I L C O M P U T E R A R C H I T E T T U R A D I U N C O M P U T E R ( U n i t à 1 )

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1 Indice I L C O M P U T E R A R C H I T E T T U R A D I U N C O M P U T E R ( U n i t à 1 ) 1. Principio di Funzionamento di un Computer 1.1. Struttura di un Computer Rappresentazione della I Registri della 1.2. La Funzione del Computer 2. I Principali Componenti di un Computer 2.1. La 2.2. I Dispositivi di 2.. Il Microprocessore. Altri Importanti Componenti.1. Le Schede di Interfaccia.2. I Bus di Espansione.. Interrupt e Polling.4. DMA

2 1 Principio di Funzionamento di un Computer 1.1 Struttura di un Computer Figura 1 Il computer può essere visto come una potente calcolatrice. Esso è costituito da (fig.1): Una (Central Processing Unit, cioè Unità di Elaborazione Centrale), detta anche microprocessore (µp), la cui funzione è quella di elaborare (cioè spostare e/o calcolare) i dati. Essa elabora solo numeri binari, ed effettua su di essi operazioni elementari come: Spostamento Dati (da e verso e Dispositivi di ). Calcolo (Somma, Sottrazione, AND, OR, XOR, NOT, ecc.). La contenente il programma, cioè l insieme dei comandi che la deve eseguire, ed i dati sui quali eseguirli (Un esempio di memoria è dato dalla RAM). Più Dispositivi di Input/Output () tramite i quali la può ricevere (Input) dati dal mondo esterno e trasmettere (Output) dati verso di esso (Un esempio di Input è dato dalla Tastiera e di Output è invece dato dal Monitor) Rappresentazione della memoria La memoria di un computer può essere immaginata come in fig.2. Essa è suddivisa in Locazioni di, rappresentate dai rettangoli, ognuna delle quali può contenere un singolo comando (o istruzione) oppure un dato sottoforma numerica. Al fine di poter individuare una singola locazione di memoria tra tutte quelle a disposizione, si fa uso di un numero associato ad ognuna di esse detto Indirizzo di. La locazione d inizio del programma (cioè la locazione a partire dalla quale la inizierà a leggere il programma) può essere scelta dal programmatore, oppure può essere già fissata dal computer, dipende dal tipo di computer che si sta utilizzando. Una voltà partita l esecuzione del programma, la eseguirà le istruzioni una alla volta, leggendole dall alto verso il basso (cioè incrementando ogni volta di uno l indirizzo della locazione letta). La suddivisione della memoria in: Area Programma, cioè l area in cui viene memorizzato il programma. Area Dati. cioè l area in cui vengono conservati i dati. è fatta in modo arbitrario dal programmatore. L unica cosa a cui il programmatore deve stare attento è evitare che per errore in una stessa locazione possano finire contemporaneamente istruzioni e dati. 2

3 Indirizzo di Programma Dati M E M O R I A Figura 2 Locazione di I Registri della L unica memoria che comunica direttamente con la è la Cache. Si tratta di un tipo di memoria particolarmente veloce che è posta sulla stessa piastrina di silicio della ma è separata da essa (fig.). Se però ogni sottocircuito che costituisce la (Somma, Sottrazione, And, Or, Not, ecc.) dovesse comunicare con ogni locazione presente nella Cache servirebbero un enorme quantità di fili di collegamento. Per evitare ciò si fa uso di poche locazioni di memoria (da 1 a 10), realizzate con Flip-Flop, molto veloci poste dentro la, le quali vengono chiamate registri. Ogni sottocircuito comunica solamente con i registri. Ed i registri comunicano con la Cache. In questo modo il numero di fili di collegamento viene ridotto drasticamente. Somma Sottrazione And Or Not Sottocircuiti CHIP Registri A X Y CACHE Figura I registri, a differenza delle altre memorie presenti in un computer, non sono individuati con un indirizzo numerico, bensì con una lettera: A, B, C, W, X, Y, ecc. Queste particolari memorie vengono utilizzate dalla come delle mani, cioè per prendere momentaneamente dei dati in modo da poterli manipolare.

