Architettura dei computer In un computer possiamo distinguere quattro unità funzionali



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01.06.2018
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Architettura dei computer

  • In un computer possiamo distinguere quattro unità funzionali:

    • il processore
    • la memoria principale o centrale
    • le memorie secondarie o di massa
    • i dispositivi di input/output
    • e un collegamento tra le diverse parti: il bus
  • Il processore e la memoria principale sono le due componenti del computer che costituiscono l’unità centrale

  • Il processore, la memoria principale, i bus, i controller di alcuni dispositivi di input/output sono contenute nella scheda madre: un grosso circuito stampato di forma rettangolare



Componenti principali di un computer





La memoria principale

  • Fornisce la capacità di “memorizzare” le informazioni

  • Può essere vista come una lunga sequenza di componenti elementari, ognuna delle quali può contenere un’unità di informazione (un bit)

  • Le componenti elementari sono aggregate tra di loro e formano delle strutture complesse dette PAROLE (otto bit formano un byte)

  • La memoria può essere vista come una sequenza di parole



La memoria principale

  • Ciascuna parola è caratterizzata da un indirizzo

  • Gli indirizzi corrispondono all’ordinamento delle parole nella sequenza

  • Gli indirizzi sono numeri interi (partono da 0)



La memoria principale

  • Un altro nome con cui viene indicata la memoria principale è memoria RAM (Random Access Memory)

  • Questa definizione indica che il tempo di accesso ad una parola è lo stesso, indipendente dalla sua posizione in memoria

  • Le operazioni che un Processore può effettuare sulla memoria sono le operazioni di lettura e scrittura di informazioni nelle parole



La memoria principale

  • Una parola di memoria è, a seconda del tipo di computer, un aggregato di due, quattro o addirittura otto byte, sul quale si può operare come su un blocco unico

  • Per eseguire le operazioni di lettura e scrittura sulla memoria, si deve specificare l’indirizzo della parola su cui si vuole operare

  • L’indirizzo di una parola è un numero intero e quindi lo si può codificare in binario

  • Il numero di parole di memoria determina il numero di bit necessari a rappresentare l’indirizzo

  • Spazio di indirizzamento



La memoria principale

  • Le dimensioni della memoria principale variano a seconda del tipo di computer e vengono espresse mediante le seguenti unità di misura:

    • 1 Kilobyte (KB) corrisponde a 1024 byte (210)
    • 1 Megabyte (MB) corrisponde a 1024 Kbyte (220 byte)
    • 1 Gigabyte (GB) corrisponde a 1024 Mbyte (230 byte)
    • 1 Terabyte (TB) corrisponde a 1024 Gbyte (240 byte)
  • Nei computer attuali le dimensioni tipiche della memoria principale vanno dai 16 ai 128 Mbyte



La memoria principale

  • Una parola di memoria è, a seconda del tipo di computer, un aggregato di due, quattro o addirittura otto byte, sul quale si può operare come su un blocco unico

  • Nei computer attuali le dimensioni tipiche delle parole di memoria vanno dai 2 agli 8 byte

  • Un altro aspetto che caratterizza la memoria è il tempo di accesso (tempo necessario per leggere o scrivere un’informazione in una parola)



Le memorie principali dei computer attuali sono molto veloci e i loro tempi di accesso sono di qualche decina di nanosecondi (1 ns = un miliardesimo di secondo)

  • Le memorie principali dei computer attuali sono molto veloci e i loro tempi di accesso sono di qualche decina di nanosecondi (1 ns = un miliardesimo di secondo)

  • La memoria principale perde ogni suo contenuto quando si interrompe l’alimentazione elettrica. Questa caratteristica viene chiamata volatilità

  • È quindi necessario per mantenere le informazioni (programmi e dati) avere altri tipi di memoria che conservano il contenuto anche senza alimentazione elettrica



Il Processore

  • Il processore è la componente dell’unità centrale che fornisce la capacità di elaborazione delle informazioni contenute nella memoria principale

  • L’elaborazione avviene in accordo a sequenze di istruzioni (istruzioni macchina)

  • Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni viene chiamato linguaggio macchina

  • Il ruolo del processore è quello di eseguire programmi in linguaggio macchina



  • La memoria contiene almeno due tipi di informazioni:

