Il computer Modello di von Neumann Nel 1945

Il computer

Modello di von Neumann • Nel 1945 J. Von Neumann propose un modello di architettura per l’elaboratore elettronico • Tale modello è ancora in uso Memorie CPU Periferiche

CPU • CPU Central Processing Unit • Parte fondamentale di un calcolatore • Svolge le seguenti attività: – Riceve i comandi e dati da elaborare – Gestisce le periferiche e le memorie • Le operazioni che un processore può svolgere sono le seguenti: – Somma – Spostamento dati – Controllo delle memorie e delle periferiche collegate attraverso i bus

Clock • La CPU esegue delle operazioni in determinati istanti • Per fare c’ò c’è bisogno di sincronizzazione • La sincronizzazione è regolata da un orologio interno detto clock • Esso non è un vero orologio, ma un oscillatore che genera segnali di una determinata frequenza • Nell’arco di una o più oscillazione, la CPU deve eseguire una operazione • Maggiore è la frequenza del segnale e maggiore è la velocità della CPU

Memorie • Le memorie contengono i dati e i comandi da elaborare • Possono essere: – Interne- più veloci, meno capienti e più costose – Esterne – più lente, più capienti e meno costose

Gerarchia memorie

Tipi di memorie: la memoria RAM • Memoria RAM- memorie volatili: – SRAM Static RAM; ogni cella di memoria è costantemente alimentata per mantenere il dato più tempo; i tempi di risposta sono però più brevi – DRAM Dynamic RAM: ogni cella è costituita da u condensatore che mantiene la carica elettrica per un tempo limitato. Un circuito provvede a caricare costantemente il condensatore; sono molto veloci. Le DDR Double Data Rate sono una evoluzione delle DRAM; i dati sono trasferiti sia sul fronte di salita che sul fronte di discesa dell’impulso di clock

Tipi di memorie: le memorie permanenti • Le ROM Read Only Memory: memorie non volatili; una volta programmate possono essere solo lette; sono scritte in tempi di fabbricate. Sono più veloci delle memorie volatili e meno costose. • PROM Programmable ROM- possono essere programmate dall’utente, una volta programmata non può essere cancellata • EPROM Erasable PROM possono essere anche cancellate tramite dispositivi.

Registri • I registri sono memorie ausiliarie in grado di gestire più bit alla volta • Registrano dei dati da elaborare o elaborati, le istruzioni e gli stati • Sono memorie volatili, nel senso che perdono i dati se non sono alimentate • I registri a n bit sono in grado di gestire 2 n configurazioni

Memoria cache • • • Oppure memoria nascosta Sono memorie volatili ma molto più veloci dei registri e meno capienti Immagazzinano i dati ch devono essere utilizzati nell’immediato Si dividono in tre livelli Ogni core ha due livelli di memoria cache, il terzo livello è condiviso con tutti i core Le caratteristiche dei livelli sono qui riportate: livello Tempo di accesso Dimensioni L 1 1 -4 cicli di clock 16 -64 k. B L 2 8 -15 cicli di clock 256 -1024 k. B L 3 25 -50 cicli di clck 2 -10 MB

Memoria centrale • La memoria centrale è la parte dell’elaboratore che conserva momentaneamente il programma con tutte le informazioni ed istruzioni • Conserva inoltre i dati ricevuti in input, i risultati parziali e quelli finali prima di essere inviati in OUTPUT • È ad accesso casuale, di tipo RAM; è quindi volatile • I dati possono essere letti e scritti • La memoria è organizzata in celle di memoria disposte in una matrice righe per colone • Ogni cella di memoria ha un indirizzo riga e colonna espresso in esadecimale • Operazioni della memoria centrale: lettura, scrittura, controllo degli errori

Memoria centrale Decodifica colonne 0 1 2 3 Decodifica righe 0 1 2 3 4 011 100

Memoria secondaria: Hard disk • • • Hard disk: disco rigido; attualmente formato da più piatti a forma di disco Inventato nel 1956 dall’IBM ed aveva le dimensioni di un frigo ma solo 5 MB di memoria Attualmente, gli hard disk sono fatti di una sostanza vetrosa o allumino e rivestiti di materiale ferromagnetico come nikel o cobalto o ferro Le testine, due per ogni disco, servono per leggere o scrivere i dati dal disco In passato, le testine erano formate da due avvolgimenti di rame sensibili alla variazione del campo magnetico Attualmente, sono formate da resistori speciali che cambiano la loro resistenza al variare del campo magnetico Le testine non hanno alcun contatto sul piatto; sono sollevate da esso grazie ad un cuscino di aria che si genera con la rotazione del disco Quando il disco è fermo, le tesine si posizionano in una landing zone, una zona dedicata per posizionare la testina Gli hard disk attuali raggiungono la capacità di oltre 1 TB; un disco medio ha la capacità di 500 GB Gli hard disk, prima di essere utilizzati, devono essere formattati, si devono creare cioè delle aree di memoria dove posizionare i dati e i programmi; in genere gli hard disk, le chiavette USB e altri supporti di memoria, sono già formattati dal costruttore; l formattazione da parte dell’utente avviene o per cancellare tutti dati presenti o per creare delle partizioni, cioè delle aree di memoria riservate. Gli hard disk hanno sempre una o più partizioni primarie di piccola capacità dove sono inserite le informazioni minime per l’avvio del PC dopo la fase di bootstrap La memoria centrale spesso si serve della memoria secondaria per posizionare momentaneamente i dati in esecuzione. Lo scambi di dati tra hard disk e memoria centrale, si chiama swap

