Architettura di un calcolatore

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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 slide 2

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 slide 3 Hardware Desktop Notebook Netbook Tablet Tablet slide 4

3 HARDWARE Si può rappresentare con tre componenti di base CPU (Unità centrale di processo) Memoria di lavoro Unità di I/O (Input/Output) slide 5 Architettura generale Interfacce dedicate slide 6

4 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 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 slide 8

5 Memoria di Lavoro slide 9 Memoria di Lavoro 00 voglio scrivere in una cella della memoria Bit Blu Scrivo/Leggo Bit Giallo Mem/Perif slide 10

6 Unità di Input / Output 01 voglio scrivere in una periferica Stampante Stampa A Bit Blu Scrivo/Leggo Bit Giallo Mem/Perif slide 11 Memoria di Lavoro 10 voglio leggere in una cella della memoria slide 12

7 Memoria di Lavoro 01 voglio leggere da una periferica Tastiera 80 Leggo P slide 13 slide 14

8 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. 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) slide 16

9 MEMORIA di LAVORO codice numerico slide 17 Volatilità del supporto Prima dello spegnimento dopo lo spegnimento al riavvio successivo slide 18

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 per l'avvio del sistema e di autocontrollo iniziale del hardware. 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 slide 20

11 ROM slide 21 Evoluzione delle RAM Elettronica integrata 256 KB 1980 Anellini di ferrite 10 byte x 12 strati anni 1960 slide 22

12 Banchi di RAM 4 MB MB MB Area puntamento decodifica indirizzo 384 KB banchi da 48 KB Area di memoria slide 23 Unità di Input / Output slide 24

13 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) slide 25 HARDWARE slide 26

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 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 slide 28

15 Tastiera slide 29 Tastiera slide 30

16 Codice ASCII standard slide 31 Codice ASCII esteso slide 32

17 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 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 slide 34

18 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) slide 35 Digitallizzatore grafico Grafica Vettoriale slide 36

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 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 slide 38

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 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) slide 40

21 Risoluzione di acquisizione Risoluzione 200 pixel per pollice (matrice 150x36 = 5400 pixel) Risoluzione 300 pixel per pollice (matrice 200x48 = 9600 pixel) 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 slide 42

22 3D scanner Scanner a trasduttori laser Scanner a trasduttori goniometrici slide 43 Lettori di codice a barre slide 44

23 Conversione AD / DA slide 45 Conversione Analogico/Digitale Segnale analogico reale visualizzabile su un oscilloscopio slide 46

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 slide 47 Conversione Analogico/Digitale Campionamento a metà periodo slide 48

25 Conversione Analogico/Digitale Interpolazione dei campioni 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. slide 50

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,..) 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 slide 52

27 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. slide 53 Video CRT (Cathode Ray Tube) funziona come un normale televisore; le immagini sono prodot-te grazie alla succes-sione di righe oriz-zontali sulle quali viene rappresentata l immagine per punti elementari detti PIXEL Unità di output slide 54

28 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 slide 55 Video slide 56

29 Video slide 57 Schermi LCD slide 58

30 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 slide 59 C1 C2 C3 slide 60

31 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 slide 61 slide 62

32 Schermi LCD slide 63 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 slide 64

33 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 slide 67 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 slide 68

34 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 slide 69 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 slide 70

35 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) slide 71 Unità di output Stampante l immagine è prodotta attraverso matrici di punti elementari Alfanumeriche Grafiche slide 72

36 Stampanti 3D slide 77 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 -.. slide 79

37 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 80 slide 80 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. slide 81

38 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 slide 82 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 slide 83

39 Memoria di massa Hard Disk classico Posizionamento Tangenziale Posizionamento Lineare slide 84 Memoria di massa slide 85

40 HD magnetici o Solid State Device? slide 86 Punti di comparazione HDD a piatti magnetici SSD a celle elettroniche Velocità Durata Dimensioni Quasi infinita (a meno di rotture meccniche) Comparabili Frammentaz Rallenta volmente le ione prestazioni Da 5 a 10 volte maggiore Limitata dal numero di scritture Comparabili tendenti a diminuire Non ha effetto sulle prestazioni Costo / bit Inferiore Superiore ~ 10% al 20% slide 87

41 Memoria di Massa slide 90 Memoria di Massa slide 91

42 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 slide 93 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 slide 94

43 DVD vs CD slide 95 DVD Supporti sempre più capienti, oggi fino a 45 GByte con tecnologia multilayer e con differenti luci laser slide 96

44 DVD multi layer slide 97