Appunti di Sistemi e Automazione Il modello o macchina di Von Neumann rappresenta un computer con i suoi componenti principali e la sua organizzazione logico-funzionale. Tale progetto risale al 1945/1946. Modello di Von Neumann
PRINCIPALI COMPONENTI HARDWARE DI UN COMPUTER PROCESSORE o CPU (Central Processing Unit) Il processore si occupa di eseguire le istruzioni dei programmi e di svolgere tutti i calcoli aritmetici (addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione tra due numeri) e logici (confronto tra due numeri per decidere chi è il maggiore o il minore), oltre a gestire e controllare il funzionamento degli altri componenti hardware del computer. Il processore esegue una operazione (ad esempio la somma tra due numeri) ogni volta che riceve un impulso dall orologio di sistema chiamato clock. La frequenza con cui si misurano gli impulsi di clock è espressa in Hertz (Hz). Esempi: Un clock con frequenza di 10 Hertz, genera 10 impulsi in un secondo. Un clock con frequenza di 1 KHz (1 Kilohertz), genera 1.000 impulsi in un secondo. Un clock con frequenza di 1 MHz (1 Megahertz), genera 1.000.000 di impulsi in un secondo. Un clock con frequenza di 1 GHz ( 1 Gigahertz), genera 1.000.000.000 di impulsi in un secondo. Quindi, per esempio, se il clock del computer è di 3 GHz, vuol dire che il processore è capace di eseguire 3 miliardi di operazioni in un secondo. Nella figura sotto è possibile vedere un esempio di segnale di clock. Un periodo di clock (detto anche ciclo di clock) è il tempo dopo il quale il segnale si ripete, per questo motivo il segnale di clock è un segnale periodico. Un periodo di clock è composto da una prima metà di tempo in cui il clock vale 0 e da una seconda metà in cui il clock vale 1. L istante in cui il clock passa dal valore 0 ad 1 è chiamato fronte di salita e corrisponde al momento in cui il processore ottiene l abilitazione a svolgere una operazione. L istante in cui il clock passa dal valore 1 a 0 è chiamato fronte di discesa.
MEMORIE CENTRALI Appartengono alla categorie delle memorie centrali le seguenti memorie: Memoria ROM Memoria RAM Le memorie centrali ed in particolare la RAM sono fondamentali per il computer, dato che il processore può eseguire un programma solamente quando esso è contenuto in memoria centrale. Quindi qualunque programma l utente manderà in esecuzione, questo dovrà essere prima memorizzato in RAM. L unità di misura più piccola della memoria è il BIT (la parola deriva da BInary digit, cioè cifra binaria). Una cifra binaria può essere 0 oppure 1, quindi il numero 1011 è composto da quattro cifre binarie, cioè quattro BIT, mentre il numero 10110010 è composto da 8 BIT. Un gruppo di 8 bit prende il nome di BYTE e assieme ai suoi multipli, rappresenta l unità di misura comunemente usata per indicare la quantità di Ram presente nel computer. Multipli del BYTE: Kilobyte = 1.024 byte Megabyte = 1.024 Kilobyte Gigabyte = 1.024 Megabyte Terabyte = 1.024 Gigabyte Memoria ROM (Read Only Memory) La memoria Rom viene scritta una volta sola dalla casa produttrice del computer, successivamente è possibile leggere solamente il suo contenuto. La Rom conserva il suo contenuto anche a computer spento. La Rom contiene al suo interno i programmi fondamentali che servono a far avviare il computer all'accensione. Questi programmi sono: POST (Power On Self Test) che si occupa di verificare il corretto funzionamento dei componenti del computer all accensione. BIOS (Basic Input/Output System) che comprende il programma di Bootstrap che si occupa di copiare il sistema operativo (ad esempio Windows) dall hard disk in memoria RAM. Quando il sistema operativo sarà in RAM, potrà essere eseguito dal processore, quindi verrà visualizzato il desktop con le icone ed il computer sarà pronto ad accettare i comandi dell utente. Memoria RAM (Random Access Memory) La Ram è la memoria di lavoro, cioè quella che conserva programmi e dati per tutto il tempo che il computer resta acceso. Quando si spegne il computer la memoria Ram si cancella e tutto il suo contenuto si perde. La Ram si presenta sotto forma di una piccola scheda come quella in figura a destra. Ogni modulo di Ram può avere una capacità variabile, ad esempio: 1 Gigabyte 2 Gigabyte
4 Gigabyte L immagine sotto mostra una possibile rappresentazione della memoria RAM. Nel caso specifico, è mostrata una RAM di dimensione pari a 16 byte, essendo composta da 16 locazioni, dove ogni locazione ha la capacità di memorizzare un byte. Nell esempio della foto sotto, è presente il dato 01000001 nella locazione di indirizzo zero, tale valore corrisponde al numero 65 espresso nel sistema di numerazione decimale. BUS DATI ESTERNO Il bus dati esterno è costituito da un gruppo di fili sui quali viaggiano i segnali elettrici che rappresentano i dati. Il Bus dati collega i vari componenti del computer (Processore, Ram, Rom, Interfaccia I/O) al fine di consentire lo scambio di dati tra essi.
