Architettura dei computer. Organizzazione fisica attuale. Le idee ed i pionieri. Architettura dei computer. Componenti principali di un computer

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1 Architettura dei computer In un computer possiamo distinguere quattro unità funzionali: il processore (CPU) la memoria principale (RAM) la memoria secondaria i dispositivi di input/output Il processore e la memoria principale costituiscono l unità centrale Componenti principali di un computer Processore Controller Stampante Video/display Periferiche di input/output Memoria principale (centrale) Bus Memorie di massa (secondarie) Organizzazione fisica attuale Periferiche per l input Unità centrale e memorie Periferiche per l output Hard Disk Lettore CD Tastiera e mouse Floppy Disk RAM CPU Scanner CPU + HD, CD, Floppy Architettura dei computer Le idee ed i pionieri Le varie componenti comunicano attraverso uno o più insiemi di collegamenti detti bus Nei computer moderni: c e un collegamento dedicato detto bus di sistema per la comunicazione tra cpu e memoria principale ci sono collegamenti per le altre periferiche detti bus locali con i loro adattatori (memorie secondarie, dispositivi di I/O e di rete) Babbage Turing von Neuman Il computer è un calcolatore digitale programmabile dotato di memoria dati e programmi risiedono in memoria 1

2 La memoria principale Fornisce la capacità di memorizzare le informazioni (i dati e i programmi) Può essere vista come una lunga sequenza di componenti elementari, ognuna delle quali può contenere un unità di informazione (un bit) Le componenti elementari della memoria sono aggregate tra di loro e formano strutture complesse dette celle che possono contenere otto bit (un byte) La memoria può essere vista come una sequenza di celle N La memoria principale Ciascuna cella è caratterizzata da un indirizzo Gli indirizzi corrispondono all ordinamento delle celle nella sequenza Gli indirizzi sono numeri interi (partono da 0) Gli indirizzi non sono scritti da nessuna parte, sono determinati dall ordinamento consecutivo Un altro nome con cui viene indicata la memoria principale è memoria RAM (Random Access Memory) Questa definizione indica che il tempo di accesso ad una cella è lo stesso indipendentemente dalla posizione della cella Le operazioni che un Processore può effettuare sulla memoria sono le operazioni di lettura e scrittura di informazioni nelle celle L indirizzo di una cella è un numero intero e quindi lo si può codificare in binario Il numero di celle di memoria determina il numero di bit necessari a rappresentare l indirizzo Viceversa il numero di bit destinati all indirizzo determina il numero di celle indirizzabili questo numero viene chiamato Spazio di indirizzamento Dimensioni della Memoria Le dimensioni della memoria principale variano a seconda del tipo di computer Nei computer attuali le dimensioni tipiche della memoria principale vanno da 128MB a 2GB (1MB = 2 20 byte ~ byte, 1GB = 2 30 byte ~ byte) 2

3 Spazio di indirizzamento Nei computer attuali lo spazio di indirizzamento è di almeno 32 bit, con cui si possono indirizzare 2 32 byte = 4GB Lo spazio di indirizzamento è maggiore della memoria esistente Parola di memoria Una parola di memoria è, a seconda del tipo di computer, un aggregato di (due) quattro o otto byte, sul quale si può operare (leggere e scrivere) come su un blocco unico Per eseguire le operazioni di lettura e scrittura sulla memoria, si deve specificare l indirizzo della parola su cui si vuole operare Gli indirizzi delle parole devono essere multipli del numero di celle (byte) che le compongono Indirizzamento La cella è l unità minima di memoria indirizzabile, non sono indirizzabili i singoli bit La parola è l unità massima di memoria che è possibile leggere e scrivere in un colpo solo (mediante un unica istruzione) La memoria è caratterizzata dal tempo di accesso (tempo necessario per leggere o scrivere un informazione in una parola) Le memorie principali dei computer attuali sono molto veloci e i loro tempi di accesso sono di pochi nanosecondi (1 nanosecondo= 10-9 sec, un miliardesimo di secondo) Le memorie principali sono relativamente costose, (128MB costano qualche decina di euro) La memoria principale perde ogni suo contenuto quando si interrompe l alimentazione elettrica. Questa caratteristica viene chiamata volatilità È quindi necessario per conservare le informazioni (programmi e dati) avere altri tipi di memoria (memoria secondaria) che conservano il contenuto anche senza alimentazione elettrica Memoria Cache Memoria molto veloce intermedia tra RAM e CPU i dati di uso piu frequente sono mantenuti nella memoria Cache per minimizzare i trasferimenti tra RAM e CPU Principio di Localita alla base dell architettura con cache: Localita spaziale: il processore utilizza con alta probabilita dati che risiedono in locazioni di memoria contigue Localita temporale: se il processore utilizza un dato in memoria, e altamente probabile che lo riutilizzi nuovamente in breve tempo 3

