Componenti principali di un computer Unità centrale Processore Stampante Periferiche di input/output Memoria secondaria Memoria principale Tasteria e monitor

Componenti principali di un computer

Unità centraleProcessore

Stampante

Periferiche di input/outputMemoria secondaria

Memoria principale

Tasteria e monitor

Periferichedel calcolatore



Stampante


Memoria principale

Tasteria e monitor


I programmi

• I programmi: sequenze di istruzioni per l’elaborazione delle informazione

• Istruzioni macchina– operazioni elementari (somma dei numeri, confronta

due numeri, leggi/scrivi dalla memoria, ecc.)– Le operazione più complesse: sequenze di operazioni

elementari– Una sequenza di tali istruzioni: un programma in

linguaggio macchina

• Il processore: esegue programmi in linguaggio macchina



Memoria principale

Unità dicontrollo

Unità aritmeticologica

Program CounterREGISTRI

Registro di Stato

Bus Interno

Registro Istruzioni

Registri Generali 8 o 16…

Registro Indirizzi MemoriaRegistro Dati MemoriaRegistro di Controllo

Componenti del processore

• Il bus permette la comunicazione tra i vari componenti dell’elaboratore

• I registri sono usate per mantenere le informazioni di necessità immediata per il processore

• L’Unità di controllo:– Esegue le istruzioni dei programmi– Coordina le attività del processore– Controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la

memoria

• L’Unità aritmetico logica si occupa di eseguire le operazioni di tipo aritmetico/logico– Somme, sottrazioni, …, confronti, …

Clock

• Abbiamo visto che il processore svolga la sua attività in modo ciclico– Ad ogni ciclo corrisponde l’esecuzione

di un’operazione elementare (un’istruzione macchina)

• Il clock fornisce una cadenza temporale per l’esecuzione delle operazioni elementari

Clock

• Consideriamo una ipotesi semplificata in cui ogni battito di clock corrisponde esattamente l’esecuzione di una sola istruzione macchina– La frequenza del clock indica il numero di

operazioni elementari che vengono eseguite nell’unità di tempo

– Per tutti i computer del tipo PC, il clock ha circa 66 milione battiti per secondo

– Nell’ipotesi simplificata: un PC può eseguire circa 66 milione operazioni per secondo

Clock

• In realtà, questa ipotesi non è sempre vero– L’esecuzione di una istruzione può richiedere più

battiti di clock– Oppure nello stesso ciclo di clock si possono

eseguire di istruzioni diverse

Depende dal tipo di processore • Per esempio:

– Il processore Intel 80286 rechiede 20 battiti del clock per calcolare la moltiplicazione di due numeri

– Il processore Intel 80486 può calcolare la moltiplicazione di due numeri usando solo un battito del clock

Clock

• La frequenza si misura in:– MHz (1 MHz corrisponde circa a un milione di

istruzioni elementari/battiti al secondo)– GHz (1 GHz corrisponde circa a un miliardo di

istruzioni elemntari/battiti al secondo)

• Per esempio: se aquisate un calcolatore e vi dicono che ha un processore a 1 GHz– Vuol dire che il processore è in grado di

eseguire (circa) 1 miliardo di istruzioni al secondo



Stampante


Memoria principale

Tasteria e monitor




Memoria principale

012345

N

Sequenza di celle

– Ad ogni cella è associato un indirizzo (un numero progressivo a partire da 0)

Conserva i programmi e i dati usati dal processore

Memoria principale (RAM)

• Perchè si chiama RAM (Random Access Memory)?– È possibile effettuare l’accesso diretto (si

può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro indirizzo)

– Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso, indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza

– Il termine random indica proprio il fatto che non vi sono differenze nell’accesso alle varie celle della memoria


• Tutte le celle hanno la stessa dimensione: 8, 16, 32, o 64 bit

• Le operazioni che si eseguono sulla memoria sono operazioni di lettura e scrittura

• Una cella può contenere un dato o un’istruzione

012345

N

34513.200.9853.890

ADD R1 R2LOAD 56 R1LOAD 3568 R1


• Le unità di misura della memoria RAM variano a seconda del tipo di calcolatore e vengono espresse in MB

• Nei PC generalmente si va dai 128MB ai 512MB

• Alcune server hanno 1-2 GB di RAM


• Alcune proprietà della memoria principale– Veloce: per leggere/scrivere una cella ci

vuole un tempo di accesso dell’ordine di poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = 10-9 sec.)

– Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo l’alimentazione si perde tutto

– Costosa

L’Unità centrale: altri tipi di memoria

• Memoria di sola lettura (ROM)• Memoria cache• Buffer

Memoria di sola lettura (ROM)

• Non può essere modificata• A differenza della RAM non è

volatile• Veloce quasi come la RAM• Contiene le informazioni di

inizializzazione usate ogni volta che si accende l’elaboratore (bootstrap)

Memoria cache

• Livello di memoria intermedio tra i registri e la RAM– Memorizza i dati usati più spesso

senza doverli recuperare tutte le volte dalla RAM (che è più lenta)

– Influisce moltissimo sulle prestazioni e sul costo della CPU (e quindi del computer)

Memoria cache

• In genere è interna al processore (cache L1)

• Esiste anche una cache secondaria (L2) esterna al processore

• È molto più costosa della RAM• Le sue dimensione tipiche vanno

dai 256KB a 1MB

Buffer

• Piccole parti di RAM con funzioni di memoria temporanea

• Usati per il passaggio delle informazioni da un programma o dispositivo ad un altro– In Windows si parla di Clipboard,

memoria temporanea usata per esempio per le operazioni di Copia e Incolla


ProcessoreMemoria principale

ROM

Buffer

Cache L1

Cache L2



Stampante


Memoria principale

Tasteria e monitor


L’uso dell’informazione

• Un computer deve:– memorizzare l’informazione

•usando la memoria principale (RAM)• usando la memoria secondaria

– elaborare l’informazione •usando il processore (Central

Processing Unit - CPU)

– fare l’input/output dell’informazione• usando i dispositivi di input/output



•usando la memoria principale (RAM)•usando la memoria secondaria




Memoria secondaria

• Più lenta e meno costosa che la memoria principale

• In grado di memorizzare i programmi e i dati in modo permanente

• Quando si “lancia” un programma questo viene copiato dalla memoria secondaria (di solito un hard disk) nella memoria principale: caricamento del programma

Caricamento del programma

• I programmi e i dati risiedono nel memoria secondaria

Processore

Stampante Memoria secondaria

Memoria principale



• Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale

Processore


Memoria principale



• Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale

• Il processore è in grado di eseguire le istruzioni di cui sono composti i programmi

Processore


Memoria principale

Memoria secondaria

• La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua si utilizzano tecnologie basate:– sul magnetismo

• dischi magnetici (hard disk e floppy disk)• nastri magnetici

– sull’uso dei raggi laser• dischi ottici (CD-ROM, DVD)

Caratteristiche della memoria secondaria

• Le dimensioni della memoria secondaria sono di solito molto maggiori di quelle della memoria principale

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

• Non tutti i supporti di memoria secondaria permettono l’accesso diretto ai dati– Alcuni permettono solo un acesso

sequenziale (per esempio, nastri magnetici)

Caratteristiche della memoria secondaria

• La memoria principale permette di indirizzare ogni singolo byteMentre nel caso della memoria

secondaria le informazioni sono organizzate in blocchi di dimensioni più grandi (512 byte, 1 KB, 2 KB)• Si riducono le dimensioni degli indirizzi• Si velocizzano le operazioni di lettura e

scrittura

La memoria magnetica

• Sfrutta il fenomeno fisico della polarizzazione

• I due diversi tipi di magnetizzazione (positiva e negativa) corrispondono alle unità elementari di informazione (0 e 1)

• La testina di lettura/scrittura cambia la polarizzazione

I dischi magnetici

• Sono i supporti di memoria secondaria più diffusi

• 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

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

dette blocchi

Testina

Traccia Blocco

Settore

I dischi magnetici

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

• Il blocco è dunque la minima unità indirizzabile– Il suo indirizzo è dato da una coppia di

numeri che rappresentano il numero della traccia e il numero del settore

I dischi magnetici

• I dischi magnetici consentono l’accesso diretto– È possibile posizionare direttamente la testina

su un qualunque blocco– Per effettuare un’operazione di lettura/scrittura

la testina deve “raggiungere” il blocco desiderato

• Il disco gira; la testina sposta solo in senso radiale

I dischi magnetici

• Hard disk: sono dei dischi che vengono utilizzati come supporto di memoria secondaria fisso all’interno del computer– vari GB di memoria