  • Il processore è costituito da varie componenti che svolgono compiti differenti



Componenti di un processore



Il Processore: l’unità di controllo

  • L’Unità di Controllo (UC) si occupa di coordinare le diverse attività che vengono svolte all’interno del processore

  • Il processore svolge la sua attività in modo ciclico: ad ogni ciclo corrisponde l’esecuzione di una istruzione macchina

  • Ad ogni ciclo vengono svolte diverse attività controllate e coordinate dalla UC

    • si legge dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire;
    • si esegue l’istruzione


Il Processore: l’unità di controllo

  • La frequenza con cui vengono eseguiti i cicli di esecuzione è scandita da una componente detta clock

  • Ad ogni impulso di clock la UC esegue un’istruzione macchina

  • La velocità di elaborazione di un processore dipende dalla frequenza del suo clock

  • I processori attuali hanno valori di frequenza di clock che arrivano fino a 800 MHz e, nei processori più recenti, a 2 GHz (rispettivamente 800 milioni e 2 miliardi di impulsi al secondo)



Il Processore: i registri

  • Il processore contiene un certo numero di registri, che sono unità di memoria estremamente veloci

  • Le dimensioni di un registro sono di pochi byte (2, 4)

  • I registri contengono delle informazioni di necessità immediata per il processore

  • Esistono due tipi di registri:

    • i registri speciali utilizzati dalla UC per scopi particolari;
    • i registri di uso generale (registri aritmetici)


I registri PC e RI

  • Il processore esegue ad ogni ciclo un’istruzione prelevata dalla RAM, l’indirizzo della parola da cui prelevare la prossima istruzione è mantenuto nel registro Program Counter: PC

  • La dimensione del PC deve essere uguale alla dimensione di un indirizzo di RAM

  • Il registro Registro delle Istruzioni (RI) contiene l’istruzione in esecuzione

  • La dimensione del registro RI deve essere uguale alla dimensione di una istruzione (solitamente una parole di memoria)



Il Processore: l’unità di controllo

  • Le attività svolte dalla UC ad ogni ciclo di clock si possono ulteriormente dettagliare:

    • si legge dalla memoria principale l’ istruzione che si trova all’indirizzo indicato dal registro PC;
    • l’istruzione viene scritta nel registro RI
    • si modifica il valore del PC aumentandolo di 1
    • l’UC decodifica l’ istruzione e individua la sequenza di azioni che devono essere svolte
    • si eseguono le azioni specificate dall’istruzione










Tipologia della CPU

  • Ogni programma in esecuzione è composto da molteplici istruzioni. Ogni istruzione in linguaggio macchina è eseguita attraverso una o piu’ operazioni della CPU.

  • Esistono due tipi di CPU

    • CISC (Complete Instruction Set Computer)
    • RISC (Restricted Instruction Set Computer)


L’Unità Aritmetico-Logica

  • L'Unità Aritmetico-Logica (ALU) è costituita da un insieme di circuiti in grado di svolgere le operazioni di tipo aritmetico e logico

  • La ALU legge i dati contenuti nei registri generali, esegue le operazioni e memorizza il risultato in uno dei registri generali

  • Vi sono circuiti in grado di eseguire la somma di due numeri binari contenuti in due registri e di depositare il risultato in un registro, circuiti in grado di eseguire il confronto tra due numeri …

  • In alcuni elaboratori oltre alla ALU si può avere un processore specializzato per effettuare operazioni matematiche particolari, il coprocessore matematico



Memoria cache

  • Nei processori più recenti alla RAM è affiancata la cache RAM: RAM molto veloce che contiene i dati e le istruzioni utilizzate più di frequente.

  • È di solito organizzata a due livelli:

    • la cache di primo livello (L1), racchiusa nel chip di silicio che ospita il processore, lavora alla sua stessa frequenza ed e’ la piu’ veloce, ma e’ molto costosa.
    • la cache di secondo livello o esterna (L2), e’ sulla scheda madre, un po’ piu’ lenta, ma meno costosa e, a differenza della cache L1 puo’ essere ampliata.