4 Riassunto caratteristiche Memoria RAM La memoria RAM è: veloce (accesso nell ordine dei nanosecondi) relativamente costosa ha dimensioni limitate è volatile (non può mantenere dati permanenti è ad accesso diretto (si può accedere a qualsiasi cella senza accedere alle altre) Il Processore Il processore è la componente dell unità centrale che elabora le informazioni contenute nella memoria principale L elaborazione avviene eseguendo sequenze di istruzioni (istruzioni macchina) Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni viene chiamato linguaggio macchina Il ruolo del processore è quindi quello di eseguire programmi in linguaggio macchina Unità di Controllo Unità Aritmetico- Logica Componenti di un processore Bus Interno REGISTRI Program Counter (PC) Registro di Stato (PS) Registro Istruzioni (RI) Registri Generali (16 o 64) Registro Indirizzi Memoria (RIM) Registro Dati Memoria (RDM) Registro di Controllo (RC) L unità di controllo L Unità di Controllo (UC) si occupa di coordinare le diverse attività che vengono svolte all interno del processore Il processore svolge la sua attività in modo ciclico: ad ogni ciclo corrisponde generalmente l esecuzione di una istruzione macchina Ad ogni ciclo vengono svolte diverse attività controllate e coordinate dalla UC si legge dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire si decodifica l istruzione letta si esegue l istruzione La frequenza con cui vengono eseguiti i cicli di esecuzione è scandita da una componente detta clock Ad ogni impulso di clock la UC esegue una istruzione macchina La velocità di elaborazione di un processore dipende dalla frequenza del suo clock I processori attuali hanno frequenze di clock dell ordine di 1-3 GHerz (1-3 miliardi di impulsi al secondo) Il Processore: i registri Il processore contiene al suo interno un certo numero di registri: unità di memoria estremamente veloci per memorizzare i dati di uso immediato Le dimensioni di un registro sono tipicamente quelle di una parola di memoria (ad esempio 4 o 8 byte) 4

5 I registri speciali Esistono due tipi di registri: i registri speciali utilizzati dalla UC per scopi particolari: controllo dell esecuzione del programma scambio di dati con la memoria centrale i registri generali utilizzati per contenere dati e risultati di operazioni aritmetiche o logiche PC: program counter, contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire RI: registro istruzioni, contiene l istruzione in esecuzione RS: registro di stato, informazione sullo stato dell esecuzione e possibili errori RC: registro di controllo, contiene il codice dell operazione da eseguire Registri di collegamento con la memoria Formato delle instruzioni RDM: registro dati memoria, contiene il dato da trasferire in o dalla cella di memoria in esame RIM: registro indirizzi di memoria, contiene l indirizzo di memoria della cella (parola) in esame Il registro RDM accede direttamente (senza esaminare altre celle) alla cella il cui indirizzo e specificato dal registro RIM 100 Codice op. Argomento1 Argomento2 Formato istruzione (esempio) Gli argomenti possono essere indirizzi Contenuto della memoria principale Il ciclo di esecuzione di un programma k cod. op.mem. Ind1/Reg1 Ind2/Reg2 istr. lettura (load)/scrittura (store) in memoria-registri cod. op. reg. Reg1 istr. per operazione tra due registri Reg2 dato, ad esempio: numero rappr.con segno, esponente e mantissa inizio RS:= start PC:= ind. 1 a istr. RS = stop? si fine no RI:= istr ind. in PC PC:=PC+1 RC:= cod. istr. in RI esegui istruzione 5