• Floppy disk: sono supporti rimovibili– Ogni computer è dotato di almeno una unità

di lettura/scrittura– Oggi sono comuni floppy disk da 3,5 pollici di

diametro, capacità 1,44 MB

La memoria ottica

• Usa il raggio laser e sfrutta la riflessione della luce– Il raggio laser viene riflesso in modo

diverso da superfici diverse, e si può pensare di utilizzare delle superfici con dei piccolissimi forellini• Ogni unità di superficie può essere forata

o non forata • L’informazione viene letta guardando la

riflessione del raggio laser

La memoria ottica

0 1 0 0 10101

La memoria ottica

0 101

I dischi ottici

• Quasi tutte le unità per dischi ottici consentono solamente operazioni di lettura (CD-ROM ovvero Compact Disk Read Only Memory)– Poiché la scrittura è un’operazione che

richiede delle modifiche fisiche del disco

– Quando le unità consentono la scrittura, i dischi ottichi generalmente possono essere scritti una sola volta

I dischi ottici

• Vengono usati solitamente per la distribuzione dei programmi e come archivi di informazioni che non devono essere modificate

• Hanno un capacità di memorizzazione superiore rispetto ai dischi magnetici– Le dimensione tipiche per i dischi ottici

utilizzati oggi vanno dai 500 MB in su, fino a uno o più GB

– Hanno costo inferiore, sono più affidabili e difficili da rovinare

Registri

Mem. cache

Mem. centrale

Dischi magneticie/o ottici

Nastri magnetici

byte

Aumenta la capacità memorizzazione

KB

10*millisecondi

microsecondo/millisecondi

10*nanosecondi

nanosecondi

100*picosecondi

MB

GB

>10 GB

Aumenta la velocità di accesso



•usando la memoria principale (RAM)•usando la memoria secondaria






• usando la memoria principale (RAM)• usando la memoria secondaria

– elaborare l’informazione • usando il processore (Central





Stampante


Memoria principale

Tasteria e monitor


I dispositivi di input/output

• Per realizzare l’interazione uomo-macchina, sono necessari i dispositivi di input/output

• La loro funzione primaria è quella di consentire – l’immissione dei dati all’interno del

computer (input) o– l’uscita dei dati dal computer (output)


• Solitamente hanno limitato autonomia rispetto al processore centrale

• Si collegano alle porte (o interfacce) del computer– Ad alto livello le porte sono le “prese”

cui si connettono i dispositivi– Ne esistono di tipi diversi a seconda del

tipo di collegamento e della velocità di trasmissione


• Operano in modo asincrono rispetto al processore (ne sono “schiavi”)– (Input) Il processore non è in grado di

prevedere e di controllare il momento in cui un dato di input sarà a disposizione

– (Output) Il processore non può prevedere il momento in cui un dispositivo in output avrà terminato di produrre i dati in uscita


• 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

• Al termine di ogni operazione i dispositivi inviano al processore un segnale, detto interrupt


• Ad ogni ciclo di clock, il processore verifica se sono arrivati dei segnali di interrupt da parte dei dispositivi– Se sono arrivati dei segnali, il processore va

ad eseguire le operazioni di gestione dei dispositivi che hanno richiesto l’attenzione

– Se non sono arrivati dei segnali, il processore continua ad eseguire il programma corrente

I dispositivi di input

• La tastiera: il principale strumento di input– Ogni volta che l’utente digita un tasto, la

tastiera “avverte” il processore che un carattere è disponibile

– Non ha capacità di elaborazione– Un dispositivo di input cieco, nel senso che

l’utente non può vedere i dati immessi• La tastiera è utilizzata insieme ad un dispositivo di

output su cui vengono visualizzate le informazioni fornite tramite tastiera

• La tastiera e il dispositivo di output non sono direttamente collegati tra loro


• Il mouse: un dispositivo di puntamento– 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


• Altri dispositivi di input:– Scanner– Lettori di codici a barre– Microfono– Macchina fotografica e telecamera

digitale

I dispositivi di output

• Il video: visualizza i dati che l’utente inserisce in input e i risultati delle elaborazioni del calcolatore– Un video può essere visto come una matrice

di punti (pixel) illuminati con diversa intensità– La dimensione del video viene misurata in

pollici (lunghezza della diagonale del video)• Portatile: 12 ai 15 pollici• Desktop: 15 ai 17 pollici• Professionali: 17 ai 21 pollici


• Il video:ci sono due tipi di monitor– Cathode ray tube– Liquid crystal display

• L’immagine che vediamo sul video, opportunamente codificata, viene memorizzata in una memoria specializzata detta memoria video (VRAM)


• Altri dispositivi di output– Stampante– Schede audio

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