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Hardware ed architettura del calcolatore

Hardware ed architettura del calcolatore. 15-19/5/08 Informatica applicata B Cristina Bosco. Funzioni di un computer. elaborare dati > tipi di elaborazione memorizzare dati per brevi o lunghi periodi trasferire dati > tramite dispositivi connessi che svolgono operazioni di I/O

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Hardware ed architettura del calcolatore

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Presentation Transcript

  1. Hardware ed architettura del calcolatore 15-19/5/08 Informatica applicata B Cristina Bosco

  2. Funzioni di un computer • elaborare dati > tipi di elaborazione • memorizzare dati per brevi o lunghi periodi • trasferire dati > tramite dispositivi connessi che svolgono operazioni di I/O • controllare le altre funzioni

  3. Hardware/software • La componente hardware fornisce le funzionalità di base per l’elaborazione, la memorizzazione ed il trasferimento di dati • La componente software consente di specializzare tali funzionalità di base per risolvere problemi specifici

  4. Hardware Comprende vari componenti: • CPU (Central Processing Unit) • Memoria RAM (Random Access Memory) o principale • Memoria secondaria • Dispositivi di Input/Output

  5. Funzioni > componenti • elaborare dati > CPU • memorizzare dati per brevi o lunghi periodi > MEMORIA RAM e MEMORIA SECONDARIA • trasferire dati > DISPOSITIVI di I/O • controllare le altre funzioni > CPU

  6. dispositivi di input/output memoria secondaria Componenti hardware CPU RAM

  7. Funzionamento delle componenti (alto livello) • avvio: i programmi e i dati stanno nella memoria secondaria

  8. dispositivi di input/output memoria secondaria CPU RAM 1

  9. Funzionamento delle componenti (alto livello) • avvio: i programmi e i dati stanno nella memoria secondaria • preparazione all’esecuzione: i dati e i programmi sono trasferiti nella RAM

  10. dispositivi di input/output memoria secondaria CPU RAM 2 1

  11. Funzionamento delle componenti (alto livello) • avvio: i programmi e i dati stanno nella memoria secondaria • preparazione all’esecuzione: i dati e i programmi sono trasferiti nella RAM • esecuzione: la CPU esegue i programmi sui dati

  12. dispositivi di input/output memoria secondaria CPU RAM 3 2 1

  13. Funzionamento delle componenti (alto livello) • avvio: i programmi e i dati stanno nella memoria secondaria • preparazione all’esecuzione: i dati e i programmi sono trasferiti nella RAM • esecuzione: la CPU esegue i programmi sui dati • input/output: i dati vengono trasferiti sulla memoria secondaria ed ai dispositivi di input/output

  14. dispositivi di input/output memoria secondaria CPU RAM 3 2 1 4 4

  15. dispositivi di input/output memoria secondaria Componenti hardware: CPU CPU RAM

  16. CPU • Nomi: processore, microprocessore • Famiglie: Penthium Centrino (Intel), Athlon (AMD) • Dove: dentro il case, sulla motherboard (scheda madre) • Funzioni: elaborazione e controllo (master rispetto a tutti gli altri dispositivi)

  17. Cosa fa la CPU • Esegue programmi scritti in Linguaggio Macchina (LM) • tutti i programmi sono codificati per la CPU in LM • tutti i programmi sono sequenze di istruzioni in LM che la CPU è in grado di eseguire

  18. Cosa fa la CPU Le istruzioni in LM che la CPU è in grado di eseguire sono comandi elementari: • somma di 2 numeri • lettura di memoria • scrittura verso il dispositivo di output • confronto di 2 numeri • …

  19. Componenti della CPU • CU (Control Unit) • ALU (Arithmetic Logic Unit) • Registri

  20. RAM CPU = CU ALU Registri

  21. Componenti della CPU: CU La CU è la parte più importante della CPU, che: • esegue le istruzioni • coordina le attività della CPU • controlla il flusso dei dati tra CPU e memoria

  22. Componenti della CPU: esecuzione della CU La CU lavora in modo ciclico ed esegue le istruzioni in 3 fasi: • Prelevamento della prossima istruzione • Decodifica dell’istruzione e prelevamento dei dati necessari all’elaborazione • Esecuzione utilizzando la componente adatta

  23. Componenti della CPU: esecuzione della CU La frequenza dei cicli della CU è scandita dal clock, una sorta di orologio interno La velocità di esecuzione della CPU dipende dalla frequenza del suo clock La velocità si misura in Hz e multipli (es. 2.8 GHz = 2.800.000.000 di cicli al secondo)

  24. Componenti della CPU • CU (Control Unit) • ALU (Arithmetic Logic Unit) • Registri

  25. Componenti della CPU: ALU La ALU esegue le operazioni matematiche e logiche Prende i dati dai registri e deposita il risultato nei registri

  26. Componenti della CPU • CU (Control Unit) • ALU (Arithmetic Logic Unit) • Registri

  27. Componenti della CPU: Registri • I registri della CPU sono piccole celle di memoria (da 16, 32 o 64 byte) ad accesso molto rapido • servono a mantenere le informazioni necessarie all’esecuzione dell’istruzione da parte della CU • sono di 2 tipi (generali e speciali)