6 Supporto alla ALU Tipi di processori Per operazioni con Floating Point ci puo essere accanto alla ALU: Un modulo interno alla CPU per operazioni con i floating point (FPU) Oppure Un processore addizionale specifico chiamato coprocessore matematico Processori CISC (Complex Instruction Set Computer) il linguaggio macchina ha molte istruzioni piuttosto complesse (piu lente da eseguire possono richiedere piu cicli di clock) Esempio Pentium, Macintosh Processori RISC (Reduced Instruction Set Computer) Il linguaggio macchina ha poche istruzioni molto semplici (piu veloci da eseguire, eseguite in un unico ciclo di clock) Esempio Macintosh PowerPC Le unità di ingresso/uscita (Input/Output) Le unità di ingresso/uscita (anche dette periferiche), permettono di realizzare l'interazione tra il computer e l'ambiente (compreso l'utente umano) La loro funzione primaria è quella di consentire l'immissione dei dati all'interno dell'elaboratore (ingresso), o l'uscita dei dati dall'elaboratore (uscita) Solitamente hanno un autonomia limitata rispetto al processore centrale (sono completamente controllati e coordinati dal processore) Il controller Ogni dispositivo di I/O è collegato ad un dispositivo elettronico (il CONTROLLER) che gestisce il coordinamento tra processore, memoria e dispositivo in modo da garantire il corretto trasferimento di dati Il controller è parte del computer, non del dispositivo Lo stesso vale per i dispositivi di memoria secondaria Collegamento con perficeriche I/O (esterne esempio stampante) controller computer CAVO dispositivo (es. stampante) Dati e segnali di controllo Architettura aperta e flessibile Il computer deve essere espandibile e configurabile a seconda delle esigenze dell utente L architettura deve avere la massima compatibilita rispetto all hardware esistente (anche per ragioni commerciali) 6

7 Unità di I/O Unità di ingresso (input) tastiera mouse (dispositivi di puntamento) scanner (OCR riconoscitori di caratteri) altri (fotocamere, sensori, lettori di codice a barre, microfono) Unità di uscita (output) video stampante casse Schede audio (Sound blaster) La Tastiera La tastiera è il principale dispositivo di input I tasti possono essere così raggruppati : tasti alfanumerici; tasti speciali (il tasto ENTER, il tasto BACK SPACE); frecce direzionali; tasti funzione A: tasti funzione B: tasti di spostamento nel testo C: indicatori luminosi D,E: scorciatoie e applicazioni F: frecce di movimento G: tastierino numerico La tastiera non ha capacità di elaborazione, l'unica cosa che è in grado di fare è di avvertire (interrupt) il processore ogni volta che un carattere è disponibile in ingresso, Il carattere viene depositato in una memoria temporanea (buffer) e i dati raccolti nella memoria temporanea vengono poi inviati al programma cui erano destinati La tastiera è un dispositivo di ingresso cieco, nel senso che l'utente non può vedere i dati immessi nel calcolatore E compito del processore riprodurre sul video tutte le informazioni fornite in ingresso tramite la tastiera. La tastiera e il video non sono pero direttamente collegati tra loro. Dispositivi di puntamento: Il mouse Oggi quasi tutti i computer hanno un dispositivo di puntamento: il mouse Una freccia indica la posizione del mouse sul video e lo spostamento del mouse sul tavolo viene comunicato al processore, che produce lo spostamento corrispondente della freccia sul video Una volta raggiunta la posizione desiderata, premendo uno dei pulsanti del mouse si genera un segnale che può corrispondere a diverse funzioni Ci sono vari tipi di mouse, meccanici e ottici altri dispositivi di puntamento, trackball, tavolette grafiche, schermi sensibili (touchscreen), joystick 7

