Agent and Object Technology Lab Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Università degli Studi di Parma. Fondamenti di Informatica.

Transcript

1 Agent and Object Technology Lab Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Università degli Studi di Parma Fondamenti di Informatica Calcolatore Michele Tomaiuolo

2 Calcolatore Un calcolatore è una macchina in grado di elaborare e memorizzare automaticamente informazioni Un calcolatore può elaborare informazioni rappresentate in un formato detto digitale La caratteristica fondamentale di un calcolatore è quella di essere una macchina programmabile 2

3 Calcolatore Il comportamento di un calcolatore segue queste tre fasi: 1. Legge un insieme di informazioni (dati di input) 2. Elabora queste informazioni attraverso un insieme di istruzioni (programma) 3. Restituisce le informazioni risultato dell elaborazione (dati di uscita) 3

4 Schema di un personal computer ALIMENTATORE MEMORIA FLOPPY DISK HARD DISK CD ROM / DVD CPU SCHEDA AUDIO SCHEDA VIDEO CABINET SCHEDA MADRE 4

5 Architettura di un calcolatore 5

6 Macchina di Von Neumann Unità di Controllo (CU) Ingresso (Input) Memoria Centrale Uscita (Output) Unità aritmetica (ALU) 6

7 Esempio di scheda madre 7

8 Northbridge e southbridge ~ 2-4 GB/s ~ 100 MB/s 8

9 CPU La CPU (Central Processing Unit) è il cervello del calcolatore: Esegue i programmi contenuti nel calcolatore Comanda le altre parti del calcolatore La CPU è composta da due parti: La CU (Control Unit) esegue le istruzioni, comanda le altre parti della CPU e controlla il flusso delle operazioni tra CPU e memoria L ALU (Arithmetic Logical Unit) esegue le operazioni aritmetiche, le operazioni logiche e i confronti tra dati 9

10 CPU Indirizzo prox istruzione Stato CPU Flag: C, Z, S, V Registro contatore di programma (PC) Registro interruzioni (INTR) Registro di stato (SR) A B Unità aritmetico logica (ALU) Operazioni aritmetiche e logiche Registri operandi Registro istruzione corrente (CIR) Registri generali Istruzione in elaborazione Sincronizzazione Registro dati (DR) Parola letta/da scrivere in memoria Clock Registro indirizzi (AR) Unità di controllo (CU) Indirizzo cella memoria Controllo: -Prelievo -Decodifica -Esecuzione 10

11 CPU Il funzionamento della CPU è dato dal seguente ciclo macchina: 1. Caricamento: la CU preleva l istruzione dalla locazione di memoria indirizzata dal valore nel registro PC (Program Counter) e la memorizza in IR (Instruction Register) 2. Decodifica: la CU interpreta l istruzione ed eventualmente trasferisce dalla memoria i dati necessari alla sua esecuzione 3. Esecuzione: la CU comanda le parti 4. Memorizzazione: i risultati dell operazione vengono memorizzati nella memoria centrale o in registri della CPU 11

12 Lettura dalla memoria h = 16 bit Parola (word) 0 1 Registro indir. (AR) k = 10 bit store load Registro dati (DR) h = 16 bit Indirizzo cella Spazio di indirizzamento 2 10 = Dato da leggere/scrivere 12

13 Sequenza di lettura Passo 3 PC INTR CIR SR A B Ck ALU CU 0 Passo 1 Passo DR 42 AR READ OK 13

14 Sequenza di scrittura Passo 2 PC INTR CIR SR A B Ck ALU CU 0 Passo 1 Passo Passo 4 DR 70 AR WRITE OK 14

15 Fetch delle istruzioni Passo 1 0 Memoria centrale (MM) Passo 2 PC Passo 4 AR DR Passo 3 CIR

16 Interpretazione delle istruzioni CIR Codice operativo 0100 = leggi da input 16

17 Esecuzione delle istruzioni Indirizzo operando = cella 16 0 Memoria centrale (MM) Passo 3 CIR Passo 1 AR Passo 2 DR Valore di a letto dall input (es. 4127) PDR Peripheral Data Reg. 17

18 Set di istruzioni Il set di istruzioni definisce il linguaggio comprensibile dalla CPU Questo linguaggio viene chiamato linguaggio macchina I programmi eseguibili dalla CPU sono sequenze di istruzioni in linguaggio macchina Le istruzioni del linguaggio macchina sono molto semplici Istruzioni di lettura e scrittura nella memoria centrale Istruzioni aritmetiche Istruzioni di salto ad una certa istruzione del programma 18

19 CISC vs RISC Le CPU si distinguono in base al tipo di set di istruzioni: CISC (Complex Instruction Set Computer) RISC (Reduced Instruction Set Computer) La prestazioni di una CPU sono misurate dal numero di istruzioni eseguite al secondo L unità di misura adottata è il MIPS 19

20 Esempio di programma (READ) (STORE) (LOAD=) (STORE) (LOAD) (BEQ) (READ) (ADD) (STORE) (LOAD) (SUB=) (STORE) (BR) (LOAD) (WRITE) (END) 20