4 1.2 La Funzione del Computer Per mostrare il modo di lavorare di un computer vediamo come la esegue, istruzione dopo istruzione, alcuni programmi memorizzati nella memoria del computer. (a) Visualizzazione su monitor del contenuto della locazione Sposta Contenuto Locazione 10 in Registro A M E M O R I A Sposta il Contenuto del Registro A nel Monitor Fine Programma (a) Programma Dati Figura 4 (1) C P U A X Y (b) (2) Quando la esegue il programma effettua operazioni dei seguenti tipi (sono anche indicate in blu in figura): 1. Sposta il Contenuto della Locazione 10 in Registro A. Si tratta di un operazione di Spostamento dalla Locazione 10 () al Registro A (). 2. Sposta il Contenuto del Registro A nel Monitor. Si tratta di un operazione di Spostamento dal Registro A () al Monitor (Dispositivo di Output).. Fine Programma. La comprende che il programma è finito e ne interrompe l esecuzione. 4

5 (b) Memorizzazione, nella locazione 11, di un numero prelevato da tastiera Sposta da Tastiera a Registro A M E M O R I A Sposta da Registro A a Locazione 11 Fine Programma (a) Programma Dati Figura (2) C P U A X Y (b) (1) Quando la esegue il programma effettua operazioni dei seguenti tipi (sono anche indicate in blu in figura): 1. Sposta da Tastiera a Registro A. Si tratta di un operazione di Spostamento da Tastiera (Dispositivo di Input) a Registro A (). 2. Sposta da Registro A a Locazione 11. Si tratta di un operazione di Spostamento dal Registro A () alla Locazione 11 ().. Fine Programma. La comprende che il programma è finito e ne interrompe l esecuzione.

6 (c) Somma dei numeri contenuti nelle locazioni 10 e 11 e visualizzazione del risultato su stampante Sposta da Locazione 10 a Registro A M E M O R I A Sposta da Locazione 11 a Registro X Somma Registri A e X con Risultato nel Registro Y Sposta da Registro Y a Stampante Fine Programma (a) Programma Dati Figura 6 Quando la esegue il programma effettua operazioni dei seguenti tipi (sono anche indicate in blu in figura): 1. Sposta da Locazione 10 a Registro A. Si tratta di un operazione di Spostamento dalla Locazione 10 () al Registro A (). 2. Sposta da Locazione 11 a Registro X. Si tratta di un operazione di Spostamento dalla Locazione 11 () al Registro X ().. Somma da Registri A e X con Risultato nel Registro Y. Si tratta di un operazione di Calcolo (). 4. Sposta da Registro Y a Stampante. Si tratta di un operazione di Spostamento dal Registro Y () a Stampante (Dispositivo di Output).. Fine Programma. La comprende che il programma è finito e ne interrompe l esecuzione. (1-2) () C P U A X Y (b) (4) 6

7 (d) Sottrazione dei numeri presi da tastiera e memorizzazione del risultato nella locazione Sposta da Tastiera a Registro A M E M O R I A Sposta da Tastiera a Registro X Sottrazione Registri A e X con Risultato nel Registro Y Sposta da Registro Y a Locazione 10 Fine Programma (a) Programma Dati Figura Quando la esegue il programma effettua operazioni dei seguenti tipi (sono anche indicate in blu in figura): 1. Sposta da Tastiera a Registro A. Si tratta di un operazione di Spostamento da Tastiera (Dispositivo di Input) al Registro A (). 2. Sposta da Tastiera a Registro X. Si tratta di un operazione di Spostamento da Tastiera (Dispositivo di Input) al Registro X ().. Sottrazione da Registri A e X con Risultato nel Registro Y. Si tratta di un operazione di Calcolo (). 4. Sposta da Registro Y alla Locazione 10. Si tratta di un operazione di Spostamento dal Registro Y () alla Locazione 10 ().. Fine Programma. La comprende che il programma è finito e ne interrompe l esecuzione. (4) () C P U A X Y (b) (1-2) Riassumendo perciò le funzioni della sono: Trasferimento dati (da e verso Memorie e Dispositivi di ). Calcolo (Somma, Sottrazione, Moltiplicazione, Divisione, NOT, AND, OR, XOR, ecc.)

