Il modello di Von Neumann

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1 Il modello di Von Neumann Appunti di STA per le classi seconde ind. informatiche Page 1

2 Il modello architetturale Per modello architetturale, si intende la descrizione delle parti del sistema e la loro locazione, la definizione dei compiti delle parti e la descrizione delle relazioni tra di esse. Il modello architetturale si divide in tre principali blocchi: il primo è definito dalle periferiche di input, il secondo si divide in due altri blocchi (la memoria centrale e la CPU, costituita a sua volta dalla ALU e dalla CU), mentre il terzo è definito dalle periferiche di output. ALU PERIFERICHE DI INPUT CU CPU PERIFERICHE DI OUTPUT MEMORIA CENTRALE Page 2

3 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale C.P.U. In un sistema di elaborazione ci sono sempre due tipi di memoria: la memoria centrale, interna al calcolatore, direttamente accessibile dalla CPU realizzata da componenti a semiconduttore la memoria secondaria o di massa, esterna al calcolatore realizzata da componenti magnetici o ottici(dischi, nastri) R.A.M. R.O.M. Disco Fisso Pen Drive CD DVD HD esterni Memoria Cache Memoria Primaria Memoria Secondaria Memoria di Archiviazione Memorie in linea Memorie fuori linea Page 3

4 Memoria principale (RAM) Perchè si chiama RAM (Random Access Memory)? Si può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro indirizzo Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso, indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza Il termine random (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono differenze nell accesso alle varie celle della memoria Page 4

5 Memoria principale (RAM) Alcune proprietà della memoria principale Veloce: per leggere/scrivere una cella ci vuole un tempo di accesso dell ordine di poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = 10-9 sec.) Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo l alimentazione si perde tutto (Relativamente) costosa Page 5

6 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale La memoria centrale è una parte del sistema di memoria illustrato precedentemente e rappresenta la memoria interna al calcolatore direttamente accessibile dalla CPU La memoria centrale mantiene: i programmi i dati necessari all'esecuzione dei programmi Page 6

7 La memoria centrale All interno del microprocessore sono presenti tre livelli di dispositivi di memoria: -i registri della CPU, dotati di grande velocità ma di limitata capacità -la memoria centrale, dotata di una media velocità e discreta capacità -le memorie di massa, dotate di una velocità molto bassa unita a una grande capacità. Page 7

8 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale E un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali dimensioni Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1) Ogni locazione è caratterizzata da un indirizzo e dal contenuto L indirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo zero Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata (parola di memoria - WORD) Page 8

9 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti viene anche detta memoria RAM (Random Access Memory) La RAM è volatile ovvero in assenza di alimentazione elettrica perde il suo contenuto Quando si spegne il computer, tutto quello che è stato caricato nella memoria RAM viene cancellato Page 9

10 Cache La cache è una memoria di piccole dimensione ed è molto veloce; essa è collocata tra la CPU e la memoria centrale o è installata all interno del microprocessore. In essa sono contenuti i dati e i programmi che si prevede debbano essere utilizzati frequentemente, così da velocizzarne l esecuzione. Page 10

11 La ROM ROM sta per memoria di sola lettura. Questa memoria è permanente, infatti contiene il BIOS (Basic Input Output System). Esso è il software che costituisce il programma per utilizzare le risorse dell elaboratore. Le attuali ROM non sono di sola lettura, infatti possono essere modificate quando sono necessari aggiornamenti al BIOS (Flash ROM) Page 11

12 Approfondimenti: ROM Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM: Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo tipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultravioletti Le PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabili Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM cancellabili e programmabili Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello contenuto nella RAM viene chiamato firmware Page 12

13 Approfondimenti: Firmware Fa parte del firmware, ad esempio, il BIOS, cioè quel gruppo di istruzioni che consente: ai diversi processori di attivarsi al momento dell accensione del computer di effettuare un auto-test di funzionamento di caricare nella RAM il sistema operativo, presente sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sistema Page 13

14 La CPU La CPU (Unità Centrale di Processo) è individuata dal microprocessore. Questo dispositivo esegue le istruzioni del programma in esecuzione, esegue calcoli, coordina e sincronizza i dispositivi ad esso collegati tramite i bus. La CPU è costituita da: ALU, CU e registri della CPU. Page 14

15 I componenti della CPU L ALU (Unità Aritmetico Logica) esegue i calcoli matematici e logici, che permettono l esecuzione di operazioni complesse. La CU (Unità di Controllo), dopo aver lanciato il programma, reperisce nella memoria centrale l istruzione corrente, la manda in esecuzione e attiva i segnali di controllo e di sincronismo verso i dispositivi coinvolti nell operazione. L esecuzione di un istruzione in linguaggio macchina avviene attraverso il ciclo di fetch-decode-execute. I registri interni della CPU hanno la funzione di memorizzare i dati riguardanti gli operandi e i risultati delle istruzioni e i riferimenti alle locazioni di memoria centrale in cui si trovano gli operandi e i risultati. Page 15

