Architettura PC

Utenti PC: navigazione internet, facebook, google+, twitter, mail, svago, scrittura lettere...

La maggior parte degli Utenti PC ignora i componenti interni di un PC ed il funzionamento logico

Noi indagheremo proprio in questo campo

Architettura e struttura di un PC

Tutti i PC basano la loro architettura su quella nota come Architettura di Von Neumann

La logica di funzionamento e le componenti logico/funzionali di un computer sono note dagli anni 40 e rispondono al nome di Architettura di Von Neumann

L' AVN Non è un computer ma un MODELLO LOGICO/FUNZIONALE

MODELL DI VON NEUMANN

Clock

Macchina sincrona: le istruzioni/operazioni iniziano appena dopo il tick del clock e terminano subito prima del tick successivo

Segnale di clock

Tick

Principio di funzionamento

CU inizia il prog dalla prima istruzione, carica i dati e decodifica l'istruzione e quindi la passa all'ALU per l'esecuzione

I risultati intermedi o finali vengono depositati in memoria o su un dispositivo di output

Passa alla successiva istruzione da eseguire grazie ad uno speciale puntatore ( il registro Program Counter)

Il processo viene ripetuto sino al termine del programma

Byte e BUS (1)

Tutti i componenti comunicano tra loro per mezzo dei BUS che sono dei collegamenti elettrici su cui viaggiano i bit

I bit sono logicamente accorpati in byte, un insieme di 8 bit

I BUS possono essere a 8, 16, 32, 64 bit cioè raggruppano 8, 16, 32, 64 ”fili” di collegamento 

Struttura Fisica dei PC

Un contenitore (CASE o CORPO MACCHINA) Un alimentatore Una piastra di circuito stampato (la scheda madre o 

matherboard) Una CPU alloggiata sulla scheda madre Dei banchi di memoria alloggiati anch'essi nella 

scheda madre ...+ molti altri componenti.... 

Struttura Fisica PC

Il CASE o CORPO MACCHINA

Tre tipi fondamentali di CASE Case standard Case integrato Case portatile

Case Standard (1)

Case Standard (2)

Case Standard (3)

Può contenere Scheda madre Alimentatore (uno o due) Molte periferiche tra cui

Lettore/Masterizzatore CD/DVD(1 o 2) Da 1 a 4 Hard Disk Schede video (nella scheda madre integrate o no) Schede audio (nella scheda madre integrate o no)

Case Standard (4)

È costituito in metallo o alluminio

All'inizio: disordine e no standardizzazione

In seguito: standardizzazione e abbattimento dei costi (la standardizzazione fa si che ci siano pochi titpi di case con alcuni diversi fattori di forma adatti a contenere gli altri componenti)

Le connessioni con periferiche esterne sono di solito rese disponibili sul retro del case (la maggior parte) e alcune (audio/usb) sul pannello anteriore

Si può espandere facilmente inserendo nuove periferiche/componnti

Case Integrato

Case Integrato (2)

E' stato introdotto storicamente dalla Apple Lo schermo è un po più spesso e contiene tutti i 

componenti elettronici e fisico/meccanici fondamentali (scheda madre, memorie, Hard Disk, masterizzatore cd/DVD, etc.)

Meno diffuso del case standard ma più ”prestigioso” e più caro

Difficilmente espandibile

Case Portatile

Case Portatile (2)

IBM 5100, il primo computer trasportabile PESO: 24 KG!!! I portatili attuali sono l'ultima evoluzione di quello! Attualmente i portatili si vendono quanto i PC con 

Case standard e sono molto più leggeri Contengono al loro interno tutta l'elettronica 

necessaria Tutto ciò è stato reso possibile dall'evoluzione...

