Appunti di Fondamenti di Informatica teoria - von Neumann

Von Neumann elaboratore

L’elaboratore (computer) è un’apparecchiatura digitale, elettronica e automatica capace di effettuare trasformazioni sui dati:

• Digitale: i dati sono rappresentati mediante un alfabeto finito, costituito da cifre (digit), che ne permette il trattamento mediante regole matematiche;
• Elettronica: realizzazione tramite tecnologie di tipo elettronico;
• Automatica: capacità di eseguire una successione di operazioni senza interventi esterni.

Macchina universale

Cambiando il programma residente in memoria, è in grado di risolvere problemi di natura diversa.

• La capacità dell’elaboratore di eseguire successioni di operazioni in modo automatico è determinata dalla presenza di un dispositivo di memoria nella quale sono registrati: i dati da elaborare e il programma, ossia la descrizione delle operazioni da eseguire su di essi;
• Il programma viene interpretato dall’unità di controllo;
• Qualunque dato o istruzione da eseguire deve essere trasferito in memoria centrale per poter essere utilizzato dalla CPU.

I microprocessori attuali sono dispositivi elettronici in grado di implementare all’interno di un unico circuito integrato le funzioni di un’intera CPU.

Memoria centrale

• L’unità di memorizzazione è il byte;
• Ciascun byte nella memoria è individuato da un indirizzo che lo distingue da tutti gli altri, costituito da un numero variabile da 0 a M-1 dove M è il numero di celle.

Esempio

• Ciascun byte nella memoria è individuato da un numero variabile da 0 a N-1 dove N è la dimensione in bit dell’indirizzo (numero di bit che servono per rappresentare un indirizzo).

La memoria centrale viene anche chiamata memoria ad accesso casuale o RAM (Random Access Memory): qualsiasi cella può essere letta/scritta in un tempo (mediamente) costante;

• Una parte della memoria centrale, la ROM (Read Only Memory), viene scritta in modo permanente in fase costruttiva: le celle della ROM possono essere successivamente lette (ed in generale contengono informazioni fondamentali, specialmente per l’inizializzazione dell’elaboratore), ma mai riscritte;
• La memoria centrale RAM è volatile.

Richiami

• L’architettura di Von Neumann definisce un modello per calcolatori a programma memorizzato;
• Principio di unitarietà di rappresentazione di dati e istruzioni che vengono memorizzati, all’interno dell’elaboratore, in maniera indistinguibile nella memoria centrale.

Architettura di Von Neumann

Unità centrale

• CPU che si divide a sua volta in:
  • Unità aritmetico-logica (o ALU);
  • Unità di controllo.
• Unità di memoria, intesa come memoria di lavoro o memoria principale (RAM, Random Access Memory).
• Unità di input, tramite la quale i dati vengono inseriti nel calcolatore per essere elaborati.
• Unità di output, necessaria affinché i dati elaborati possano essere restituiti all’operatore.

Unità centrale

• CPU
  • Unità aritmetico-logica (o ALU);
  • Unità di controllo;
  • Registri:
    • General purpose;
    • Special purpose.
• Memoria
• Bus, canale di comunicazione che collega tutti i componenti fra loro.

Bus (Binary Unit System)

• Canale di comunicazione che trasmette informazioni o dati di sistema nella forma di segnali elettrici tra i componenti di un elaboratore elettronico;
• È composto da fili in rame che costituiscono delle connessioni elettriche ognuna delle quali può trasmettere cifre binarie (0 o 1) in successione, l’insieme delle quali è interpretato dai vari componenti del sistema secondo protocolli prestabiliti (come valore numerico o altro tipo di informazione o controllo).

CPU

• Il compito della CPU è quello di eseguire le istruzioni di un programma presente in memoria centrale o primaria (RAM) dopo aver prelevato dalla memoria secondaria o di massa, dalla ROM, o da altri dispositivi;
• Durante l’esecuzione del programma la CPU legge o scrive dati in RAM;
• Il risultato dell’esecuzione di una istruzione dipende:
  • Dall’istruzione stessa;
  • Dal/i dato/i su cui opera;
  • Dallo stato interno in cui la CPU stessa si trova.
• La Central Processing Unit esegue automaticamente le istruzioni del programma regolandone la sequenza;
• È composta da vari circuiti, preposti ad eseguire operazioni diverse, che interagiscono tra loro scambiandosi informazioni. La velocità di funzionamento dei circuiti è in generale diversa;
• È un dispositivo sincrono: il suo stato cambia ogni volta che riceve un impulso di clock, che costituisce l’orologio del sistema e fornisce la temporizzazione delle operazioni.

Ad ogni impulso di clock la CPU...