Appunti su architettura hardware e software di un calcolatore

Informatica: teoria (non da studiare)

Informatica: scienza della rappresentazione e dell’elaborazione dell’informazione.

Il termine deriva dalla contrazione dei termini “informazione-automatica”.

Si occupa di trattare l’informazione tramite procedure automatizzate.

Il computer è uno strumento per la rappresentazione e l’elaborazione delle informazioni.

Informazione: ciò che riduce o elimina l’incertezza; si crea con l’interpretazione dei dati.

Dati: rappresentazioni di un fenomeno attraverso simboli, che sono contenute su supporti.

Sistema informatico: sistema composto da hardware e software, che elabora dati e informazioni.

Sistema (Hardware: computer, reti, apparati elettronici; Software: sistemi operativi, applicazioni) insieme delle attività logiche di gestione.

Sistema informativo:

Calcolatore: esecutore di azioni elementari.

Cosa è possibile fare con un calcolatore?

• Word processing (memorizzare dati, stampare)
• Basi di dati (gestire archivi informativi)
• Accesso remoto
• Calcolo
• Simulazioni

Elaborazione dell’informazione come risoluzione di un problema

Dati di input, elaborati secondo sequenze di azioni elementari (è necessario individuare il metodo di elaborazione) con lo scopo di produrre dati di output.

Calcolatore: può non esistere un metodo risolutivo.

Non tutti i problemi sono risolvibili tramite un automatizzabile, il problema può presentare infinite soluzioni, oppure non viene trovato un metodo risolutivo.

I problemi eseguibili con un calcolatore vengono definiti calcolabili.

Funzioni.

Necessario un modo per rappresentare le informazioni in forma adatta alla memorizzazione da parte di un calcolatore: detta memorizzazione digitale.

Codifica binaria delle informazioni

Alfabeto binario (0/1) per codificare lo stato di dispositivi bistabili. (Esempio: lo 0 e l’1 possono indicare il passaggio o meno di luce).

L’entità minima di informazione codificabile attraverso la rappresentazione binaria è il bit (binary digit).

Sequenze di bit: ogni cifra binaria c nella sequenza s può assumere uno di due valori possibili: 0 o 1.

i s = c c … c 1 2 N 1 2

Con 1 bit posso codificare 2¹ = 2 informazioni; con 2 bit posso codificare 2² = 4 informazioni; con 3 bit 2³ = 8 informazioni… 2^N info BIT M N.

Gli N bit necessari per rappresentare M informazioni diverse sono 2^N ≥ M. → Il valore di N = [log₂ M].

Una sequenza di 8 bit viene detta byte e consente di codificare 2⁸ = 256 informazioni diverse.

Sistema internazionale delle unità di misura: KiloByte: 10³ byte; MegaByte: 10⁶ byte.

Rappresentazione dei caratteri

È necessario rappresentare un alfabeto di caratteri che comprenda le lettere, la punteggiatura, i simboli matematici (…). L’alfabeto include circa 220 caratteri (sono necessari 8 bit perché 2⁸ = 256).

Bit) (ASCII 7.

Codici: ↓

Sono state adattate delle convenzioni: bit ( ) EXTENDED ASCII 8.

• Nel 1968 viene introdotto il codice ASCII che codifica a 7 bit. ↓ bit UNICODE )(21
• Codice Extended ASCII che codifica a 8 bit
• Unicode che ora codifica a 21 bit. Permette la codifica di alfabeti di tutte le lingue.

Codice ASCII

Ogni lettera e ogni simbolo della tastiera ha una sua codifica numerica, regolarizzata dallo Standard ASCII. Vi è anche un ordine di grandezza: ad esempio la W viene dopo la V e infatti nei numeri nella riga in alto il codice associato a W è più grande di quello di V.

CALCOLATORE / simboli istruzioni binari ↓ dati elaborazione.

Calcolatore e computer

Calcolatore/computer: è un elaboratore elettronico digitale, costituito da componenti elettronici. Elabora dati grazie ad una serie di istruzioni, e la rappresentazione dei dati è basata sui simboli binari 0 e 1.