La memoria secondaria

  • La memoria principale non può essere troppo grande a causa del suo costo elevato

  • Non consente la memorizzazione permanente dei dati (volatilità)

  • Per questi motivi sono stati introdotti due tipi di memoria:

    • Memoria principale veloce, volatile, di dimensioni relativamente piccole;
    • Memoria secondaria, più lenta e meno costosa, con capacità di memorizzazione maggiore ed in grado di memorizzare i dati in modo permanente


La memoria secondaria

  • La memoria secondaria viene utilizzata per mantenere tutti i programmi e tutti i dati che possono essere utilizzati dal computer

  • La memoria secondaria viene anche detta memoria di massa

  • Quando si vuole eseguire un certo programma, questo dovrà essere copiato dalla memoria di massa a quella principale (caricamento)



La memoria secondaria

  • La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua realizzazione si utilizzano tecnologie basate sul magnetismo (dischi e nastri magnetici) o tecnologie basate sull'uso dei raggi laser (dischi ottici)

  • Nel primo caso si sfrutta l’esistenza di sostanze che possono essere magnetizzate.

  • La magnetizzazione può essere di due tipi (positiva e negativa)



La memoria secondaria

  • La magnetizzazione è permanente fino a quando non viene modificata per effetto di un agente esterno

  • I due diversi tipi di magnetizzazione corrispondono alle due unità fondamentali di informazione (bit)

  • Le tecnologie dei dischi ottici sono completamente differenti e sono basate sull'uso di raggi laser

  • Il raggio laser è un particolare tipo di raggio luminoso estremamente focalizzato che può essere emesso in fasci di dimensioni molto ridotte



Caratteristiche dei vari tipi di memoria secondaria

  • I supporti di memoria di massa sono molto più lenti rispetto alla memoria principale (presenza di dispositivi meccanici)

  • Le memorie di massa hanno capacità di memorizzazione (dimensioni) molto maggiori di quelle delle tipiche memorie principali

  • Il processore non può utilizzare direttamente la memoria di massa per l'elaborazione dei dati

  • Il programma in esecuzione deve essere in memoria principale e quindi le informazioni devono essere trasferite dalla memoria secondaria a quella principale ogni volta che servono



Caratteristiche dei vari tipi di memoria secondaria

  • Nel caso della memoria principale si ha sempre l'accesso diretto ai dati, nel caso della memoria secondaria solo alcuni supporti consentono l'accesso diretto mentre altri supporti permettono solo l'accesso sequenziale

  • La memoria principale consente di indirizzare il singolo byte di informazione, nelle memorie di massa le informazioni sono organizzate in blocchi di dimensioni più grandi, di solito da 1 KByte in su



I dischi magnetici

  • I dischi magnetici sono i dispositivi di memoria secondaria più diffusi

  • Sono dei supporti di plastica o vinile, su cui è depositato del materiale magnetizzabile

  • Nel corso delle operazioni i dischi vengono mantenuti in rotazione a velocità costante e le informazioni vengono lette e scritte da testine del tutto simili a quelle utilizzate nelle cassette audio/video

  • Entrambi i lati di un disco possono essere sfruttati per memorizzare le informazioni



Meccanismo Lettura/Scrittura Disco



I dischi magnetici

  • I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e settori, ogni settore è una fetta di disco. I settori suddividono ogni traccia in porzioni di circonferenza dette blocchi (o record fisici)



I dischi magnetici

  • La suddivisione della superficie di un disco in tracce e settori viene detta formattazione

  • Il blocco è dunque la minima unità indirizzabile in un disco magnetico e il suo indirizzo è dato da una coppia di numeri che rappresentano il numero della traccia e il numero del settore

  • I dischi magnetici consentono l'accesso diretto in quanto è possibile posizionare direttamente la testina su un qualunque blocco senza dover leggere quelli precedenti



I dischi magnetici

  • Per effettuare un'operazione di lettura (scrittura) su un blocco è necessario che la testina raggiunga l'indirizzo desiderato (la testina è ferma ed è il disco che si muove)

  • Il tempo di accesso alle informazioni sul disco è dato dalla somma di tre tempi dovuti a:

    • spostamento della testina in senso radiale fino a raggiungere la traccia desiderata (seek time);
    • attesa che il settore desiderato si trovi a passare sotto la testina; tale tempo dipende dalla velocità di rotazione del disco (latency time);
    • tempo di lettura vero e proprio dell'informazione


