Fondamenti di informatica - Prima parte

C ONCETTI BASE DEI CALCOLATORI

A RCHITETTURA DEL CALCOLATORE

Il calcolatore è uno strumento programmabile per la rappresentazione, la memorizzazione e

l'elaborazione delle informazioni. Esso è un sistema costituito da molte componenti.

Usiamo due modi per descrivere il calcolatore:

1. Elencare le componenti funzionali del calcolatore, esse sono delle macro-unità, ognuna

specializzata in una tipologia omogenea di funzionalità. Tali componenti sono:

ELABORAZIONE PROCESSORE

 CONTROLLO

 MEMORIZZAZIONE MEMORIA

 TRASFERIMENTO SCAMBIO DI DATI ALL'INTERNO DEL CALCOLATORE

 SCAMBIO DI DATI CON L'UTENTE



“Controllo” e “scambio di dati con l’utente” servono a compiere lo scambio tra il pc e l’esterno

(ad esempio lo scanner o la stampante)

2. Rappresentarlo tramite la macchina di Von Neumann (architettura general purpose),

egli progettò, intorno al 1945, il primo calcolatore con programmi memorizzabili anziché

codificati mediante cavi e interruttori.

La macchina di Von Neumann è

caratterizzata da un’ipotesi

fondamentale: i dati e le istruzioni

che operano sui calcolatori possono

essere codificati in uno stesso

formato, così che un unico

dispositivo può essere impiegato per

memorizzare entrambi.

Secondo questa idea un calcolatore

general purpose è costituito da tre sottosistemi interconnessi:

Sottosistema di elaborazione;

 Sottosistema di memorizzazione;

 Sottosistema di interfaccia.



Sottosistema di memorizzazione: può contenere indifferentemente istruzioni e dati;

perciò, conserva i dati da elaborare e i risultati ottenuti dall’elaborazione.

Sottosistema di elaborazione: viene chiamato “unità centrale di elaborazione” (Central

Processing Unit, CPU). Esso opera sequenzialmente leggendo dalla memoria un’istruzione

e gli eventuali dati su cui l’istruzione deve operare, eseguendo tale istruzione, scrivendo

se necessario in memoria il risultato dell’esecuzione, passando poi all’istruzione

successiva e proseguendo in questo modo fino a che tutte le istruzioni che costituiscono il

programma non sono state eseguite.

Sottosistema di interfaccia: rende possibile agli utenti

l’input dei programmi e dei dati verso il calcolatore, mediante

dispositivi quali tastiere, mouse, microfoni e videocamere

mentre al calcolatore rende possibile l’output dei risultati

dell’elaborazione verso gli utenti, mediante dispositivi quali

monitori, stampanti e altoparlanti.

N.B.: input e output non appartengono alla macchina di Von

Neumann, sono componenti fisiche chiamate anche

periferiche.

È grazie al sottosistema di interfaccia che si ha la possibilità di

trasmettere informazioni agli altri calcolatori e di ricevere

rete di telecomunicazione

informazione da essi, grazie a quella che oggi chiamiamo . In

poche parole, tale sottosistema permette al calcolatore di ricevere informazioni

sensori attuatori

dall’esterno tramite e di operare sull’ambiente tramite .

BUS: consente ai dati di transitare fra le diverse componenti del calcolatore.

U ( )

NITÀ CENTRALE DI ELABORAZIONE CPU

È realizzata fisicamente con tecnologie microelettroniche chiamate anche microprocessori.

I micropocessori sono dispositivi elettronici estremamente complessi (oltre 42 milioni di

 transistor in un singolo circuito integrato)

Presiede al controllo ed al coordinamento tra le parti del calcolatore.

Ogni componente del calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dalla

 CPU

Il controllo consiste nel coordinamento dell’esecuzione temporale delle operazioni.



Presiede all’elaborazione dati.

OPERAZIONI ARITMETICHE

 OPERAZIONI RELAZIONALI (confronto tra dati)

 Operazioni di livello macchina

OPERAZIONI SU CARATTERI E VALORI DI VERITÀ

 ALTRE OPERAZIONI NUMERICHE



Le operazioni elementari di elaborazione corrispondono ad istruzioni del linguaggio macchina.

