operazioni logiche AND, OR, NOT Operazioni sui bit (scorrimento, complemento, ) 9 1c) CPU REGISTRI Registri dedicati: Program Counter (PC) Instruction Register (IR) Memory Data Register (MDR) contiene i dati da/per la memoria centrale (tutti i dati e le istruzioni che dalla memoria devono essere elaborati dalla CPU transitano per l MDR) Memory Address Register (MAR) contiene l'indirizzo della locazione di memoria centrale in cui si andrà a leggere o scrivere un dato Program Status Word register (PSW) segnali di stato e controllo (zero, carry, overflow, interrupt) Registri generali Accumulatori registri di interfaccia con la ALU 10 5

6 Schema di von Neumann (2) CPU CU DISPOSITIVI di INPUT ALU REG DISPOSITIVI di OUTPUT MEMORIA CENTRALE (MAIN MEMORY) 11 2) MEMORIA CENTRALE Utilizzata direttamente dalla CPU per leggere e scrivere dati durante le elaborazioni Può essere suddivisa in tre parti RAM (Random Access Memory o memoria ad accesso casuale) ROM (Read-Only Memory o memoria di sola lettura) Cache 12 6

7 2a) MEMORIA CENTRALE (RAM) Memorizza i dati e le istruzioni dei programmi (durante il funzionamento dell elaboratore) Utilizzata dalla CPU per leggere e scrivere dati durante le elaborazioni Struttura a matrice Indirizzo della cella (riga e colonna) Ampiezza della cella ( bit) Capacità (es. 8 Gbyte) Random Access Memory (RAM) Stesso tempo di accesso!!! Memoria volatile 13 2b) MEMORIA CENTRALE (ROM) Memorizza i dati e le istruzioni del programma di avvio dell elaboratore (BIOS) Read Only Memory (ROM) o memoria di sola lettura Memoria permanente Contiene Basic Input Output System (BIOS) Firmware e driver delle periferiche 14 7

8 2c) MEMORIA CENTRALE (Cache) Memoria inserita tra la CPU e la memoria centrale RAM per aumentare la velocità di esecuzione delle istruzioni memorizza i dati e le istruzioni maggiormente richiesti dalla CPU in un certo periodo (senza bisogno di caricarli dalla RAM) Prima di caricare un dato dalla RAM la CPU lo cerca nella cache (hit/miss) Rispetto alla memoria di lavoro è più veloce più costosa Volatile Suddivisa in livelli L1, L2 e L3 L1 più vicina alla CPU, più piccola L3 più lontana dalla CPU, più grande 15 Schema di von Neumann (3) CPU CU DISPOSITIVI di INPUT ALU REG DISPOSITIVI di OUTPUT cache MEMORIA CENTRALE RAM ROM 16 8

9 3) Dispositivi di INPUT Dispositivo (periferica) che immette dati nella memoria centrale del computer lavorando in maniera unidirezionale Tastiera, mouse 17 4) Dispositivi di OUTPUT Dispositivo (periferica) che riceve dati dalla memoria centrale del computer lavorando in maniera unidirezionale Monitor, stampante 18 9

10 3/4) Dispositivi di INPUT/OUTPUT Scambiano dati con la memoria centrale del computer in modo bidirezionale 19 5 ) BUS Canale di comunicazione tra le diverse componenti dell elaboratore 20 10

11 5a) BUS dei DATI Utilizzato per scambiare dati tra le diverse unità dell elaboratore Bidirezionale Condiviso Master/slave Segale R/W ( di controllo) La larghezza del dati è proporzionale alla velocità di trasferimento dei dati 21 5b) BUS degli INDIRIZZI Utilizzato per scegliere l indirizzo della destinazione o della sorgente di un trasferimento di dati Unidirezionale La larghezza del indirizzi determina la massima capacità di memoria (centrale) indirizzabile Es. un di indirizzi ampio 20 bit consente di utilizzare una memoria sino a 1MB 22 11

12 5c) BUS di CONTROLLO Il di controllo è un insieme di collegamenti il cui scopo è coordinare le attività del sistema Consente alla CPU di inviare segnali di controllo verso gli altri dispositivi e di ricevere segnali di stato dagli altri dispositivi Segnale R/W abilitare la lettura/scrittura Segnale IRQ: segnalazione di un evento alla CPU 23 Memorie di massa Memorie di massa o ausiliarie Grande capacità di memorizzazione Memoria permanente Basso costo per Mbyte Velocità di lettura/scrittura byte/s Trasportabili Tecnologie: Magnetiche Ottiche Flash 24 12

13 Memorie magnetiche: disco fisso Hard-disk (disco fisso) Dischi di alluminio con superficie magnetizzabile Capacità: Tbyte (1000 miliardi di byte) Memoria permanente Accesso diretto Interni/esterni Memoria virtuale Struttura logica: File system (S.O.) Struttura fisica (formattazione fisica): piatto (testina) tracce gap settori ( 512 byte) settore di avvio (MBR) cluster cilindro Parametri: Velocità di rotazione (es rpm) Velocità di accesso (<10 ms) T. di posizionamento (seek) T. di latenza Velocità di trasferimento (es. 500 Mbyte/s) Interfaccia: IDE SCSI S-ATA Come funziona un Hard Disk? Hard Disk Come funziona un Hard Disk? J4 Cos è l HD e come funziona? (Ferry) js Cos è l SSD e come funziona? (Ferry) QA

14 Memorie ottiche: CD, DVD Compact Disc (CD) 650 Mbyte 1,2 Gbyte Digital Versatile Disc (DVD) 4,7 Gbyte 17 Gbyte Blue-ray 12 Gbyte 50 Gbyte Proprietà comuni Disco di policarbonato (diam. 12 cm) Accesso sequenziale Velocità di trasferimento (base) 150 kbyte/s Tipologie generali: ROM sola lettura R registrabili (1 sola volta) RW riscrivibili (registrabili più volte) 27 Come funziona il CD Vedi f38w

15 Memorie FLASH Tecnologia stato solido MOSFET:dispositivo capace di immagazzinare cariche elettriche per lunghi periodi: la presenza/assenza di carica codifica lo stato logico 1/0 (bit) Processo di cancellazione/scrittura contemporaneo Velocità di trasferimento 2MB/S 100MB/s Capacità 100 Gbyte Cicli di lettura/scrittura limitati! 29 Memorie FLASH (2) Formati: Pendrive Secure Digital (SD) Memory Stick (MS) Compact Flash (CF) Multimedia Memory Card (MMC) Smart Media (SM) 30 15

16 Solid State Disk (SSD) Basato su chip di memoria Rispetto ad un hard disk è più veloce consuma meno non possiede parti meccaniche più resistente agli urti più leggero più piccolo più costoso 31 Schema riassuntivo ALU CPU CU Registri Elaboratore Hardware software Memoria centrale Dispositivi di I/O RAM ROM Dati Bus Indirizzi Controllo 32 16