M 2 M 1. Architettura. Architettura dei calcolatori. Paolo Bison. struttura e funzionalità di un calcolatore hardware software

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1 Architettura dei calcolatori Paolo Bison Fondamenti di Informatica A.A. 2006/07 Università di Padova Architettura struttura e funzionalità di un calcolatore hardware software Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.1 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.2 Hardware Neumann rivista macchina di von Neumann a R I M O R... memoria secondaria o ausiliaria CA CC Input memoria centrale Output CA central arithmetic I input CC central control O output C CA+CC R outside recording medium M memory Central Processing Unit a J. von Neumann, First Draft of a Report on the EDVAC, Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.3 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.4 Memoria dispositivo per la memorizzazione di informazione programmi dati in ingresso dati intermedi risultati struttura e modalità di accesso Struttura della memoria insieme di M elementi di memoria (celle, parole) rappresentazione binaria bit (0,1) dimensione elemento di memoria 4 (nibble), 8 (byte), 16, 32, 64,..., 1024,... dimensione M della memoria kilobyte KB megabyte MB gigabyte GB terabyte TB Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.5 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.6 Modalità di accesso lettura/scrittura delle celle ad accesso casuale indirizzo associato ad ogni cella RAM (Random Access Memory) tempo di accesso costante sequenziale per accedere al n-esima cella, si deve accedere alle n-1 precedenti tempo di accesso variabile M 2 M 1 Memoria centrale primaria tecnologia al silicio tipo RAM accesso veloce memorizzazione temporanea Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.7 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.8

2 Memoria secondaria Disco rigido memorizzazione permanente accesso lento differenti tecnologie magnetica (disco rigido, nastro) ottica (disco) accesso ad indirizzo (disco) sequenziale (nastro) Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.9 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.10 Nastro Centrale vs. secondaria centrale secondaria accesso veloce lento costo alto basso dimensione bassa elevata memorizzazione temporanea permanente Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.11 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.12 CPU individua ed esegue le istruzioni del programma moduli funzionali Control Unit (CU) Arithmetic and Logic Unit (ALU) Floating Point Unit (FPU) Cache Clock registri celle di memoria per funzioni particolari Istruzioni macchina repertorio di istruzioni che la CPU sa eseguire specifico per ogni tipo di CPU categorie trasferimento dati operazioni aritmetiche e logiche salti codifica binaria programma eseguibile sequenza finita di istruzioni macchina Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.13 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.14 Control Unit governa il funzionamento della CPU registri Program Counter (PC) Instruction Register (IR) ciclo di esecuzione fetch decode execute Unità di calcolo ALU esegue calcoli aritmetici e logici FPU esegue calcoli su numeri in formato floating point registri data registers address registers status registers Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.15 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.16

3 Cache e Clock cache memoria tampone veloce interna alla CPU Input/Output dispositivi di interfaccia tra il calcolatore e il mondo esterno interfaccia con l utente collegamenti con altri apparati (computer) memoria centrale cache CPU clock modulo per la temporizzazione e sincronizzazione del calcolatore Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.17 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.18 Interfaccia con l utente codifica/decodifica dell informazione input tastiera mouse output video stampante Collegamenti con altri apparati bidirezionali modem interfaccia di rete (NIC) Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.19 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.20 Software Sistema operativo sistema operativo software per la gestione del calcolatore software di base funzionalità software utente astrazione ed indipendenza dai dispositivi fisici drivers UTENTE OS HW BASE gestione risorse processore memoria centrale memoria secondaria esecuzione dei programmi (processi) Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.21 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.22 Gestione risorse Multiprogrammazione processore multiprogrammazione memoria centrale spazio di memoria per il singolo processo memoria virtuale più processi in esecuzione contemporaneamente esecuzione in parallelo ( come se ) memoria secondaria file system Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.23 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.24

4 Memoria singolo processo allocazione di memoria per il processo protezione dagli accessi indesiderati P3 Memoria virtuale meccanismo per simulare una memoria centrale di dimensione maggiore di quella esistente utilizzando porzioni di memoria secondaria (disco) swap area P2 P1 OS Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.25 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.26 File system - generalità gestione dei file file sequenza finita di bit individuata da un nome nome sequenza finita di caratteri alfanumerici interpretazione del contenuto significato della sequenza di bit testo immagine... non univoca, può dipendere dal contesto estensione nel nome foto.jpeg lettera.txt libro.doc dati.tar.gz magic number primi n bit del file ne codificano il tipo Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.27 File system - funzionalità gestione automatica e trasparente del supporto di memorizzazione operazioni sui file creazione identificazione accesso modifica cancellazione Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.28 File system - struttura directory file il cui contenuto viene interpretato come elenco di altri file struttura ad albero pb/ -- dati/ -- dati1.dat -- dati2.dat -- lettere/ -- fisco.doc -- personali/ -- fisco.doc -- love.doc -- tmp/ File system - individuazione file pathname percorso dalla radice attraverso le sottodirectory fino al file sequenza dei nomi separati da un carattere speciale UNIX= / DOS= \ assoluto vs. relativo root madre di tutte le directory directory corrente esempi /pb/dati/dati1.dat \pb\lettere\fisco.doc personali\fisco.doc fisco.doc Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.29 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.30 Software base software per facilitare l uso del calcolatore programmi interfaccia utente (UI) sviluppo software comandi file system produttività individuale rete Interfaccia utente gestisce l interazione dell utente con il sistema grafica sistemi a finestre testuale linea di comando (CLI) librerie matematiche grafiche Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.31 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.32

5 Comandi file system programmi per la gestione del file system UNIX DOS cd cd cp copy ls dir mkdir mkdir mv ren pwd - rm del rmdir rmdir - undelete Sviluppo software programmi per lo sviluppo di altri programmi editor assembler compilatori e interpreti macchina virtuale Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.33 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.34 Software utente software (programmi/librerie) sviluppato dall utente basato sulle funzionalità fornite dal sistema operativo e dal software di base ciclo di sviluppo scrittura/modifica compilazione esecuzione Assembler (ASM) assembly istruzioni macchina espresse in forma mnemonica LOAD STORE ADD JUMP converte codice assembly in istruzioni macchina Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.35 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.36 High Level Languages (HLL) astrazione del modello di calcolo indipendenza dalla piattaforma hardware maggiore leggibilità e comprensibilità traduzione in linguaggio macchina programma sorgente programma eseguibile Compilatore vs. interprete compilatore converte l intero programma sorgente nel corrispondente programma eseguibile interprete converte ed esegue immediatamente una ad una le istruzioni del programma sorgente Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.37 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.38 Virtual Machine (VM) combinazione di compilazione ed interpretazione si compila in un codice intermedio che poi viene interpretato Java Virtual Machine emulazione di CPU Produttività individuale programmi per attività produttive individuali scrittori fogli elettronici presentazioni grafica Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.39 Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.40

6 Software proprietario vs. Open software software proprietario dato in licenza d uso (EULA) non modificabile dall utente supporto e continuità nel tempo open software free as in freedom licenza di distribuzione (GPL) modificabile dall utente non è garantito il supporto o la continuità Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI06, p.41