Informatica

Lezione 6

Scienze e tecniche psicologiche dello sviluppo e dell'educazione (laurea triennale)

Anno accademico: 2007-2008

Architettura dei computer

• Un computer deve:– elaborare l’informazione

• usando il processore (Central Processing Unit - CPU)

– memorizzare l’informazione• usando la memoria principale (RAM)• usando la memoria secondaria

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

Componenti principali di un computer

Unità centraleProcessore

Stampante

Periferiche di input/outputMemoria secondaria

Memoria principale

Tastiera e monitor

Periferichedel calcolatore

Memoria secondaria

• La memoria principale non basta (è volatile, costosa)

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

• È meno costosa che la memoria principale: le dimensioni della memoria secondaria sono di solito molto maggiori di quelle della memoria principale

Memoria secondaria

• 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 accesso sequenziale

(per esempio, nastri magnetici)

Ricordiamo: caricamento del programma

• All’aumentare della capacità di memoria di massa, aumenterà il numero di programmi e documenti che potete conservare nel vostro computer

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

• Questa operazione si chiama caricamento del programma e viene eseguita dal sistema operativo

Ricordiamo: caricamento del programma

• I programmi e i dati risiedono nel memoria secondaria• 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

Stampante Memoria secondaria

Memoria principale

Memoria secondaria

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

• dischi magnetici (hard disk e floppy disk)

• nastri magnetici

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

– sulla memoria flash (memoria elettronica allo stato solido)• USB memory card

Caratteristiche della memoria secondaria

• La memoria principale permette di indirizzare ogni singola cella (8, 16, 32 o 64 bit)

• Mentre nel caso della memoria secondaria le informazioni sono organizzate in blocchi di dimensioni più grandi (da 512 byte a 4 KB)– Si riducono le dimensioni degli indirizzi– Si velocizzano le operazioni di lettura e scrittura

La memoria magnetica

• Sfrutta il fenomeno fisico della polarizzazione

• Sul supporto ci sono delle particelle magnetiche

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

• La testina di lettura/scrittura rileva (e, nell’operazione di scrittura, può cambiare) la polarizzazione

I dischi magnetici

• I dischi magnetici: sono i supporti di memoria più diffusi

• Nel corso delle operazioni:– I dischi vengono mantenuti in rotazione a velocità

costante– 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 superficie di un disco in tracce e settori viene detta formattazione

• Tutti i blocchi contengono la stessa quantità di informazione, indipendentemente dalla loro posizione sul disco

• La tracce adiacenti e i settori consecutivi sono separati da una parte vuote (gap)

• 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 (noto il numero della traccia e il numero del settore)

– Per effettuare un’operazione di lettura/scrittura la testina deve “raggiungere” il blocco desiderato

• Il disco gira; la testina sposta solo in senso radiale• Seek time (o tempo di ricerca): il tempo necessario per

posizionare la testina sulla traccia richiesta• Latenza di rotazione: è il tempo per arrivare al settore cercato

(dato che la traccia è raggiunta)• Tempo complessivo per il trasferimento dei dati: tempo di la

lettura/scrittura + seek time + latenza di rotazione

I dischi magnetici

piattotestina

briaccio

piattitestine

I dischi magnetici

• Hard disk (disco rigido/fisso): sono dei dischi che vengono utilizzati come supporto di memoria secondaria fisso all’interno del computer– Vari GB di memoria

(normalmente >40 GB)– Circa 5000 – 10.000 giri al

minuto

• Floppy disk (dischetti flessibili): sono supporti rimovibili– Un solo disco, da 3,5 pollici di diametro, capacità 1,44 MB– Circa 300 giri al minuto

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

0 101

La memoria ottica

0 1 0 0 10101

I dischi ottici

• CD:– CD-ROM (CD-ROM ovvero Compact Disc Read

Only Memory): consentono solamente operazioni di lettura

• Poiché la scrittura è un’operazione che richiede delle modifiche fisiche del disco

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

– CD-R: possono essere scrivibile una sola volta– CD-RW: riscrivibili; basati su più strati di materiale

I dischi ottici

• DVD (Digital Versatile Disc): più capace e veloce del normali CD– Sviluppati per le immagini di “standard” TV (a 768

× 576 pixel)– DVD a doppio strato: un strato sotto l’altro; il primo

strato è realizzato in materiale semi-trasparenti

• Blu-Ray e HD-DVD: sviluppati per le immagini digitali di alta risoluzione (a 1920 x 1080 pixel)

I dischi ottici

• I dati non sono organizzati in tracce e settori:– Invece, sono organizzati in un spirale dal centro del disco alla

periferia– Accesso sequenziale, non diretto

• Hanno un capacità di memorizzazione superiore rispetto ai dischi magnetici estraibile– CD: normalmente 650 MB - 800 MB– DVD: normalmente 4.7 (singola faccia, singolo strato), 8.5 GB

(singola faccia, doppio strato), fino a 17 GB (doppia faccia, doppio strato)

• Blu-Ray: 25 GB per strato• HD-DVD: 15 GB per strato

• Hanno costo inferiore rispetto ai dischi magnetici, sono più affidabili e difficili da rovinare

Chiavi USB/USB flash drive• Memoria flash: riscrivibile ma

non volatile• Diffusi in vari formati e con vari

nomi (chiavi USB, memory card, compact flash, memory pen, memory stick, USB flash drive, USB stick, …)