INTERFACCIA I/O (Input/Output) L'interfaccia I/O è un circuito elettronico che si occupa di gestire il trasferimento dei dati tra un dispositivo (Tastiera, Mouse, Monitor, etc.) ed il Bus dati esterno. Senza l'interfaccia I/O è impossibile collegare qualunque dispositivo al computer. TASTIERA La tastiera è il più comune ed utilizzato dispositivo per l'inserimento dei dati (Input) nella memoria RAM del computer. Esistono tastiere con diverse disposizioni dei tasti a seconda della nazionalità della tastiera (Italiana, Inglese, Araba, Cinese, etc.). Quando si preme un tasto sulla tastiera,il carattere digitato viene trasmesso all'interfaccia I/O che lo trasferisce al bus dati che lo manda al processore. Sarà poi il processore a trasferire il carattere in memoria Ram. MONITOR Il monitor è il più comune ed utilizzato dispositivo per la visualizzazione dei dati (Output) presenti nella memoria RAM del computer. L immagine sul monitor viene creata accendendo tanti piccoli puntini chiamati PIXEL (punti immagine). Il numero dei pixel di ogni riga per il numero dei pixel di ogni colonna prende il nome di risoluzione del monitor. Attualmente tra le risoluzioni più comuni abbiamo: 1024 x 768 pixel 1280 x 1024 pixel 1680 x 1050 pixel 1920 x 1080 pixel (Monitor con risoluzione Full HD) A destra è visibile un esempio di immagine composta accendendo tanti puntini colorati, cioè i pixel.
MEMORIE DI MASSA Appartengono alla categoria delle memorie di massa i seguenti dispositivi: Hard disk Floppy disk (attualmente non più usato) Lettore CD/DVD Masterizzatore CD/DVD Pen Drive Schede di memoria (SD, CF, MMC, XD) Le memorie di massa servono a conservare in modo permanente PROGRAMMI E DATI, in modo tale che quando il computer viene spento, essi restano memorizzati. Le memorie di massa sono generalmente molto più lente della Memoria Centrale nell accesso ai dati, infatti, il processore per leggere un dato dalla memoria RAM impiega circa 20 ns (nanosecondi = miliardesimi di secondo), mentre per leggere un dato dall'hard DISK impiega circa 20 ms (millisecondi = millesimi di secondo), questo significa che il tempo per leggere un dato dall Hard disk è pari circa ad un milione di volte il tempo necessario per leggere un dato dalla memoria Ram. HARD DISK L'Hard Disk è la memoria di massa più importante del computer; esso contiene tutti i programmi installati sul PC oltre al Sistema Operativo (ad esempio WINDOWS). L'Hard Disk è realizzato tecnologicamente tramite una testina di registrazione che va a magnetizzare e smagnetizzare i BIT sulla superficie di uno o più dischi magnetici. L'Hard Disk è la memoria di massa più veloce che abbiamo nel computer. La velocità di accesso ai dati è di qualche decina di millisecondi. LETTORE CD/DVD Il lettore di CD/DVD è una memoria di massa che consente solamente di leggere i supporti che vengono inseriti al suo interno. Quindi tramite il lettore CD/DVD è possibile solamente fare l'input di dati nella memoria RAM. Il lettore CD/DVD è una memoria di massa molto lenta, infatti il processore per leggere un dato da CD/DVD impiega circa 100 millisecondi. MASTERIZZATORE CD/DVD Il masterizzatore di CD/DVD è una memoria di massa che consente sia di leggere che di scrivere i supporti che vengono inseriti al suo interno. Quindi tramite il masterizzatore è possibile fare l'input e l OUTPUT dei dati. Anche il masterizzatore è una memoria di massa molto lenta, dato che la tecnologia è la stessa del lettore CD/DVD.
PEN DRIVE SCHEDE DI MEMORIA Le Pen Drive e le Schede di Memoria sono le memorie di massa più veloci in assoluto. Il processore per leggere un dato dalla Pen Drive impiega circa 100 µs (microsecondi = milionesimi di secondo), cioè un tempo molto minore dell'hard Disk. Sia le Pen Drive che le Schede di Memoria sono realizzate con la stessa tecnologia della memoria ROM ma a differenza di queste possono essere lette e scritte. Esempi di schede di memoria: SD (Secure Digital) MMC (Multi Media Card) XD (Extreme Digital) CF (Compact Flash) Memory Stick PRO Duo