Case portatile (3)

Sempre più leggeri, più potenti e veloci Il limite alla riduzione delle dimensioni è la 

dimensione dell'Hard Disk e lo spazio necessario per le connessioni oltre alla dissipazione del calore della CPU

Notebook   Netbook→

Connessioni di solito sui lati così come il masterizzatore

La scheda Madre

Componente fisico principale: si tratta di una piastra di circuito stampato a più livelli (…) che raccoglie tutta l'elettronica del PC tranne l'alimentatore

Nelle prime schede madri solo HW per le funzioni principali...ora contiene in modo integrato anche l'HW per schede audio, video, schede di rete

Così come per i case ancora di più per le schede madri si è arrivati ad una standardizzazione con pochi fattori di forma che si possono adattare ai vari case in produzione o viceversa. Anche per i portatili

La scheda Madre (2)

Struttura Scheda Madre Standard

I BUS

BUS (a cosa servono): sono i sistemi/sottosistemi che trasferiscono i dati e a volte l'alimentazione all'interno della matherboard e tra questa e le periferiche esterne

BUS (a livello fisico) : sono delle connessioni elettriche realizzate con “piste” di rame o altro materiale conduttivo nella scheda madre o con “fili” raggruppati in “piattine” di solito, che servono per traferire dati (sopratutto) e alimentazione (USB)

BUS – Seriali e Paralleli

PATA e SATA ( parallel/Serial Advanced Technology Attachment) servono per collegare la scheda madre con le periferiche interne, tipicamente gli Hard Disk

Gli ultimi hard Disk hanno di solito una interfaccia SATA, sino a qualche hanno fa c'erano solo i PATA che si chiamavano semplicemente ATA o anche IDE o EIDE (Enanched Integated Drive Electronics)

http://it.kioskea.net/contents/pc/ide­ata.php3

Trasmissione Parallela

In questo tipo di trasmissione vengono trasmessi più bit in un colpo (tick) solo

Per Es. 8 bit = 1 Byte (in realtà 32, 64...) Ogni byte viene trasmesso su 8 piste parallele, 

ognuna delle quali pota sempre un byte dello stesso peso (sapete cosa è vero?)

Funzionamento 1° tick: device scrivente pone il byte sul Bus 2° tick: device rivevente riceve il byte dal Bus

Trasmissione Seriale

La trasmissione avviene un bit alla volta su un unico filo/pista (a livello logico in realtà si usa più di un filo/pista per vari motivi legati alle codifiche di segnale ed alle alimentazioni)

Sembrerebbe meno conveniente della trasmissione parallela ed invece vale il contrario a causa delle interferenze elettromagnetiche che sono molto forti nel caso di trasmissione parallela e che riducono il numero di bit a secondo che si possono inviare (questo nel caso PATA Vs SATA)

SATA

Un byte è trasmesso un bit dopo alla volta con una sequenza precisa (dal più significativo al meno significativo o viceversa)

Funzionamento 1° tick: il bit viene posto sul bus dal device scrivente 

o trasmettitore 2° tick: il bit viene ricevuto dal dispositivo ricevente

Per le periferiche esterne è ormai usato solo il tipo seriale (USB è un esempio)

SATA è per gli Hard Disk

Struttura Bus Motherboard

I Processori: CPU e GPU

I processori sono gli elementi fondamentali di ormai tantissimi componenti presenti in tantissimi oggetti di uso comune

CPU: Central Processing Unit o Unità Centrale di Processo

GPU: Graphical Processing Unit o Unità di processo Grafica (processore grafico)

CPU

E' il componente fondamentale del PC: il suo compito è quello di eseguire il programma contenuto in memoria (VON NEUMANN)

La CPU è costituita da un certo numero di Unità a discrezione dei progettisti ma sicuramente contiene

CU (control Unit) ALU (Arithmetic Logic Unit) Registri (tra cui l'acc, il program counter, etc)

Esempio Di CPU

CPU – Unità di cui è composta

Un'unità a virgola mobile (FPU, Floating Point Unit): si occupa di eseguire i calcoli con i numeri con la virgola detti numeri a virgola mobile. E' una unità fondamentale in quanto solleva l'UC e la ALU dallo svolgimento di tali calcoli

Una unità di gestione della Memoria detta MMU, Memory Managment Unit: è una unità fondamentale che serve per “mappare” gli indirizzi logici dei programmi in indirizzi fisici (ora ve lo spiego) e di gestire la ciddetta memoria virtuale

MMU - Mapping e Memoria virtuale

I programmi soco fatti in modo tale da “pensare” di iniziare sempre all'indirizzo 0 e terminare all'indirizzo n in memoria: in realtà no è cosi e la traformazione di questi indirizzi detti LOGICI in quelli reali detti FISICI è svolta dalla MMU