8 2 I Principali Componenti di un Computer 2.1 La Centrale Cache RAM ROM di Massa Hard Disk Floppy Disk CD e DVD PenDrive Figura 8 La di un computer può essere suddivisa, in funzione della sua distanza dalla e dalla sua capacità, in (fig.8): Centrale, che si chiama così perché è posta molto vicino al centro del computer: la. Essa si trova sulla scheda madre, cioè sulla scheda su cui è montata la, o addirittura sullo stesso integrato sul quale è realizzata la stessa. di Massa, che si chiama così perché può contenere grandi quantità di dati. Essa inoltre si trova più distante dalla : nel case, cioè il contenitore dentro il quale è assemblato il computer, o anche all esterno di esso. Ed anche in base alla sua capacità di mantenere i dati a computer spento: Volatile, si chiama così perché quando il computer viene spento, i dati in essa memorizzati vengono persi (cioè volano via). Non Volatile, si chiama così perché quando il computer viene spento, i dati in essa memorizzati non vengono persi (cioè non volano via). La Centrale è costituita da: Cache o Ha la stessa velocità della o E l unica memoria che comunica direttamente con la o Contiene i frammenti di programma ed i dati utilizzati più di frequente. RAM o E - volte più lenta della Cache o Contiene i frammenti di programma ed i dati utilizzati meno di frequente. ROM o E posizionata nella scheda madre (è un grande chip rettangolare ben visibile). o Contiene il programma di avvio del computer (BIOS) (*). La di Massa è costituita da: Hard Disk o E la memoria di maggiori dimensioni presente nel computer. o Contiene i programmi ed i dati al momento non utilizzati. Floppy Disk o Oggi è poco usato a causa delle sue piccole dimensioni. o Contiene programmi e dati da conservare. CD e DVD o Verranno quanto prima sostituite dai Blue Ray. o Contiene programmi e dati da conservare. 8

9 PenDrive: lente e di medie dimensioni (da 128 MBytes a 2 GBytes). Sono realizzate con memorie Flash. o E realizzata con memorie Flash. o Contiene quei programmi e dati che vogliamo portare con noi. Nella tab.1 sono riassunti altri importanti informazioni riguardanti le memorie di un computer. Tipo Posizione Velocità Capacità Centrale Cache Volatile Molto Veloce < 2 MBytes RAM Volatile Scheda Madre Veloce < 4 GBytes ROM Non Volatile Scheda Madre Molto Veloce 1 KBytes 16 MBytes di Massa Hard Disk Non Volatile Case o Esterna Lento < 2 TBytes Floppy Disk Non Volatile Case o Esterna Molto Lento 1.44 MBytes CD Non Volatile Case o Esterna Molto Lento MBytes DVD Non Volatile Case o Esterna Molto Lento GBytes PenDrive Non Volatile Esterna Lento 128 Mbytes 2 GBytes Tabella 1 (*) Avvio del Computer e BIOS Al momento dell accensione il primo programma che si vorrebbe eseguire è il sistema operativo (Windows, Linux, Unix o altro) il quale è memorizzato nell Hard Disk, o in casi particolari in un Floppy, CD, DVD o PenDrive. Purtroppo però la all accensione riesce a comunicare direttamente solo con la memoria centrale (Cache, RAM e ROM). Per comunicare con le restanti memorie e con i dispositivi di la ha bisogno di un certo numero di sottoprogrammi che le spiegano passo passo come fare. L insieme dei sottoprogrammi che consentono alla di comunicare con Hard Disk, Floppy Disk, CD, DVD, Monitor e Tastiera prendono il nome di BIOS (Basic System, cioè Sistema di sottoprogrammi di di Base), e sono memorizzati nell unico tipo di memoria centrale che non perde le informazioni quando il computer viene spento, la ROM. 9