21 Prestazioni CPU La CPU è costituita da un microprocessore le cui capacità possono essere stimate da: Numero di transistor Frequenza di clock Più grande è il numero di transistor del processore più complesse sono le operazioni eseguibili a parità di tempo Il clock è il segnale che cadenza l esecuzione delle singole istruzioni Quindi più alta è la frequenza di clock più operazioni sono eseguite a parità di tempo 21

22 Memoria centrale L informazione è memorizzata per mezzo di dispositivi elettronici Ogni dispositivo deve poter rappresentare i due possibili stati dell informazione binaria Un interruttore che può essere aperto oppure chiuso Un condensatore che può essere carico oppure scarico La memoria è organizzata in una sequenza logica di locazioni, ognuna delle quali: Individuata da un indirizzo Contenente un byte di informazione 22

23 Memoria centrale La capacità di una memoria si misura in byte K (kilo) M (mega) G (giga) T (tera) Il tempo di accesso di una locazione di memoria e dell ordine delle decine di nanosecondi 23

24 Memoria centrale La memoria centrale di un calcolatore contiene tre tipi di memoria elettronica: RAM Riscrivibile Casuale Volatile ROM Non riscrivibile Casuale Non volatile Cache 24

25 Unità periferiche Le unità periferiche permettono al calcolatore: La comunicazione con il mondo esterno Il mantenimento di grandi quantità di informazioni non gestibili dalla memoria centrale Le unità periferiche si dividono in tre classi: Input Output Input/Output 25

26 Unità di input Le unità di input permettono al calcolatore di ricevere informazioni dal mondo esterno Sono basate su: Trasduttori (posizione, temperatura, pressione, luminosità, ) Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità, ) Le principali periferiche di input sono: Tastiera, mouse, scanner, microfono, telecamera, CD- ROM, DVD, 26

27 Unità di output Le unità di output permettono al calcolatore di inviare informazioni al mondo esterno Sono basate su: Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità, ) Attuatori (trasformano il segnale elettrico digitale in: posizione, temperatura, pressione, luminosità, ) Le principali periferiche di output sono: Monitor, stampante, casse acustiche, 27

28 Unità di input/output Le unità di input/output possono essere utilizzate indipendentemente come ingresso e uscita Le principali periferiche di input/output sono: Hard-disk, floppy disk, CD-RW, tape, Le unità di input/output e le due unità di input CD- ROM e DVD vengono anche indicate come memorie di massa 28

29 Dischi magnetici I dischi magnetici usano la polarizzazione di un materiale ferromagnetico (ossido di ferro) depositato su un supporto inerte Riscrivibili Non volatili TESTINA FACCIA TRACCIA CILINDRO SETTORE 29

30 Tempo di accesso Il tempo per accedere ai dati di un settore non è costante, ma è relativamente basso (ordine della decina di millisecondi) Tempo di seek (posizionamento sul cilindro) Tempo di assestamento (posizione stabile) Tempo di latenza (posizionamento sul settore) Tempo di trasferimento (scrittura o lettura dei dati) 30

31 Dischi fissi e removibili Gli hard disk sono più veloci dei floppy disk: Si mantengono sempre in rotazione Possono ruotare a velocità più elevate in quanto le testine non sono a contatto con la superficie dei dischi 31

32 Formattazione La superficie originaria di un disco magnetico è una superficie completamente smagnetizzata L operazione di formattazione inizializza un disco magnetico rendendolo capace di memorizzare dati Formattazione fisica inserisce sul disco tutte le informazione necessarie per individuare le tracce ed i settori Formattazione logica organizza lo spazio fisico (i settori) del disco in archivi (il cosiddetto file system) Crea tabelle contenenti informazioni relative agli archivi La formattazione logica è legata al sistema operativo con cui si lavora (ogni sistema operativo ha un proprio file system) L operazione di formattazione è un operazione distruttiva 32

33 Interfacce Le periferiche di diversi costruttori devono essere intercambiabili, senza richiedere parti hardware differenti sul calcolatore Calcolatore Interfaccia Standard Connessione Interfaccia Standard Periferica 33

34 Interfacce ATA (Advanced Technology Attachment) Anche IDE (Integrated Drive Electronics) Fino a due hard disk SCSI (Small Computer System Interface) Si possono collegare più unità periferiche di vario tipo Le unità SCSI possono scambiarsi i dati direttamente, senza passare attraverso la CPU Fino a 16 unità periferiche SATA (Serial ATA) 150 MB/s, cavo compatto 34

35 Interfacce Interfaccia parallela (Centronics) Usata in genere per le stampanti Permette la trasmissione di una sequenza di byte in parallelo su otto linee Interfaccia seriale (RS-232) Usato in genere per dispositivi lenti come il mouse Permette la trasmissione di una sequenza di bit su di un unica linea Interfaccia USB (Universal Serial Bus) 480 Mbps (in realtà ~ 30 MB/s) 35