Elaboratore Elettronico. Elementi di Informatica. Tipologie Storiche di Elaboratori. Tipologie Attuali di Elaboratori. Componenti di un Elaboratore

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1 Elaboratore Elettronico Università degli Studi di Udine Facoltà di Ingegneria CORSO DI LAUREA IN SCIENZE dell ARCHITETTURA Elementi di Informatica Architettura dell Elaboratore D. Gubiani Un elaboratore elettronico è un sistema informatico basato su un particolare modello teorico Esistono diverse categorie di elaboratori - diversi per caratteristiche e utilizzi 5 aprile 2011 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 1 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 2 Tipologie Storiche di Elaboratori Tipologie Attuali di Elaboratori Mainframe: negli anni 40 occupavano stanze intere e l energia per il funzionamento e il raffreddamento era elevata, costosissimi, per grandi aziende Minicomputer: negli anni 60 ad un costo minore l indtroduzione dei minicoputer permise l utilizzo anche nell ambito di piccole aziende Microcomputer: negli anni 70, con l introduzione dei microprocessori, ad un prezzo abbastanza ridotto potevano essere comprati anche da singole persone Home computer: nella seconda metà degli anni 70, nasce la seconda generazione dei microcomputer: costo contenuto, utilizzo domestico Personal Computer: microcomputer economici destinati a un utilizzo personale, maggiori risorse rispetto agli home computer Personal Computer (PC): macchine per utenti singoli e per applicazioni generiche Workstation: oggigiorno molto simili PC di fascia alta Server: macchine con una notevole potenza di calcolo utilizzate da singoli utenti che colloquiano PC Super Computer (Cluster): sistemi con potenze di calcolo estremamente elevate, dedicato ad eseguire calcoli particolarmente onerosi D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 3 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 4 Tipologie Portatili di Elaboratori NoteBook: personal computer portatili NetPC: portatili con dimensione e risorse ridotte Palmari o PDA (Personal Digital Assistant: computer di dimensioni ridotte, evoluzioni delle agendine elettroniche Tablet: computer portatile che permette all utente di interfacciarsi con il sistema direttamente sullo schermo, mediante una penna o le dita (es. ebook) L hardware di un PC è composto da un insieme di componenti funzionali interagenti e cooperanti che colloquiano tramite canali di comunicaqzione detti bus Tali componenti possono essere così schematizzati: - processore o CPU (Central Processing Unit) - memoria (centrale e di massa) - unità periferiche D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 5 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 6

2 Schema L architettura della maggior parte dei moderni elaboratori è basata sul modello della macchina di von Neumann Secondo tale modello un elaboratore è costituito da quattro elementi base: - unità di elaborazione - memoria - periferiche - bus di sistema D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 7 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 8 Funzionamento Elaborazione La memoria contiene le istruzioni e i dati necessari per eseguire un programma L unità di elaborazione è formata dai dispositivi che consentono di acquisire, interpretare ed eseguire le singole istruzioni Le varie periferiche consentono lo scambio di informazioni tra l elaboratore e l esterno Il bus di sistema funge da collegamento fra i vari elementi funzionali Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono con una scansione dettata dall orologio di sistema (clock) Ad ogni intervallo di tempo, l unità di controllo (componente interno dell unità di elaborazione) decide quali operazioni svolgere - acquisizione di istruzioni o dati dalla memoria - decodifica di istruzioni o dati - esecuzione di istruzioni - manipolazione dei dati - trasferimento delle informazioni D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 9 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 10 CPU Il processore o CPU (Central Processing Unit) è la parte del sistema informatico che controlla il flusso dei programmi ed esegue le singole istruzioni È un circuito elettronico formato da alcuni milioni di transistor - raccolti in un singolo chip (circuito integrato) della dimensione di pochi centimetri quadrati - si parla di microprocessore Compiti della CPU: - spostamento dei dati - esecuzione delle operazioni aritmetiche e logiche - controllo del flusso delle istruzioni Componenti funzionali interni: - unità di controllo (CU) - unità aritmetico-logica (ALU) - registri generali - orologio interno (clock) D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 11 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 12