I dischi magnetici

  • Una classificazione dei dischi magnetici è quella che distingue tra hard disk e floppy disk

  • Gli hard disk sono dei dischi che vengono utilizzati come supporto di memoria secondaria fisso all'interno dell'elaboratore

  • Sono generalmente racchiusi in contenitori sigillati in modo da evitare qualunque contatto con la polvere

  • I dischi rigidi hanno capacità di memorizzazione elevata, si va da dischi da circa 100 MByte per i personal computer più semplici, fino a dischi da uno o più GByte (10 - 80 GB, tempo d’accesso 10 ms)



I dischi magnetici

  • I floppy disk (dischetti flessibili) sono supporti rimovibili

  • Ogni elaboratore è dotato di almeno una unità di lettura-scrittura detta drive, all'interno della quale l'utente può inserire i propri dischetti

  • I floppy disk sono di materiale plastico e ricoperti da un piccolo stato di sostanza magnetizzabile, devono essere tenuti lontano da campi magnetici

  • I tempi di accesso sono più alti di quelli dei dischi rigidi

  • Oggi sono comuni floppy disk da 3.5" (a bassa densità DS/DD o ad alta densità DS/HD) (capacità di memorizzazione 1440 KB)



I dischi ottici

  • I dischi ottici sono basati sull’uso di un raggio laser per operazioni di lettura

  • Quasi tutte le unità per dischi ottici consentono solamente operazioni di lettura poiché la scrittura è un'operazione complicata, che richiede delle modifiche fisiche del disco.

  • Quando le unità consentono la scrittura, i dischi ottici generalmente possono essere scritti una sola volta perché le modifiche fisiche che avvengono durante la fase di scrittura sono irreversibili



I dischi ottici

  • I dischi ottici vengono usati solitamente per la distribuzione dei programmi e come archivi di informazioni che non devono essere modificate

  • I dischi ottici hanno una capacità di memorizzazione superiore rispetto ai dischi magnetici

  • Le dimensioni tipiche per i dischi ottici utilizzati oggi vanno dai 500 MByte in su, fino a uno o più GByte

  • I dischi ottici hanno costo inferiore e sono molto più affidabili e difficili da rovinare







I dispositivi di input/output

  • I dispositivi di input/output (anche detti periferiche), permettono di realizzare l'interazione tra l'uomo e la macchina

  • La loro funzione primaria è quella di consentire l'immissione dei dati all'interno dell'elaboratore (input), o l'uscita dei dati dall'elaboratore (output)

  • Solitamente hanno limitata autonomia rispetto al processore centrale (sono completamente gestiti, controllati e coordinati dal processore)



I dispositivi di input/output

  • Una caratteristica comune a tutti i dispositivi è quella di operare in modo asincrono rispetto al processore

    • Consideriamo una tastiera che produce dei dati di input. Il processore non è in grado di prevedere e di controllare il momento in cui un dato di input sarà a disposizione
    • Allo stesso modo, il processore non può prevedere il momento in cui un dispositivo in output avrà terminato di produrre i dati in uscita
  • Sono pertanto necessarie delle forme di sincronizzazione tra i dispositivi e il processore



I dispositivi di input/output

  • Un dispositivo di input deve avvertire il processore quando un dato di input è disponibile

  • Un dispositivo di output deve avvertire il processore quando ha terminato di produrre dati in uscita

  • Le operazioni di sincronizzazione delle attività sono fondamentali nell'interazione tra il processore e i dispositivi

  • I dispositivi che hanno terminato un'operazione inviano al processore un segnale, detto interrupt, per richiedere l'attenzione del processore stesso



I dispositivi di input/output

  • Ad ogni ciclo di clock, l'unità di controllo, prima di iniziare l'esecuzione della prossima istruzione del programma in corso, verifica se è arrivato un segnale di interrupt da parte di qualche dispositivo

  • Se non c'è nessun segnale di interrupt il processore prosegue normalmente, altrimenti sospende per un attimo l'esecuzione del programma in esecuzione ed esegue le operazioni richieste dal dispositivo