16 Unità di elaborazione (CPU) Parte operativa: blocchi funzionali interconnessi dal bus di sistema Unità di controllo: attiva i circuiti della parte operativa Funzionamento sincrono (clock) dati/istruzioni clock controlli parte operativa istruzioni/flag parte controllo indirizzi comandi Page 16

17 CPU Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegue Le istruzioni possono comportare operazioni di manipolazione dei dati Oppure operazioni di trasferimento dei dati I trasferimenti di dati attraverso elementi funzionali diversi avvengono attraverso il bus di sistema Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispetto ad un orologio di sistema Durante ogni intervallo di tempo l unità di controllo (parte del processore) stabilisce la funzione da svolgere L intera macchina opera in maniera sequenziale Page 17

18 COMPONENTI DELLA CPU La CPU non è un unico componente ma è costituita da componenti diversi che svolgono compiti diversi Bus Interno Unità di controllo Unità aritmetico logica REGISTRI Program Counter Registro di Stato Registro Istruzioni Registri Generali 8 o 16 Registro Indirizzi Memoria Registro Dati Memoria Registro di Controllo Page 18

19 Registri della CPU I registri sono delle unità di memoria estremamente veloci Sono usate per mantenere le informazioni di necessità immediata per il processore Le dimensioni dei registri variano da 16, 32, 64 bit Sono una parte fondamentale del processore Page 19

20 Unità di controllo L unità di controllo è la parte più importante del processore Esegue le istruzioni dei programmi Coordina le attività del processore Controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la memoria Page 20

21 Unità di controllo Svolge la sua attività in modo ciclico Preleva dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire Preleva gli operandi specificati nell istruzione Decodifica ed esegue l istruzione Ricomincia Page 21

22 Unità di controllo L esecuzione comporta l invio di comandi opportuni all unità relativa Calcoli Unità aritmetico logica Lettura/scrittura dati memoria Acquisizione/stampa dispositivi di I/O Page 22

23 Unità aritmetico logica L Unità aritmetico logica si occupa di eseguire le operazioni di tipo aritmetico/logico Somme, sottrazioni,, confronti, Preleva gli operandi delle operazioni dai Registri Generali Deposita il risultato delle operazioni nei Registri Generali Insieme all unità di controllo collabora al completamento di un ciclo della macchina Page 23

24 Clock Abbiamo visto che il processore svolga la sua attività in modo ciclico Ad ogni ciclo corrisponde l esecuzione di un operazione elementare (un istruzione macchina) Il clock fornisce una cadenza temporale per l esecuzione delle operazioni elementari La frequenza del clock indica il numero di operazioni elementari che vengono eseguite nell unità di tempo Page 24

25 Elementi del modello di Von Neumann: Definizione generale Bus Il bus di sistema è l insieme di linee o circuiti, impiegati per il trasferimento di dati tra le componenti di un sistema informatico Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di informazione: dati indirizzi segnali di controllo Page 25

26 Elementi del modello di Von Neumann: Bus All interno del modello di Von Neumann Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il diretto controllo della CPU, collega le varie unità funzionali della macchina di Von Neumann La CPU, tramite i suoi organi, permette di collegare solo due unità funzionali alla volta: una che trasmette dati una che riceve Page 26

27 Memoria secondaria La memoria principale non basta (è volatile, costosa) In grado di memorizzare i programmi e i dati in modo permanente È meno costosa che la memoria principale: le dimensioni della memoria secondaria sono di solito molto maggiori di quelle della memoria principale I supporti di memoria secondaria sono più lenti rispetto alla memoria principale (presenza di dispositivi meccanici) Non tutti i supporti di memoria secondaria permettono l accesso diretto ai dati Alcuni permettono solo un accesso sequenziale (per esempio, nastri magnetici) Page 27

28 LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria Processore Memoria principale Stampante Memoria secondaria Page 28

29 LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale Processore Memoria principale Stampante Memoria secondaria Page 29

30 LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale Il processore è in grado di eseguire le istruzioni di cui sono composti i programmi Processore Memoria principale Stampante Memoria secondaria Page 30

31 Ricordiamo: caricamento del programma Quando si lancia un programma questo viene copiato dalla memoria secondaria (di solito un hard disk) nella memoria principale Questa operazione si chiama caricamento del programma e viene eseguita dal sistema operativo Page 31

32 Memoria secondaria La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua produzione si utilizzano tecnologie basate: sul magnetismo (tecnologia magnetica) dischi magnetici (hard disk e floppy disk) nastri magnetici sull uso dei raggi laser (tecnologia ottica) dischi ottici (CD-ROM, DVD) Page 32