3 Schema della CPU Registri I registri sono gli elementi di memoria della CPU Sono utilizzati per memorizzare temporaneamente istruzioni, risultati parziali delle operazioni e informazioni di controllo Alcuni di essi sono: - program counter (PC): contiene l indirizzo di memoria della prossima istruzione da eseguire - registro delle istruzioni (IR): contiene l istruzione da eseguire D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 13 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 14 Unità Aritmetico-Logica (ALU) Unità di Controllo (CU) L ALU esegue le operazioni elementari necessarie per l elaborazione: - aritmetiche (addizione, sottrazione,...) - logiche (confronti, comparazioni,...) La CU si occupa dell acquisizione e la successiva interpretazione delle istruzioni che si trovano in memoria, reperisce i dati dall input e coordina l ALU fornendo i segnali elettrici che attivano i diversi dispositivi di memoria o di operazione I segnali sono sincronizzati per mezzo del segnale di clock D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 15 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 16 Ciclo accesso-decodifica-esecuzione Evoluzione Processori Fase di lettura (fetch): trasferimento dalla memoria alla CPU dell istruzione da eseguire (PC contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire, IR contiene l istruzione trasferita e da eseguire) Fase di decodifica (decode): riconoscimento ed identificazione dell istruzione da eseguire Fase di esecuzione (execute): esecuzione dell istruzione, inclusi il trasferimento dei dati da/verso la memoria, la gestione delle operazioni di I/O... D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 17 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 18

4 Legge di Moore La memoria è il dispositivo mediante il quale si può - conservare dati - leggere e scrivere dati D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 19 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 20 Classificazione basata sul fenomeno Fisico alla Base della Memorizzazione - 1 Un sistema informatico fa uso di diversi tipi di memorie Una memoria si dice volatile se togliendo l alimentazione l informazione in esso memorizzata scompare non volatili (o permanenti) in caso contrario Memorie a semiconduttore - metodo elettronico che si fonda sulla conservazione di una carica elettrica all interno di un piccolo conduttore - piccole dimensioni e molto veloce - costo elevato - può essere volatile o permanente Memorie magnetiche - metodo basato sulla caratteristica di alcuni materiali di assumere e mantenere una direzione di magnetizzazione - costo e velocità non elevati - è permanente (fino alla successiva sovrascrittura) D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 21 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 22 Classificazione basata sul fenomeno Fisico alla Base della Memorizzazione - 2 Classificazione basata sul Tempo d Accesso Memorie ottiche - metodo basato sulla possibilità di un raggio laser di causare e successivamente di riconoscere modifiche della struttura della materia - caratteristiche analoghe a quelle magnetiche, ma ne migliorano costo e velocità Memorie ad accesso casuale (RAM) - tutte le informazioni sono accessibili nello stesso intervallo di tempo Memorie ad accesso semi-casuale (SRAM) - il tempo di accesso alle informazioni varia a seconda dell area di memorizzazione - varia fra un minimo e un massimo Memorie ad accesso sequenziale (SM) - le informazioni possono essere recuperate solo scorrendo sequenzialmente l intero supporto - il tempo di accesso può subire grandi variazioni D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 23 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 24

5 Classificazione basata sulla Funzione Svolta Gerarchie di Memorie - 1 Registri - memorizzano informazioni utili all elaborazione - tempo di accesso dell ordine della decina di nanosecondi - realizzati mediante flip-flop Centrale (CM) - memorizza i programmi e i dati - accesso casuale con tempo di accesso dell ordine del microsecondo - diverse tecniche realizzative di massa o secondaria - memorizzano grosse quantità di dati - memorie sequenziali e ad accesso semi-casuale - tempi di accesso variano dai millisecondi ai minuti L ideale dal punto di vista delle prestazioni sarebbe quello di utilizzare tutti registri interni al processore (veloci) Per poter memorizzare grandi quantità di dati a costi sostenibili è necessario utilizzare altre tipologie di memorie Il compromesso fra le diverse esigenze è alla base della gerarchia delle memorie basata su tre livelli D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 25 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 26 Gerarchie di Memorie - 2 Cache - 1 La memoria di cache è una memoria temporanea utilizzata per migliorare il trasferimento dei dati tra la memoria centrale e i registri della CPU Più veloce della memoria centrale, contiene i dati usati più di frequente Quando il processore richiede un dato questo viene prima cercato nella cache, in caso non sia presente si accede alla memoria centrale e successivamente la cache viene aggiornata D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 27 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 28 Cache - 2 Centrale (CM) - 1 La memoria cache può essere simulata da parte della memoria centrale oppure attraverso apposite memorie dette buffer Il concetto della memoria cache viene utilizzato anche in tutte le atre situazioni in cui si richieda il trasferimento di dati fra supporti con velocità diversa Esempio. Buffer (o memoria tampone) presente in ogni stampante Permette l accesso alle informazioni in modo casuale (o diretto) in tempi molto brevi È di tipo a semiconduttore Può essere vista come una grande matrice monodimensionale formata da celle o locazioni caratterizzate da un indirizzo univoco e un contenuto Il processore accede al contenuto delle celle per mezzo del suo indirizzo Il tempo di accesso è costante e dell ordine delle decine di nanosecondi (1 ns = 1 miliardesimo di secondo) D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 29 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 30

