Informatica 1ASA

Dispositivi

Di Input:                                    Di Output:

tastiera                                                    cuffie

mouse                                                     casse

lettore codici a barre                                 stampanti (laser, ad aghi, 3D)

webcam                                                   proiettore

microfono

touch pad

scanner

joy stick

penna guanto

Sia Input che Output:

hard disk esterni

visore

macchina fotografica

modem

schermo touch screen

dvd

chiavette

Architettura del calcolatore 

Il calcolatore è uno strumento programmabile per rappresentare, memorizzare ed elaborare informazioni. Esso è formato da molte componenti.

Studiare l’architettura di un sistema significa:

–individuare ciascuno dei suoi componenti

-comprendere i principi generali di funzionamento di ciascuno di essi

-comprendere come le componenti interagiscono

La 1a decomposizione di un calcolatore riguarda 2 macro-componenti:

-Hardware

-Software

Hardware

Ha un’architettura molto complessa.

La macchina di Von Neumann è un modello semplificato dei calcolatori moderni.

Macchina di Von Neumann 

E’ composta da 4 tipi di componenti funzionali:

–unità centrale di elaborazione (CPU), esegue istruzioni per elaborare i dati e svolge funzioni di controllo

–memoria centrale, memorizza e fornisce l’accesso a dati e programmi in esecuzione

–interfacce di ingresso e di uscita, componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore

–bus, svolge funzioni di trasferimento di dati e informazioni controllo tra le varie componenti funzionali

Ogni componente è specializzata nello svolgimento di una tipologia omogenea di funzionalità (trasferimento, scambio di dati con l’utente, elaborazione, controllo, memorizzazione)

Eccezione, CPU che svolge sia funzione di elaborazione sia di controllo.

Trasferimento 

-permette lo scambio di informazioni tra le varie componenti funzionali del calcolatore, trasferisce dati e informazioni di controllo

–collega ciascun componente con altri e collega tutti i componenti ad un unico canale, bus

-l’utilizzo di un bus favorisce l’espandibilità del calcolatore

Periferiche e interfacce di ingresso uscita 

Un calcolatore può essere collegato a dispositivi di ingresso e uscita, le periferiche, possono essere anche memorie di massa.

Nella macchina di Von, esse non fanno parte del calcolatore ed ogni periferica è controllata da un interfaccia, che ha il compito di tradurre segnali in un formato comprensibile e viceversa.

Memorizzazione

Un calcolatore memorizza i dati, che rappresentano informazioni di interesse e programmi per l’elaborazione dei dati.

L’unità responsabile di ciò è la memoria, un unità organizzata in celle, a cui ciascuna di esse è associato un indirizzo che la identifica. Una singola cella è in grado di registrare dei singoli dati o istruzioni.

Un unità di memoria fornisce 2 operazioni:

-memorizzazione di un valore in una cella (scrittura)

-accesso al valore memorizzato in una cella (lettura)

https://www.youtube.com/watch?v=AkFi90lZmXA.  

https://www.youtube.com/watch?v=p3q5zWCw8J4                     

https://www.youtube.com/watch?v=wteUW2sL7bc

CPU 

L’unità centrale di elaborazione, o processore, sta a capo dell’esecuzione di un programma, il cui è memorizzato nella memoria centrale come sequenza di istruzioni del linguaggio macchina.

Linguaggio macchina o Assembly è il linguaggio per cui il CPU si comporta da esecutore.

La CPU è composta da un unità di controllo e un unità aritmetico-logica.

Controllo

Il controllo tra le varie parti del calcolatore è svolto dall’unità di controllo, che è un componente dell’unità centrale di elaborazione. ogni componente del calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall’unità di controllo.

Il controllo consiste nel coordinamento dell’esecuzione temporale delle operazioni sia internamente all’unità di elaborazione sia negli altri elementi. Il controllo avviene in modo sincronico rispetto alla sanzione temporale imposta dall’orologio di sistema (Clock)

Elaborazione

E’ svolta dall’unità aritmetica-logica, componente dell’unita centrale di elaborazione.

le istruzioni del linguaggio macchina corrispondono ad operazioni elementari di elaborazione che sono:

-aritmetiche

-relazionali (confronto tra dati)

-su carattere e valori di verità

-altre numeriche

Un calcolatore svolge poche operazioni elementari, ma ne può eseguire decine o centinaia di milioni di istruzioni del linguaggio macchina al secondo.