Memoria virtuale: oltre a ciò spesso essi “credono” di avere a disposizione una memoria (RAM) molto maggiore di quella reale (fisica) presente nel PC: a tale scopo si usano delle zone di Disco come estensioni della RAM e tutto ciò è gestito dalla MMU

Ciclo di Funzionamento della CPU

Ciclo di Funzionamento della CPU

Instruction Fetch (Acquisizione dell'istruzione): il processore (CU) preleva l'istruzione dall'indirizzo logico memorizzato nel  Program Counter

 Decodifica dell'istruzione (Decode): sulla base del contenuto dell'istruzione il processore (CU) determina il tipo dell'istruzione ed i suoi (eventuali) dati su cui agire (detti operandi)

Esecuzione dell'istruzione (Execute): l'alu provvede ad eseguire il calcolo richiesto ed a inserire il risultato in uno dei registri. Inoltre il Program Counter  viene aggiornato per puntare alla prossima istruzione da eseguire

Miglioramenti CPU

Il funzionamento descritto è semplice da capire ed è seriale (ogni fase segue l'altra)

Per aumentare le prestazioni ngli anni si sono usate varie tecniche tra cui il piping o pipeniling (una tecnica per cui mentre una istruzione è eseguita dalla ALU la CU già preleva la 2° successiva e si  decodifica la successiva

Multi Core: più (core) cpu insieme che possono lavorare in parallelo cioè in contemporanea

GPU

I primi PC avevano un connettore nella scheda madre prima ISA e poi PCI o AGP su cui inserire la scheda grafica

Attualmente molte schede madre hanno la scheda grafica integrata nella scheda stessa e si chiama GPU (processore grafico)

La GPU è un processore con architettura PARALLELA il cui scopo è sollevare la CPU dalla gran mole di calcoli che sono necessari per la ricostruzione grafica 

GPU - Caratteristiche

È progettata esplicitamente per la grafica

Esegue in modo molto efficiente le operazioni in virgola mobile

Utilizza set di istruzioni dedicate per la grafica e per la decodifica video

Grazie ad esse oggi vediamo sfumature, ombre ed altri effetti grafici oltre a video in HD sui nostri PC

Può viene usata anche come ausilio al processore per effettuare grandi moli di calcoli, utilizzando speciali istruzioni

CPU Vs GPU

La CPU ha Grande CU per compiti molto diversi (processore 

generico) Grande cache

La GPU ha Piccole CU (poche istruzioni specializzate) e piccole 

cache Molte ALU Architettura parallela (esecuzione contemporanea)

CPU Vs GPU

Le MEMORIE

CACHE: è una memoria o un sistema di più memorie che sono molto piccole (max ~2­4 MB) e molto veloci che permettono di ridurre il numero di accessi alla MC aumentando notevolmente la velocità di elaborazione

ROM (chip non volatile, cioè permanente, ossia che conserva i dati/programmi anche ad alimentazione spenta) che contiene i programmi che vengono eseguiti all'avvio cioè il controllo dell'hardware ed il caricamento del sistema operativo

LE MEMORIE

RAM: è la memoria in cui risiedono, a computer acceso, i dati e i programmi in esecuzione.

MEMORIE DI MASSA (trattate successivamente) sono sempre presenti nei PC e sono costituite da Hard Disk, dischi a stato solido, lettori di supporti ottici o magnetici

RAM - Caratteristiche

RAM Random Access Memory, memoria ad accesso casuale (spiega), il nome deriva da questo fatto anche se è scorretto, ma è ormai d'uso comune

Anche le ROM sono ad accesso casuale Volatile (spiega) Permanente (la RAM no) Hard Disk, CDRom, DVD, 

ROM Sono normalmente formate da più chip, chiamate 

banchi di memoria, con capacità che giungono sino a 8 GByte

RAM – Pincipio di funzionamento

Struttura fisica: matrice di celle elementari formate da centinaia di righe e centinaia di colonne ognuna formata da un piccolo condensatore: carico = 1 scarico = 0.

RAM Dinamiche: periodicamente ci vuole u refresh per mantenere le cariche

SDRAM (Synchronous Dinamych RAM): permettono il piping per trattare più byte contemporaneamente

La velocità della RAM è il principale limite di velocità dei PC odierni: il piping lo attenua