  28. Componenti della CPU: Registri • i registri generali sono utilizzati per contenere gli operandi ed i risultati intermedi delle operazioni • i registri speciali contengono ognuno un dato particolare (l’indirizzo della prossima istruzione, l’istruzione attualmente in escuzione, …)

  29. dispositivi di input/output memoria secondaria Componenti hardware: RAM CPU RAM

  30. RAM La RAM (Random Access Memory) è la memoria principale in cui vengono posti programmi e dati

  31. RAM • FISICAMENTE è formata da componenti elettronici miniaturizzati bistabili, che possono trovarsi in 2 stati di tensione = assumere 2 configurazioni, come il bit • ASTRATTAMENTE la si puo’ pensare come una sequenza di celle di memoria ognuna contenente un byte (= 8 bit)

  32. RAM • Ogni cella della RAM ha un indirizzo che la identifica univocamente • il fatto che la cella sia indirizzabile consente di leggere e scrivere nella cella • il numero di celle indirizzabili corrisponde al numero di informazioni diverse rappresentabili con un certo numero di bit

  33. RAM il numero di informazioni diverse rappresentabili con n bit è dato da 2n Es: con 16 bit è 216 (=65.536) il numero di diverse informazioni che posso rappresentare, ovvero il numero di celle diverse che posso indirizzare

  34. Unità di memoria • Bit (unità minima indirizzabile) • Byte = 8 bit • Kilobyte (KB) = 210 = 1.024 byte • Megabyte (MB) = 210 KB = 1.024 KB • Gigabyte (GB) = 210 MB = 1.024 MB • Terabyte (TB) = 210 GB = 1.024 GB

  35. RAM • la RAM è veloce: i tempi di lettura di una cella sono compresi tra 5 e 30 miliardesimi di secondo • la RAM è volatile: è formata da componenti elettronici tali che, se viene tolta l’alimentazione, perdono il loro stato (e quindi l’informazione)

  36. Altre memorie Oltre alla RAM la memoria principale si compone anche di: • ROM (Read Only Memory) che contiene i dati necessari al bootstrap • memoria cache che è velocissima e volatile, collacata tra RAM e CPU per memorizzare i dati di uso più frequente

  37. dispositivi di input/output memoria secondaria Componenti hardware: memoria secondaria CPU RAM

  38. Memoria secondaria la memoria secondaria è: • lenta • non volatile • capiente

  39. Memoria secondaria • i programmi e dati risiedono nella memoria secondaria • la CPU può eseguire solo programmi, ed elaborare solo dati che si trovano nella RAM • i programmi e dati vengono copiati dalla memoria secondaria nella RAM

  40. Memoria secondaria La memoria secondaria comprende: • supporti di memorizzazione • dispositivi di memorizzazione che leggono e scrivono i supporti • supporti e dispositivi possono utilizzare tecnologie varie

  41. Tecnologie e memoria La memoria può essere • magnetica (lettura e scrittura) • ottica (solo lettura) • magneto-ottica (lettura e scrittura) • flash (lettura e scrittura)

  42. Tecnologie e memoria La memoria magnetica • sfrutta la polarità magnetica • la superficie del supporto contiene particelle magnetiche • la testina del dispositivo modifica/rileva la polarità del supporto

  43. Magnetici Dai nastri (come cassette audio e video, ma con registrazione digitale) Ai DAT (Digital Audio Tape): • Costo basso • Accesso sequenziale > lento • Movimento solo durante le operazioni di lettura/scrittura

  44. Dischi magnetici • Formattazione = organizzazione in tracce e settori • Rotazione costante del disco • Accesso: ricerca della traccia (casuale) + ricerca del settore (sequenziale)

  45. Dischi magnetici Floppy disk: • Disco singolo (rotazione a richiesta) Hard disk: • Disk drive che contiene vari dischi con testine (rotazione costante)

  46. Tecnologie e memoria La memoria ottica • sfrutta la riflessione della luce • sul supporto sono presenti piccole scanalature • la testina del dispositivo modifica/rileva le scanalature tramite la riflessione di un raggio laser

  47. Ottici • Compact Disc (CD) > 600 Mb • Digital Versatile Disc (DVD) > 17 Gb • Dischetti di 12 cm di diametro di materiale riflettente annegato in supporto plastico trasparente • Dato = riflessione della luce • Lettura tramite laser che rileva la riflessione

  48. Ottici • Dati in un’unica spirale dal centro verso la periferia • Accesso sequenziale abbinato a memoria elettronica

  49. Tecnologie e memoria La memoria magneto-ottica • sfrutta la polarità di particelle magnetiche • la superficie del supporto contiene particelle magnetiche • in scrittura un laser scalda il supporto modificandone la polarità delle particelle magnetiche • in lettura la testina magnetica rileva la polarità delle particelle

  50. CD vs DVD • DVD con pit e land (unità riflettenti) di dimensione inferiore ai CD > maggiore capacità • DVD a doppio strato (quello superiore semitrasparente consente la lettura di quello sottostante) + doppia faccia = (3,8 Gb + 4,7 Gb) x 2 = 17 Gb

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