10 I Dispositivi di Centrale Cache RAM ROM di Massa Hard Disk Floppy Disk CD e DVD PenDrive Out In Input Tastiera Mouse Joystick Microfono WebCam Scanner Output Monitor Videoproiettore Stampante Altoparlanti Input/Output Figura 9 Cuffia con Microfono I Dispositivi di possono essere suddivisi in (fig.9): Dispositivi di Input: portano dentro il computer i dati provenienti dal mondo esterno, mettendoli a disposizione della. Il termine inglese Input significa appunto Portare Dentro. Dispositivi di Output: portano fuori dal computer i dati prodotti dalla, consentendo all utente di fruirne. Il termine inglese Output significa appunto Portare Fuori. Dispositivi di Input/Output: effettuano entrambe le operazioni precedenti. 2.2 Il Microprocessore Il Microprocessore è in grado di elaborare (spostare e/o manipolare) solo numeri binari. Le operazioni che può effettuare su di essi sono molteplici ed il loro numero varia da microprocessore a microprocessore. Tra le principali ci sono: Spostamento Dati o Da e Verso la. - Lettura di Dati: cioè Spostamento Dati dalla ai Registri Interni della. - Scrittura di Dati: cioè Spostamento Dati dai Registri Interni della alla. o Da e Verso i Dispositivi di. - Ricezione di Dati: cioè Spostamento Dati da un Dispositivo di Input (ad es. dalla Tastiera) ai Registri Interni della. - Invio di Dati: cioè Spostamento Dati dai Registri Interni della ad un Dispositivo di Output (ad es. al Monitor). Manipolazione Dati o Operazioni Logiche: AND, OR, XOR e NOT. o Operazione Matematiche. - Somma Binaria - Sottrazione Binaria - Moltiplicazione Binaria (solo nei micoroprocessori più potenti) - Divisione Binaria (solo nei micoroprocessori più potenti) Definizione di Programma Poiché il processore non può eseguire le operazioni descritte sopra autonomamente, è necessario che gli venga fornita la sequenza ordinata delle operazioni (dette anche comandi o istruzioni), e gli venga ordinato di eseguirle. Tale sequenza è conservata in memoria e prende il nome di Programma. 10

11 Altri Importanti Componenti.1 Le Schede di Interfaccia I vari tipi di memoria, così come i dispositivi di non possono essere connessi direttamente alla poiché non sono capaci di comunicare direttamente con essa. A tale scopo è necessario utilizzare dei particolari dispositivi detti di interfaccia la cui funzione è quella di consentire la comunicazione tra la ed i dispositivi, di memoria e di (fig.10). Interfaccia Interfaccia Figura 10 Ogni interfaccia è suddivisa in due parti: Una parte hardware, cioè un circuito, che può essere costituito da: o Un singolo chip posto sulla scheda madre. o Una scheda che va inserita sugli appositi slots presenti nella scheda madre. Una parte software, cioè un programma, chiamato driver. Tra le tante schede di interfaccia possiamo ricordare: Scheda grafica: consente alla di comunicare con tutti i dispositivi video (monitor, videoproiettori, ecc.). Può essere già montata sulla scheda madre oppure può essere inserita su uno slot del Bus AGP (oggi sostituito dal PCI Express) (vedi par..2). Scheda Audio: consente alla di comunicare con dispositivi quali: altoparlanti, cuffie, microfoni. Anch essa può essere già montata sulla scheda madre oppure può essere inserita in uno slot del Bus PCI (vedi par..2). Schede PATA (Parallel ATA detta anche EIDE), SATA I e II (Serial ATA) e SCSI: consentono al computer di comunicare con Hard Disk, CD e DVD. Schede di Rete: consentono al computer di comunicare con altri computer con o senza fili. Tra le più diffuse ricordiamo Ethernet, IrDA, WiFi e BlueTooth. Modem: consente al computer di comunicare con un altro computer mediante la linea telefonica. Porte di Comunicazione: consentono al computer di comunicare con dispositivi quali Stampanti, Scanner, Hard Disk esterni, PenDrive, ecc. Le principali porte di comunicazione sono: - Porta Parallela: attraverso di essa possono viaggiare più dati in parallelo, ognuno su un diverso filo. - Porta Seriale: attraverso di essa i dati possono viaggiare uno dopo l altro attraverso un solo filo. - Porta USB: è una porta di tipo seriale. Tramite questo tipo di porta il computer può anche alimentare il dispositivo a cui è connesso purchè l assorbimento di corrente non superi i 100 ma. La memoria centrale è connessa alla mediante dispositivi di interfaccia progettati ad hoc e montati direttamente sulla scheda madre (o integrati assieme alla nello stesso chip). 11