8 Dal punto di vista Il fisico, video un video può essere visto come una matrice di punti illuminati con diversa intensità Ogni punto sullo schermo è un pixel e un'immagine viene composta accendendo o spegnendo i pixel sullo schermo Oggi sono comuni video con un numero di colori che va da 256 fino a 16 milioni (profondità di colore) Parametri del video Risoluzione: nei personal sono oggi comuni video con risoluzioni che vanno da 640X480 fino a 4096X3300 pixel (altissima risoluzione) Dot-pitch: Parametro correlato, è la distanza tra due pixel: più è piccola più l immagine è nitida Frequenza di refresh: (refresh rate) che indica la frequenza con cui le immagini sono ridisegnate sullo schermo. (Frequenze dai 70Hz garantiscono un immagine stabile senza tremolio) Standard del video VGA (Video Graphic Arrays) 640x 480 colori a 8 bit (256 colori) SVGA (Super VGA) 600x800 fino a 24 bit (16 milioni di colori) XGA (Extended Graphic Arrays) 1024x 768 fino a 24 bit (16 milioni di colori) Hardware specifico L immagine (codificata) che vediamo sul video, viene memorizzata in una memoria specializzata detta MEMORIA VIDEO (VRAM) che è parte della scheda video. L animazione e la grafica 3D richiedono inoltre una quantità enorme di dati che devono essere trasferiti ed elaborati per la visualizzazione Nei computer attuali è presente spesso un processore autonomo che gestisce l elaborazione grafica in modo da sgravare la CPU (Acceleratore grafico) La dimensione di un video viene misurata in pollici e fa riferimento alla lunghezza della diagonale Ad esempio, quando si parla di un video a 14 pollici, indicati come 14", si intende un video con una diagonale lunga 14 pollici C è un rapporto ottimale tra dimensioni del video e risoluzione, non necessariamente una risoluzione elevata è adatta a video di piccole dimensioni Tipi di video CRT (Raggi catodici) come i televisori LCD (Cristalli liquidi) a matrice attiva a matrice passiva (vecchio) PDP (Plasma) 8

9 La stampante I Parametri di valutazione delle prestazioni di una stampante sono: La velocità di stampa, che viene solitamente misurata in pagine al minuto (ppm), o linee al minuto (lpm) o in caratteri al secondo (cps), la risoluzione (qualità) di stampa, che indica quanto precisa è la riproduzione e si misura in punti per pollice (dpi= dots per inch) Esistono diversi tipi di stampanti; i più comuni sono: Stampanti ad aghi Stampanti a getto di inchiostro Stampanti laser Stampanti ad aghi (obsolete) Il simbolo da stampare è determinato da una matrice di aghi da cui esce l inchiostro La forma del simbolo da stampare è determinata dagli aghi sporgenti che vengono a contatto con la carta Qualità di stampa mediocre, stampanti economiche, usate ancora per moduli continui, copie carbone, stampa multipla Risoluzione ~ dpi Velocità < 20 ppm Stampanti a getto di inchiostro La stampa è determinata da inchiostro liquido spruzzato sulla carta da ugelli molto piccoli contenuti in una testina Mediante la magnetizzazione dell inchiostro è possibile controllare la sua distribuzione sulla carta Qualità buona, stampanti economiche, costo elevato dell inchiostro, facile usura Risoluzione ~600dpi Velocità <6 ppm Stampanti laser Procedimento simile a quello di una fotocopiatrice: L inchiostro solido viene fissato sulla carta mediante riscaldamento facendo passare il foglio di carta su un tamburo rivestito di materiale fotovoltaico I punti del tamburo sono caricati elettricamente mediante un fascio laser di dimensioni molto ridotte I punti caricati elettricamente attraggono particelle di inchiostro qualità elevata di stampa costi relativamente alti Risoluzione ~ dpi, velocità <30 ppm Altri dispositivi di ingresso/uscita Scanner (I) bitmap/ocr Lettori di codici a barre (I) Modem (I/O) Microfono (I) Altoparlanti - Schede audio (O) (Sound blaster) Plotter (O) (usati per disegni tecnici di grandi dimensioni... Sensori e strumenti di varia natura 9