Bus di sistema

Trasporta dati, indirizzi e comandi. Le sue componenti sono:

-bus dati (data bus)

-bus indirizzi (adress bus)

-bus comandi (command bus)

Data bus

Serve a trasferire dati tra:

-memoria centrale e registro dati (MDR) della CPU

-periferiche e CPU (o memoria centrale)

-bidirezionale

Adress bus

trasmette il contenuto del registro indirizzi (MAR) alla memoria o ad una periferica. Seleziona una cella per successive operazioni di scrittura/lettura. E’ unidirezionale.

Command bus

Invia comandi verso la memoria o verso una periferica; anch’essa è unidirezionale.

Elementi di una CPU

Unità di controllo

Svolge funzione di controllo e decide quali istruzioni eseguire.

Unità aritmetico-logica

esegue le operazione aritmetico-logiche

Registri

Hanno una memoria ad alta velocità, utilizzata per risultati temporanei e informazioni di controllo. Il suo valore massimo memorizzatile è determinato dalle dimensioni del registro a cui appartiene.

Esistono registri di uso comune e altri più specifici.

Clock

Sarebbe l’orologio interno del microprocessore. Esso emette un segnale di sincronizzazione per tutto il sistema e si misura in cicli/secondo(Hz):

400MHz=400×10^6Hz=4×10^8Hz

(il ciclo è eseguito in 2.5 x 10^-9s=2.5ns)

Ad ogni suo impulso si esegue un ciclo macchina. La velocità di un microprocessore dipende dalla frequenza del suo Clock, inoltre l’esecuzione di un’istruzione può richiedere più cicli.

Caratteristiche dei microprocessori

-Repertorio di istruzioni, l’insieme delle istruzioni che costituiscono il linguaggio macchina del processore (CISC,RISC,C-RISC)

-Frequenza del clock

Ampiezza del bus, numero di bit nel bus interno del processore -Co-processori, processori specializzati per operazioni complesse come il processore matematico

-Memoria cacche, memoria veloce interna al processore, che consente di accedere più velocemente ai dati da elaborare.

Memoria centrale

Detta principale, in essa si immagazzinano e si accede ai dati e programmi. È l’unico tipo di memoria da cui si accedere direttamente dal processore. È costituita da celle, locazioni e ognuna di essa può contenere una quantità fissa di memoria (numero di bit), detta parola.

Ogni cella all’indirizzo, un numero che la identifica e le consente l’accesso. Inoltre ha un valore, la sequenza di bit memorizzata in essa.

La memoria fornisce le operazioni di:

-lettura ovvero la consultazione del valore di una cella con un dato indirizzo

-scrittura modifica del valore di una cella con un dato indirizzo

Memorie RAM e memorie ROM

-Le memorie RAM (random access memory) possono essere accedute sia è in lettura che in scrittura, sono volatili e i dati memorizzati vengono perse lo spegnimento del calcolatore.

-Le memorie ROM (read only memory), sono persistenti, mantengono il. contenuto anche senza alimentazione, permettono solo la lettura di dato o programmi e memorizzano alcuni programmi di sistema (firmware)

Evoluzioni delle memorie ROM:

-PROM (scritte una sola volta)

-EPROM (scritte più volte)

Memoria cache

Memoria intermedia fra registri e ram

la RAM ha tempi di accesso molto alte rispetto alla velocità dei microprocessori e ne ritarda l’elaborazione.

Memorizza

il contenuto di celle della RAM che potrebbero essere acceduti nuovamente dalla CPU E sfrutta la località dei programmi

Strategia di utilizzo

la prima volta che la CPU carica dati dalla memoria centrale, questi sono caricati anche sulle cache. Le volte successive, i dati possono essere letti dalla cache, invece che dalla memoria centrale, che è più lenta.

Tipi di memoria di cache

-cache di 1° livello, contenuta nel microprocessore

-cache di 2° livello, raggiungibile successivamente