6 Centrale (CM) - 2 RAM La CM è costituita da due tipi di memoria - RAM (Random Access Memory) + cancellabile e riscrivibile + adatta a contenere i programmi in esecuzione e tutti i dati necessari al suo funzionamento - ROM (Read Only Memory) + non cancellabile e non riscrivibile + meno costosa della RAM + tipicamente contiene istruzioni che consentono di impostare le condizioni ottimali di funzionamento della macchina Esistono diversi tipi di RAM - nelle Single In-line Memory Module SIMM (FPM ed EDO) - nelle Double In-line Memory Module DIMM (SDRAM, DDR e SLDRAM) D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 31 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 32 di Massa (o di Secondaria) Hard Disk La memoria di massa è una memoria di supporto che contiene programmi e dati che possono essere sfruttati indirettamente dal processore I vari dispositivi attualmente disponibili differiscono per - quantità di dati memorizzabili - velocità di accesso - costo In genere si utilizzano memorie magnetiche e ottiche L hard disk è un dispositivo formato da una serie di dischi magnetici che ruotano attorno ad un perno centrale Ogni superficie dei dischi è dotata di una propria testina per leggere e scrivere Per consentire alte velocità di rotazione i dischi sono contenuti in un contenitore sottovuoto La capacità di memorizzazione è elevata, può superare il TeraByte (1000GB) e la velocità di accesso si aggira sugli 8-20ms Tipologie: ATA 33/66, S-ATA 150/300 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 33 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 34 CD, DVD e Blu-Ray I CD usano la tecnologia ottica che consente velocità di 10-20ms e capacità di 650/740MB: CD-R e CD-RW I DVD utilizzano una tecnologia più raffinata dei CD che consente un miglioramento delle prestazioni in capacità (4,7/9,4GB) e velocità (5-10ms): DVD-R, DVD+R, DVD-RW, DVD+RW, DVD-R DL, DVD+R DL, DVD-RAM I Blu-Ray, grazie all utilizzo di un lase blu, riesce a contenere fino a 54 GB di dati (nel caso dual-layer), sono allo studio versioni con 4, 8 e 16 strati Flash Memory, Penna USB e Unità a Stato Solido Con lo sviluppo di cellulari, macchine fotografie... si sono diffuse Secure Digital Card (SD), Compact Flash Card (MC),... (capacità da 1 a 8/10 GByte) Un supporto di memorizzazione attualmente molto diffuso sono le penne USB con capacità da 1 a 10 GByte: piccole, comode, veloce installazione Unità a stato solido (SSD): memorie di tipo flash con prestazioni superiori rispetto un hard disk tradizionale (maggiore velocità, maggiore affidabilità, bassi consumi), costo è più alto D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 35 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 36

7 Data Cartridge Memorie - Obsolete Data Cartridge, più datati rispetto ai supporti precedenti, sono cassette con un lungo nastro magnetico (evoluzione delle vecchie bobine) Lo svantaggio dell accesso sequenziale è bilanciato dal basso costo e dall elevata capacità (200MB-16GB) Molto utilizzato in fase di back-up Floppy disk: disco di materiale magnetizzato sulle due superfici protetto da una custoda di plastica (1,4MB, ms) Zip disk: piccoli hard disk portatili ( MB, 20-40ms) D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 37 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 38 Dispositivi di Ingresso/Input Si possono distinguere: - dispositivi di ingresso/input (I) - dispositivi di uscita/output (O) Le periferiche di input sono quei dispositivi che consentono all elaboratore di acquisire informazioni dal mondo esterno Sono periferiche di ingresso: la tastiera, il mouse, il trackball, la tavoletta grafica, lo scanner, il modem, il microfono, la fotocamera o telecamera... D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 39 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 40 Dispositivi di Uscita/Output Tastiera Le periferiche d uscita sono tutti quei dispositivi che consentono di ottenere i risultati delle elaborazioni effettuate dal calcolatore Sono dispositivi di output: il monitor, la stampante, il plotter, il modem, le casse acustiche, le macchine a controllo numerico... Utilizzata per l inserimento di informazioni alfanumerici oltre che per l inserimento di comandi Le diverse tastiere si differenziano per la disposizione dei tasti (legato al paese) e dal numero di tasti (tradizionali tastiere per Windows ha 105 tasti) D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 41 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 42

