Dall'architettura di Von Neumann al personal computer

Dall’architettura di Von Neumann al personal computer

È un’architettura che si rifà a questo ungherese Von Neumann che è scappato negli Stati Uniti ed è stato uno degli artefici del “progetto Manhattan” che è ciò che ha portato alla creazione della bomba atomica (il suo scopo era quello che la bomba atomica uccidesse il maggior numero di persone).

Quando deve costruire il primo computer, il calcolatore elettronico ENIAC di Filadelfia, si chiedeva: “dove vado a mettere i risultati? dove memorizzo i risultati che trovo?”.

La memorizzazione temporanea dei dati nei registri ci permette di comprendere la modalità con cui il computer esegue i calcoli → problema dove mettere:

• I risultati del calcolo
• Le istruzioni necessarie al calcolo

La soluzione era quella di infilare sia i dati che le istruzioni nella memoria del computer → da cui l’architettura di Von Neumann, che fa sì che sì che il nostro computer abbia sia dati che istruzioni in memoria.

Architettura di Von Neumann

• Distingue le unità di elaborazione dell’informazione dalle unità di memorizzazione
• Comprende quattro componenti principali
• Fa uso di un bus, ovvero di una serie di fili a cui sono collegati tutti i componenti del calcolatore

Dall’architettura di Von Neumann al personal computer 1

Questa architettura è costituita da 4 componenti, noi vediamo il computer come costituito da 4 pezzi, divisi in due: da un lato ciò che memorizza l’informazione, dall’altro ciò che elabora l’informazione. Questi 4 componenti sono collegati da un bus (e il bus è uno dei 4 componenti):

CPU

1. CPU (unità centrale di operazione o Central Processing Unit)

Dentro la CPU c’è:

• Unità di controllo (quella che apre e chiude i latch)
• Unità logico aritmetica ALU
• Registri

La CPU è collegata in ingresso e in uscita è collegata al bus (che non è quello il bus della CPU per i registri etc, ma un altro più macroscopico che collega i 3 componenti).

La CPU può effettuare collegamenti verso l’esterno secondo due modalità:

• Accedendo alla memoria centrale
• Attraverso istruzioni di input/output

In entrambi i casi viene fatto uso dei cosiddetti “indirizzi”. Un indirizzo è un numero binario che consente di identificare (e quindi di raggiungere) esattamente una cella di memoria, analogamente all’indirizzo che ci consente di identificare (e di raggiungere) una località sulla terra.

Unità di memoria

2. Unità di memoria

Questa è la vera e propria RAM (random access memory, memoria d’accesso casuale) ovviamente anche lei è collegata in ingresso e in uscita al bus, perché potrebbe avere delle informazioni che deve dare al processore che viene processata e rimandata indietro.

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Unità di I/O

3. Unità di I / O

Modo per interagire con il mondo esterno Input e Output che anche loro sono collegate al bus ma è ovvio che l’unità di input è collegata in ingresso al bus e l’output in uscita.

Bus

4. Bus

Bus di sistema, per differenziarlo dall’altro bus del processore, perché tutto il sistema colloquia tramite questo bus.

Chip e celle di memoria

CHIP → registri che vedevamo costituiti da 8 bit sono registri che vanno bene per i processori ma nel momento in cui dobbiamo gestire una quantità enorme di memoria, come la RAM, allora la disposizione è diversa e la disposizione logica di questi circuiti flip-flop è una disposizione a quadrato.

16 x 16 = 256 bit

Come si effettua la selezione dei dati all’interno di un chip?

• Le celle di memoria sono strutturate come una matrice, secondo righe e colonne
• Per selezionare una particolare cella basta attivare la corrispondente riga e la corrispondente colonna.

Supponiamo che l’indirizzo sia 00111001:

I primi 4 bit indicano la riga (0011 in base 2 = 3 in base decimale), mentre i restanti 4 bit indicano la colonna (1001 in base 2 = 9 in base decimale).

In corrispondenza della riga 3 e della colonna 9 c’è una cella il cui valore è 1.

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Quante informazioni devo utilizzare per arrivare a leggere 1 bit: 16 colonne corrispondono a 16 stati: logaritmo in base 2 di 16 → 4. Necessito di 4 bit per gestire 16 stati righe. E altri 4 per colonne, quindi con 8 bit totali per leggerne 1.

Gli ingegneri, siccome usare 8 bit per leggerne 1 è dispendioso, hanno pensato che se di chip ne metto 8, con lo stesso indirizzo io posso accedere all’informazione di altri chip: con lo stesso indirizzo ad 8 bit riesco a leggere 8 bit.

Il numero binario è scritto su più chip → non cambia niente se non che con 8 bit ho 8 bit di informazione.

Questo consente che il nostro chip abbia un sistema che consente di recuperare l’informazione. Se distribuisco l’info con gli 8 chip, se si rovina l’8 chip, della singola sequenza da 8 bit perdo solo l’ultima cifra (che era 0 o 1). Ma le memorie sono costruite in modo intelligente perché oltre a questi 8 chip, ce n’è un nono (chip di parità), che scrive il risultato della somma binaria di tutti gli 8 i numeri.

1 0 0 1 0 1 0 0 1

Il risultato della somma è 1, se per caso l’ottavo chip non funziona

1 0 0 1 0 1 0 ???? 1

Ricavo il risultato dell’ottavo chip tramite la somma. La di tutti gli altri chip superstiti ho come risultato 1 e il chip di parità vale 1, quindi ottavo chip deve valere per forza 0 (numero che aggiunto ad 1 faccia 1).

Ciclo del processore

Ciclo perché quando accendiamo il computer e quando lo lasciamo a non fare nulla, lui in realtà non è in pausa ma fa sempre qualcosa, il processore esegue in modalità ciclica le operazioni descritte qui sotto:

• 1. Bisogna caricare l’informazione, chiamata anche fase di fetch. La fase di fetch utilizza il Program counter (PC) per prelevare dalla memoria l’istruzione che deve essere eseguita ed eventualmente i dati (per esempio se l’istruzione è “somma” saranno caricati anche i dati necessari a fare la somma, cioè i due

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Numeri da sommare). L’istruzione e i dati vengono caricati nel registro istruzioni; per caricare l’info, bisogna quindi conoscere l’indirizzo di questa info e lo chiedo al registro degli indirizzi (che è un po’ come la rubric