12 Per comprendere meglio l uso delle schede di interfaccia si consideri in seguente esempio (fig.11): Scheda Video Monitor HD DVD SATA SCSI Scheda Audio Altoparlanti Microfono USB WebCam Figura 11 In questo caso alla sono state collegate due memorie di massa, un Hard Disk ed un DVD, e 4 dispositivi di, in particolare due dispositivi di input, un microfono ed una Webcam, e due dispositivi di output, un monitor e degli altoparlanti. E interessante notare che alla scheda audio sono stati connessi due dispositivi, uno di input ed uno di output. Il numero ed il tipo di dispositivi che possono essere connessi ad una scheda dipende dalla scheda stessa. 12

13 .2 Bus di Espansione Definizione di Bus Un Bus è un gruppo di fili che connettono due o più dispositivi consentendogli di comunicare tra loro. Un Bus di Espansione è un insieme di linee tramite le quali è possibile collegare, mediante opportuni connettori (detti Slot di Espansione), le schede di interfaccia alla. Esistono diversi tipi di Bus di Espansione: Il Bus PCI a cui possono essere connesse diverse schede d interfaccia. Il Bus AGP ed il più recente PCI Express sono un bus specifici per il collegamento alla di schede grafiche. PATA (EIDE), SATA e SCSI, per il collegamento di Hard Disk, Floppy Disk, lettori e masterizzatori di CD e DVD. Tramite tali bus ed i rispettivi connettori è possibile assemblare il proprio PC connettendo alla scheda madre le schede desiderate, ed in qualunque momento successivo aggiungerne di nuove e/o sostituire quelle già presenti. Infine è importante ricordare il Socket del Microprocessore che è lo zoccolo su cui è montata la. Ne esistono diversi tipi a seconda del processore utilizzato.. Interrupt e Polling Quando un dispositivo di vuole scambiare dati con la è necessario che essa si accorga di ciò. In particolare può succedere che: (Input) Un dispositivo di Input ha dei dati per la (ad es. è stato premuto un tasto e la tastiera è pronta a fornire tale informazione alla ). (Output) Un dispositivo di Output è pronto a portare all esterno i dati che la gli fornirà (ad es. una stampante condivisa tra più computer ha appena finito di stampare per un altro computer ed è ora disponibile per la nostra ). Esistono due tecniche che consentono al microprocessore di individuare i dispositivi di che vogliono scambiare dati: il Polling e l Interrupt. Polling: è il microprocessore che controlla di tanto in tanto tutti i dispositivi di per vedere se qualcuno di essi vuole scambiare dati. Interrupt: in questo caso è il dispositivo di che avverte il microprocessore (tramite un apposita linea) che vuole scambiare dati. Ogni volta che il microprocessore si accorge che un dispositivo di vuole scambiare dati, esso interrompe le operazioni in corso e si concentra sullo scambio dati..4 DMA Le operazioni di spostamento di grosse quantità dati tra memoria e dispositivi di oppure tra memoria centrale e memoria di massa sono molto frequenti ed occupano molto del tempo del microprocessore. Per ovviare a questo problema nascono le DMA (Direct Memory Access, cioè Accesso Diretto alla ) si tratta di piccoli microprocessori specializzati nel trasferimento dei dati. All interno di un computer se ne possono utilizzare diversi. In questo modo mentre le DMA si occupano del trasferimento dei dati, il microprocessore può continuare l esecuzione del programma. Il risultato finale è un computer più veloce poiché riesce a compiere più operazioni nello stesso tempo (si tratta cioè di una tecnica di parallelismo). 1