• Nati del mondo delle immagini digitali (per fotocamere e telecamere) come supporto interno estraibile

• Dimensioni: normalmente 64 MB – 8 GB

• USB flash drive, USB stick: utilizzabile sulle porte USB di un personal computer

• Più veloce dei floppy disk, e facilmente trasportabili

• Anche usati nei Personal Digital Assistants (PDA), i lettori MP3

Unità di misura

• Floppy disk da 3,5 pollici di diametro, capacità 1,44 MB

• Dischetti ad alta capacità, Iomega Zip (100 – 750 MB), LS-120 (120 MB)

• Chiavi USB/USB flash drive: 64 MB – 8 GB• Hard disk, vari GB di memoria• CD-ROM, 650 MB - 800 MB• DVD, da 4.7 fino a 17 GB di memoria• Nastri magnetici, usati solo per funzioni di

backup

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

Architettura dei computer

• Un computer deve:– elaborare l’informazione

• usando il processore (Central Processing Unit - CPU)

– memorizzare l’informazione• usando la memoria principale (RAM)• usando la memoria secondaria

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

Componenti principali di un computer

Unità centraleProcessore

Stampante

Periferiche di input/outputMemoria secondaria

Memoria principale

Tastiera e monitor

Periferichedel calcolatore

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)

I dispositivi di input/output

• Si collegano alle porte 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 (esempio: porta USB,porta 1394)

USB

I dispositivi di input/output

• Le porte fanno parte di schede, che sono dispositivi interno al case (invulcro) del computer, e che sono connesse direttamente al bus

• Insieme, le porte e le schede di input/output realizzano l’interfaccia tra il bus e l’esterno

CPU RAM Interfaccia

dati

indirizzi

controllo

I dispositivi di input/output

• Trasmissione tra interfaccia e periferica può essere:– Seriale: un bit viene trasmesso per volta– Parallela: più bit vengono trasmesso contemporaneamente

• Nuovi standard di connessione seriale:– USB (Universal Serial Bus)– FireWire (standard IEEE 1394)– Veloce (possono superare 400 Megabit per secondo),

utilizzati comunemente

• Collegamenti seriali wireless (senza fili):– Per esempio, Bluetooth, basato su onde radio (circa 16

Megabit per secondo)

I dispositivi di input/output

• Input:– Tastiera– Mouse (e altri strumenti

di puntamento)– Scanner– Microfono– Macchine fotografia e

telecamera digitale– Lettori di codici a barre

• Output:– Videoterminale– Stampante– Casse acustiche

• Input/output:– Touchscreen– Modem

I dispositivi di input/output

• Solitamente hanno limitato autonomia rispetto al processore centrale

• Operano in modo asincrono rispetto al processore (ne sono “schiavi” del processore)– Si parla di gestione master-slave: è il processore che

deve coordinare le attività di tutti i dispositivi– (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

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

• Al termine di ogni operazione i dispositivi inviano al processore un segnale, detto interrupt, che indica che il dispositivo ha bisogno di attenzione

I dispositivi di input/output

• 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

I dispositivi di input

• Il mouse: un dispositivo di puntamento– Una freccia (o un altro simbolo) 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(/simbolo) 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

– Come la tastiera: è “cieco”, non ha capacita di elaborazione

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

I dispositivi di output

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

• Scheda video:– Scheda che converte le informazioni di output del

processore in un segnale video che viene inviato tramite un cavo al monitor

– L’immagine che vediamo sul video (opportunamente codificata) viene memorizzata in una memoria specializzata detta memoria video (VRAM) (risiede sulla scheda video)

– Esistono schede video con accelerazione 2D oppure 3D: hanno la capacità di elaborazione

I dispositivi di input/output

• Scheda audio:– Scheda che converte una segnale audio digitale in un

segnale audio analogico, riprodotti dai altoparlanti del computer

– Equipaggiato con un convertitore digitale-analogico – Normalmente, le schede audio anche possono ricevere

input (per esempio, da un microfono), che viene trasformato in un segnale digitale (la scheda è equipaggiato con un convertitore analogico-digitale)

• Touchscreen:– L’utente interagisce con il computer toccando lo schermo

(per esempio, ai sportelli bancomat)

Hardware: un esempio

• Videogioco 1: requisiti minimi di sistema– Scheda acceleratrice 3D con 32 MB di memoria– Processore Pentium III o Athlon a 800 MHz o superiore– 256 MB di RAM– 2,0 GB di spazio non compresso su disco (più 75 MB per le

partite salvate)

• Videogioco 2: requisiti minimi di sistema– CPU: 1,3 GHz– Memoria: 256 MB di RAM– Scheda video: 64 MB di RAM– Spazio libero sul disco rigido: 2 GB– Scheda audio: a 16 bit, compatibile con Sound Blaster

Classi di computer

• Personal computer/elaboratori desktop (da scrivania): costo variabile

• Portatili: simili ai personal ma hanno dimensioni molto ridotte: costo variabile

• Palmari: di dimensioni ridotte; si usano tenendoli nel palmo della mano

• Micro e mini computer: multi-utente; potenza di calcolo e costo > quello dei personal

• …

Classi di computer

• …• Workstation: per uso personale, ma

prestazione > quella dei personal• Mainframe: potenza > mini• Supercalcolatori: potenza > mainframe• Elaboratori paralleli: computer dotati di più

processori che svolgono diversi compiti simultaneamente