8 Mouse Trackball, Touch-screen e Joystick Utilizzato per l inserimento di informazioni posizionali Possono essere dotati di due o tre tasti, la cui funzionalità dipende dal particolare programma Esistono mouse che sfruttano diverse tecnologie: - meccanico: sfrutta il movimento di una sfera sul piano di appoggio - ottico: sfrutta la lettura del riflesso di un fascio di luce sul piano di appoggio Sono dispositivi per l inserimento di informazioni posizionali Il trackball è un dispositivo simile al mouse meccanico in cui la sfera viene mossa direttamente dal contatto della mano (il dispositivo resta fermo) Il touch-screen è una specie di monitor sensibile al tocco Il joystick è un dispositivo composto da una manopola montata verticalmente su una base e un insieme di pulsanti, utilizzato per i giochi D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 43 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 44 Monitor Tavoletta Grafica I monitor tradizionali CRT (tubo di raggi catodici) sono oggigiorno sostituiti dai monitor LCD (cristalli liquidi) I parametri fondamentali di un monitor sono: - dimensione: in genere da 10 a 22 pollici - risoluzione: punti distinti che possono essere attivati sulla superficie (esempio 1280x1024) - precisione: varia da un indice di 0,24 (max) a 0,38 (min) La tavoletta grafica è utilizzata per l inserimento di informazioni posizionali È costituito da un rettangolo di materiale elettricamente sensibile in cui si possono indicare delle posizioni utilizzando una particolare penna o un dispositivo simile al mouse È utilizzato per inserire mappe geografiche o memorizzare disegni già eseguiti su carta D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 45 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 46 Scanner Stampante - 1 Lo scanner è utilizzato per l inserimento di immagini Possono essere di tre tipi: - manuale: il dispositivo viene fatto scorrere sopra l immagine - flat: il foglio contenete l immagine viene inserito nel dispositivo che lo scorre mediante un meccanismo che ruota - piano: il foglio viene appoggiato sul piano del dispositivo sotto il quale scorre un sensore ottico Dispositivo per trasferire su carta i risultati ottenuti dalle elaborazioni Esistono fondamentalmente tre tipi di stampanti - ad impatto: trasferimento in modo meccanico - a getto di inchiostro: l inchiostro è sparato sulla carta attraverso fori calibrati - laser: simili alle fotocopiatrici D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 47 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 48

9 Plotter Modem Dispositivo per trasferire su carta immagini vettoriali attraverso l utilizzo di pennini Il modem è un dispositivo elettronico che consente la comunicazione fra sistemi informatici diversi: - MOdulazione: trasformazione di informazioni digitali provenienti dal calcolatore in segnali analogici trasmissibili mediante linea telefonica o altre linee dedicate (O) - DEModulazione: trasformazione di segnali analogici provenienti dalla linea telefonica o da altre linee dedicate in dati memorizzabili nel calcolatore (I) D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 49 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 50 Modem Microfono e Casse Acustiche Tipi di modem in commercio: - analogici (56 kbps): sfruttano la rete telefonica base occupandola costantemente, ormai in disuso - ISDN (128 kbps): sfruttano linee telefoniche ISDN - ADSL (da 640 kbps a 100 Mbps): sfruttano una linea digitale dati ad alta velocità - GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA (da 56 kbps a 14.4 Mbps): con telefonini di ultima generazione, modem USB o PC card Microfono: dispositivo per l acquisizione di audio (suoni) Casse Acustiche: dispositivo per l output di audio (suoni, segnali acustici) che permette di esplicitare le capacità multimediali degli elaboratori D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 51 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 52 Fotocamera o Telecamera Macchine a Controllo Numerico Fotocamera (digitale): dispositivo per l acquisizione di immagini (foto), attualmente molto utilizzata anche in sostituzione delle tradizionali macchine fotografiche ottiche, ottime risoluzioni 2, 4... anche 10 milioni di pixel Telecamera/Videocamera (digitale): dispositivo per l acquisizione di video, mettono a disposizione funzionalità di video editing e di fotocamera con minore risoluzione Dispositivi che gestiti da un elaboratore producono manufatti prodotti dallo stesso elaboratore D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 53 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 54

10 - 1-2 Il bus è costituito da una serie di connessioni elementari che collegano l unità di elaborazione alla memoria e all interfaccia di ogni specifica periferica, lungo le quali viene trasferita l informazione dei dati - trasferisce informazioni generiche in modo bidirezionale degli indirizzi - è unidirezionale e trasmette indirizzi dal processore alla memoria dei controlli - è bidirezionale è trasferisce all unità stabilita l istruzione da eseguire e trasmette all unità di elaborazione il segnale dell avvenuto espletamento dell operazione La capacità di un bus indica la quantità di dati elementari (binari) che possono essere trasmessi in ogni operazione La velocità di trasmissione indica il tempo medio impiegato da due unità per scambiarsi un dato D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 55 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 56 Interfacce - 1 Interfacce - 2 Le interfacce di I/O sono i dispositivi circuitali che consentono il collegamento fisico e logico dell elaboratore con le varie periferiche Sono molto diverse fra di loro a seconda della periferica - parallela - seriale - USB 1/2 - ethernet - infrarossi - blutooth - wireless -... D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 57 D. Gubiani Architettura dell Elaboratore 58