Modello logico funzionale, CPU e RAM

-Modello logico funzionale-

La struttura base di un sistema di elaborazione è la seguente:
1. unità centrale di elaborazione;
2. memoria centrale;
3. sistema I/O.
Queste componenti si scambiano dati e messaggi tramite cavi multipli chiamati “bus” tramite i quali viaggiano segnali elettrici.
Le periferiche di I/O si collegano alle altre due componenti tramite delle specifiche “porte”.

-I BUS-

Si possono distinguere tre tipologie di bus:
1. bus dei dati (data bus): è di tipo bidirezionale ( comunicazione cpu>dispositivi, dispositivi>cpu) e su di esso viaggiano dati ed istruzioni;
2. bus degli indirizzi ( address bus ): è di tipo unidirezionale ( comunicazione cpu>memoria centrale ) e serve alla cpu per indicare alla memoria centrale le locazioni interessate dalle operazioni;
3. bus di controllo ( control bus ): anch'esso è di tipo unidirezionale e permette alla cpu di inviare segnali alla memoria ed al sistema I/O per gestirli e renderli operativi.

-Il clock-

Affinché tutte le operazioni vengano eseguite in modo ordinato e la trasmissione di dati ed istruzioni mediante i bus sia regolare il sistema di elaborazione si serve di un particolare temporizzatore chiamato: “clock”.
Il clock emette dei segnali elettrici che coordinano le varie componenti del sistema.
La velocità di un clock nell'emettere impulsi si misura in Hertz e multipli.

-I Registri-

I registri sono memorie ausiliarie e temporanee ad accesso velocissimo ( più veloce di una RAM! ); più nel particolare si tratta di insiemi di elementi fisici bistabili chiamati bit.
Se il registro si compone di

bit, potrà assumere stati differenti; ogni stato rappresenta un dato contenuto nel registro.
Se ne distinguono differenti tipi, ognuno dei quali con un compito specifico:
1. pc ( program counter ): contiene l'indirizzo di memoria nel quale è allocata l'istruzione da eseguire; nel caso in cui l'istruzione sia complessa, cioè sia formata da sottoprogrammi, ed uno di questi ultimi diventi la prossima istruzione da eseguire, quella precedente viene salvata in un'apposita area della memoria centrale chiamata “stack” dalla quale sarà poi richiamata dalla cpu in quanto l'esecuzione di quest'ultima deve essere completata;
2. registro delle istruzioni ( Istruction register ): contiene le istruzioni in esecuzione; questo registro è suddiviso in due parti: codice operativo che indica il tipo di operazione richiesta ed indirizzi operandi che indicano invece le locazioni in memoria centrale nelle quali sono contenuti i dati con cui operare;
3. registri accumulatori: vi si immagazzinano temporaneamente gli operandi su cui opera la ALU;
4. registro di stato: contiene informazioni che riguardano lo stato del sistema di elaborazione in un determinato momento.

-La memoria centrale RAM-

La memoria centrale prende il nome di RAM ( Random Access Memory ) in quanto l'accesso ad una sua qualsiasi locazione, indipendentemente dalla sua posizione, richiede lo stesso tempo che richiederebbe l'accesso ad un'altra locazione.
Si tratta della più importante memoria volatile, in quanto in essa vengono caricate le istruzioni da eseguire ed i dati con cui operare ( istruzioni, dati in input, dati in elaborazione, informazioni ).
La memoria centrale può essere considerata come una matrice, nel senso che un qualsiasi indirizzo di memoria è dato dalla riga e dalla colonna in corrispondenza delle quali si trova la cella presa in considerazione.

-Parola-

La parola è l'insieme massimo di bit che la cpu può trattare contemporaneamente. Di solito una parola si compone di 2 Byte.

-CPU-

L'unità centrale di processo è il cuore della macchina in quanto permette l'esecuzione dei processi e gestisce le componenti del sistema di elaborazione. Si compone di tre elementi: registri, Control Unit, Atihmetic Logic Unit.
-Control unit ( CU ): ha il compito di decodificare le istruzioni trasformandole in segnali da inviare alle risorse operative. L'attività della CU si compie in tre fasi:
1. Fetch: la CU preleva l'istruzione indirizzata dal registro Program Counter e la pone nel registro delle istruzioni; ciò avviene inviando l'struzione del Program Counter alla memoria centrale tramite il bus degli indirizzi e ricevendo nel IR l'struzione proveniente dalla RAM mediante il bus dei dati;
2. Decode: la CU individua la lunghezza, il tipo di operazione e su quali dati si dovrà operare interpretando l'istruzione contenuta nel IR;
3. Execute: la CU esegue l'istruzione inviando eventualmente segnali alla ALU per eseguire l'istruzione richiesta.
-Arithmetic Logic Unit ( ALU ): l'unità aritmetico logica è la componente della cpu che compie, a livello hardware, operazioni aritmetiche elementari come somma, sottrazione, moltiplicazione e divisione, operazioni logiche, di confronto e di scambio tra registri. La ALU, per poter operare, si avvale di:
1. una rete logica di circuiti in grado di eseguire operazioni aritmetiche elementari, logiche, di confronto e scambio tra registri sugli operandi memorizzati nei registri riservati alla ALU;
2. uno o più registri accumulatori nei quali vengono immagazzinati gli operandi delle operazioni eseguite;
3. un registro di stato ( PSW, Process Status Word ), nel quale vengono memorizzate informazioni relative a condizioni del sistema che si sono manifestate dopo l'esecuzione di determinate operazioni.