Hard disk

Memorie ottiche: CD, DVD, Blu-ray Disc • Le memorie ottiche sfruttano il principio del laser che può essere riflesso in maniera differente individuando così il livello zero e il livello uno • Le memorie ottiche si classificano nel seguente modo: – – – • • • I CD, Compact Dsc, ordinano i dati lungo un’unica traccia a forma di spirale che parte dal centro e procede verso l’esterno. I CD audio devono essere letti con una velocità abbastanza sostenuta e costante (CLV Constant Linear Velocity) dai 200 giri al minuto a minimo 200 giri al minuto. I dati invece, possono essere letti anche con velocità ridotta La velocità di lettura viene scritta sul lettore con una x che corrisponde a 153. 6 KB/s. La scritta 4 x, 8 x, 16 x…. . stanno ad indicare rispettivamente velocità 4 volte, 8 volte, 16 volte …. maggiore di x Il DVD Digital Versatile Disc è una evoluzione del CD; ha una capacità di memoria molto maggiore del CD dai 4. 7 GB ai 17 GB e anche una velocità di lettura. Blu –ray Disc- soo una ulteriore evoluzione del DVD grazie al laser che riesce a riconoscere maggiori dettagli e, le informazioni possono essere più compatte; la capacità è intorno ai 50 GB I supporti disponibili sia per i CD che per i DVD che per i Blu-ray Disc sono: – – – • Memorie ROM Read Only Memory, Memorie WORM Write Once Read Many, vi fanno parte i CD i DVD non riscrvibili. Una volta scritti, non possono essere cancellati ma solo letti Erasable: sono i CD e i DVD riscrivibili . CD ROM, DVD ROM, BD ROM le informazioni sono già scritte dal costruttore e non possono essere cancellate CD R DVD, R BD, R dischi non riscrivibili; possono essere solo letti CD RW, DVD RW, BD RW dischi riscrivibili più volte e quindi anche cancellabili

Memoria allo stato solido • SSD (Soslid State Disk) sono memorie di massa molto più veloci di quelle ottiche perché situate su circuito stampato e, l’accesso non avviene tramite la rotazione meccanica del disco con il conseguente vantaggio dell’aumento di prestazioni del PC

Principali vantaggi della memoria SSD • maggiore resistenza a vibrazioni e cadute in quanto, non c'è una testina che può strisciare il piatto • assenza di rumorosità • minore consumo di energia perché non ci sono parti in movimento • tempo di accesso ai dati molto inferiore a quello di un disco meccanico, dell'ordine di un decimo di millisecondo • velocità di lettura e scrittura maggiori • insensibilità alla frammentazione dei dati • minori possibilità di rottura • minore produzione di calore

Velocità di un microprocessore • La velocità di un microprocessore è dovuta ai seguenti fattori: – Numero dei bit con i quali il processore può lavorare in contemporaneo – Frequenza del clock- più grande è la frequenza, più veloce è il processore; la prestazione del calcolatore si denota con MIPS Mega Instructions Per Second e si calcola con Fc/(CPI*10^6) dove Fc è la frequenza del clock e CPI è il numero di clock per istruzioni – Numero di core, numero di microprocessori che formano un’unica CPU – Velocità delle periferiche

Periferiche • Dispositivi che consentono al processore di dialogare con l’esterno • Possono essere di INPUT, OUTPUTINPUT/OUTPUT • Periferiche di INPUT: tastiera, mouse, trackball, touchpad, joystick, lettore codice a barre, tavoletta grafica, scanner, webcam, fotocamera digitale • Periferiche di OUTPUT: scheda video, monitor, stampante, plotter, altoparlanti • Periferiche INPUT/OUTPUT: scheda audio, scheda di rete, video touch screen, modem ADSL

Standard di interfacciamento delle periferiche • Porta parallela LPT: porta parallela, inizialmente nata per connettere il pc alla stampante (Line Prin. Ter); nata come standard unidirezionale e poi sviluppata anche come standard bidirezionale con 25 pin; ormai in disuso • Porta seriale RS-232: standard nato nel 1969, formato da 9 pin ormai in disuso • USB: Universal Serial Bus; standard introdotto negli anni 90; introdotta per standardizzare in un unico protocollo di comunicazione cavi e connettori da utilizzare per la connessione e l'alimentazione tra computer e periferiche elettroniche. • PS/2: "PS/2 keyboard" or "PS/2 mouse" ; standard non più in uso; interfaccia il pc con il mouse e con la tastiera; è formata da 6 connettori • RJ 45: ingresso per il collegamento alla rete cablata; è formata da 8 pin • Audio Video, HDMI: le vecchie connessioni audio e video sono state sostituite dallo standard HDMI High-Definition Multimedia Interface

Standard di interfaccia delle periferiche PS/2 RS 232 RJ 45 HDMI

Evoluzione del microprocessore computer Frequenza di clock anno 8080 Intel 640 k. IPS at 2 MHz 1974 Intel 386 DX 8. 5 MIPS at 25 MHz 1988 Intel 486 DX 54 MIPS at 66 MHz 1992 Pentium I 133 MHz 541 MIPS 1996 Pentium II 450 MHz Pentium III 1 GHz 1999 AMD Athlon 3561 MIPS at 1. 2 GHz 2000 Intel Core 2 X 6800 27079 MIPS at 2. 93 GHz 2006 Intel Core i 7 Extreme Edition i 980 EE 147600 MIPS at 3. 3 GHz 2010