  • I vari dispositivi di input/output sono collegati al processore attraverso un bus, su ognuno dei quali viene inserito una componente hardware, il controller, che gestisce la comunicazione con il dispositivo



I dispositivi di input/output: il terminale

  • Il terminale è il più comune strumento di interazione tra l'uomo e la macchina

  • È costituito da due dispositivi indipendenti: uno di input, la tastiera, e uno di output, il video

  • La tastiera è il principale dispositivo di input nei moderni sistemi di elaborazione

  • I tasti possono essere così raggruppati :

    • tasti alfanumerici;
    • tasti speciali (il tasto ENTER, il tasto BACK SPACE, il tasto LINE FEED ecc.);
    • frecce direzionali;
    • tasti funzione


I dispositivi di input/output: il terminale

  • La tastiera non ha capacità di elaborazione, l'unica cosa che è in grado di fare è di avvertire il processore ogni volta che un carattere è disponibile in ingresso

  • Si tratta quindi di un dispositivo di ingresso a carattere

  • È compito del sistema quello di prelevare il carattere, depositarlo in una memoria temporanea ed infine, al termine dell'immissione, passare i dati di input raccolti nella memoria temporanea al programma cui erano destinati



I dispositivi di input/output: il terminale

  • La tastiera è un dispositivo di input cieco, nel senso che l'utente non può vedere i dati immessi nel calcolatore

  • Per questa ragione la tastiera è utilizzata insieme ad un dispositivo di output su cui vengono visualizzate le informazioni fornite tramite tastiera

  • La tastiera e il video non sono direttamente collegati tra loro: è compito del processore riprodurre sul video tutte le informazioni fornite in input tramite la tastiera



I dispositivi di input/output: il terminale

  • Dal punto di vista fisico, un video può essere visto come una matrice di punti illuminati con diversa intensità

  • Ogni punto sullo schermo prende il nome di pixel e un'immagine viene quindi composta accendendo o spegnendo i pixel sullo schermo

  • Ci sono video in bianco e nero o a colori e inoltre si deve distinguere tra video a carattere, e video grafico



I dispositivi di input/output: il terminale

  • Oggi sono comuni video con un numero di colori che va da 256 fino a 16 milioni

  • Esistono video a diversi livelli di risoluzione, cioè con diverse densità di pixel; nei personal sono oggi comuni video con risoluzioni che vanno da 640 X 480 fino a 4096 X 3300 pixel (altissima risoluzione)

  • La dimensione di un video viene misurata in pollici e fa riferimento alla lunghezza della diagonale

  • Ad esempio, quando si parla di un video a 14 pollici, indicati come 14", si intende un video con una diagonale lunga 14 pollici



I dispositivi di input/output: il terminale

  • Oggi quasi tutti i computer hanno un dispositivo di puntamento detto mouse

  • Una freccia indica la posizione del mouse sul video e lo spostamento del mouse sul tavolo viene comunicato al processore, che produce lo spostamento corrispondente della freccia sul video

  • Una volta raggiunta la posizione desiderata, premendo uno dei pulsanti del mouse si genera un segnale in input che può corrispondere a diverse funzioni



I dispositivi di input/output: le stampanti

  • La stampante è un dispositivo di output che consente la stampa su carta delle informazioni

  • La velocità di stampa, che viene solitamente misurata in linee al minuto o in caratteri al secondo, e la risoluzione (qualità) di stampa, che indica quanto precisa è la riproduzione dei simboli, sono parametri in base ai quali si valutano le prestazioni di una stampante



I dispositivi di input/output: le stampanti

  • Esistono diversi tipi di stampanti; i più comuni sono:

    • Stampanti a margherita o a testina rotante
    • Stampanti ad aghi
    • Stampanti a getto di inchiostro.
    • Stampanti laser


I parametri di una architettura

  • Clock (velocità del processore, influenza tempo di esecuzione istruzione elementare) 1:3 GHz

  • Numero (10:60) e funzione dei registri

  • Dimensione del bus 32 bit

  • Spazio di indirizzamento della memoria 4 Gbyte

  • Quantità di memoria cache 64:256 Kbyte

  • Quantità di memoria centrale 256-512 Mbyte

  • Capacità dell’hard disk 10:80 Gbyte

  • Velocità del bus 100 MHz





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