Computer:

Componenti principali di un computer

• Hardware (livello fisico): componenti elettronici che svolgono specifiche funzioni
• Software (livello logico): insieme di programmi che consentono all’hardware di funzionare

Hardware e software insieme permettono di ottenere l’elaborazione.

In cosa consiste l’attività di un calcolatore

Ambiente esterno interagisce con il calcolatore, vi è il trasferimento dei dati che, dopo essere stati mandati al centro di controllo, vengono elaborati e memorizzati.

1. Elaborazione (Unità Centrale di Elaborazione)
2. Memorizzazione (Memoria Elettronica/Magnetica)
3. Comunicazione (Periferiche (mouse, monitor, stampanti, scanner…), messe in relazione con il sistema tramite interfacce)

Queste tre funzionalità sono interconnesse grazie a dei cavi: sistema di collegamento chiamato bus.

Architettura hardware

Architettura: organizzazione e interconnessione delle componenti di un calcolatore. Quella dei dispositivi di calcolo è sostanzialmente identica per tutti.

Modello ideale della macchina di John Von Neumann

Componenti:

• Unità centrale di elaborazione (CPU-Central Processing Unit): processore costituito da dispositivi elettronici che acquisisce, interpreta ed esegue le istruzioni di un programma. Inoltre coordina il trasferimento dei dati all’interno del sistema. Elaborazione.
• Memoria centrale: contiene le informazioni necessarie per eseguire un programma. Memorizzazione.
• Interfacce di Input/Output: permettono di trasferire informazioni tra l’elaboratore e il mondo esterno; quindi forniscono il collegamento verso le periferiche. (Nella macchina di Von Neumann non sono presenti le periferiche). Comunicazione.
• Bus di sistema: permette il collegamento tra tutte le componenti.

Collegamento attività le tra 1) Unità di elaborazione dati controllo li AI ) Preleva DR CON AR ( e accede: → ; IR arrivano dati al ; → dato successivo PC.

1. CPU → → ; decodifica dati ( ) DECODER → coordina ALU → invia dati all’elaborazione → Componenti: esito ultima istruzione info su PSW → →

Componenti della CPU

• Unità di controllo (CU): svolge attività di gestione. Preleva i dati e le istruzioni dalla memoria centrale, li decodifica, coordina l’esecuzione dell’unità aritmetico-logica e infine invia i dati relativi ai risultati verso l’elaborazione.
• Unità aritmetico-logica (ALU): esegue le operazioni logiche e aritmetiche.
• Registri: sono unità di memoria con tempo di accesso breve, e contengono risultati temporanei legati all’elaborazione e informazioni di controllo.
• Bus interni: collegano la memoria, le unità e i registri. Quindi si occupano anche di mettere in comunicazione le sub unità di ogni componente della macchina. Decodifica di operazione µ.

Registri

• Instruction Register (IR): contiene l’istruzione corrente eseguita dal processore. È suddiviso in operation code (OC) e operand address (CA)
• Programm Counter (PC): contiene l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire
• Address Register (AR): consente l’accesso alla memoria centrale tramite l’indirizzo
• Data Register (DR): contiene i dati da/per la memoria o da/per le interfacce
• Registri R1, R2…: sono i registri di lavoro della ALU
• Program Status Word (PSW): contiene informazioni sull’esito dell’ultima istruzione eseguita (esempio overflow, anomalie dei dispositivo di I/O, divisione per zero…)

Ciclo di esecuzione delle istruzioni

Istruzioni: per ogni istruzione da eseguire la CPU svolge 3 operazioni:

1. Prelevamento delle istruzioni dalla memoria (fetch)
2. Decodifica (decode) (prelevamento dell’operando)
3. Esecuzione (execute)

1. 3.

Questo processo viene fatto ripetutamente.

Velocità operativa o di clock

Clock: la CPU è un circuito sincrono. Cambia il suo stato ad ogni impulso di un segnale di sincronismo detto clock.

Il tempo di esecuzione di un’istruzione si misura in cicli di clock.

La velocità della CPU viene misurata in termini di massima frequenza operativa, ovvero in base al numero di cicli di clock completati nell’unità di tempo. (Una frequenza di 1GHz consente fino a un miliardo di cicli di clock al secondo)