Ogni CPU è caratterizzata funzionalmente dal suo linguaggio macchina, svolge poche tipologie

di operazioni elementari ma in modo efficiente.

Dal punto di vista logico è costituita da:

- Registri

- Unità Aritmetico – ALU: è l’unità di calcolo

Logica (operazioni di tipo aritmetico e

- Unità di controllo logico), legge i valori presenti in

alcuni registri, esegue le

operazioni e memorizza il

risultato in un altro registro.

L’unità di controllo del microprocessore coordina

le varie unità nell’esecuzione dei

programmi, cioè nella lettura, codifica ed

esecuzione. Un programma è eseguito

fetch-decode-excute

ripetendo il ciclo (lettura-decodifica-esecuzione) chiamato anche ciclo

macchina. Tale ciclo rappresenta il tempo che impiega il processore a leggere, decodificare ed

eseguire un’operazione. Più veloce è la macchina nel completare il ciclo, migliore sarà il

processore.

Fetch: acquisizione dalla memoria di un’istruzione del programma

 Decode: identifica del tipo di istruzione tra l’insieme delle istruzioni

 Execute: effettuazione delle operazioni corrispondenti all’istruzione compreso il

 recupero della memoria degli operandi.

PARAMETRI DEI MICROPROCESSORI

Numero di bit

 Cache di primo livello



CPU 8088 8 bit

 Integrata nello stesso chip della



CPU 286 16 bit

 CPU

Vantaggi: velocità del clock



CPU 386, 486, Pentium 32 bit

 uguale a quella del resto della

CPU Xeon, Athlon 64 bit

 CPU, tecnologia all’avanguardia

Velocità del clock (orologio interno alla

 Cache di secondo livello



macchina, indica il tempo di completamento del ciclo macchina)

Costo parecchio elevato



Prima pochi MHz

 Integrata sullo stesso chip dai



Oggi da 600 MHZ fino a superare i 3 GHz

 Pentium II

Assente in alcuni Pentium

 Celeron

Istruzioni MMX (MultiMedia eXtension)



CONFRONTO

Frequenza: in GHz, è la velocità alla quale opera il chip, quindi più alta è più veloce è.

 Le CPU variano la frequenza in base all’operazione da svolgere e alla temperatura.

Avremo perciò una frequenza di base (ovvero la minima) e una turbo (massima)

Core: misura della potenza, ovvero i “processori dentro al processore”. Le CPU moderne

 offrono tra 2 a 32 core, solitamente tra 4 e 8.

Thread: il numero di processi indipendenti che un chip può gestire alla volta. In teoria

 dovrebbe essere presente nella stessa quantità dei core. Più thread significa miglior

multitasking e prestazioni migliorate con i software che sfruttano i thread come gli

editor e i transcoder video.

TDP: il Thermal Design Power è la quantità massima di calore che un chip genera, ed è

 misurata in Watt (W). Un TDP migliore coincide con migliori prestazioni.

Cache: utilizzata per velocizzare l’accesso ai dati e le istruzioni tra la CPU e la RAM

 IPC: nonostante si abbiano 2 CPU, se esse arrivano da diverse aziende o sono costruite

 su diverse architetture produrranno un IPC (istruzione per ciclo di clock) diverso.

DISPOSITIVI DI INPUT

DISPOSITIVI DI OUTPUT BUS

L’obiettivo è permettere lo scambio di informazioni tra le varie componenti funzionali del

calcolatore, ovvero il trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo tramite due

possibili soluzioni:

Collegare ciascun componente con ogni altro componente

 Collegare tutti i componenti a un unico canale (bus)



Perché si utilizza il bus? Elenchiamone le caratteristiche:

Semplicità: permette di avere un’unica linea di

 connessione e di conseguenza costi ridotti di

produzione

Estendibilità: aggiunta di nuovi dispositivi

 molto semplice

Standardizzabilità: regole per la comunicazione

 da parte di dispositivi diversi

Lentezza: utilizzo in mutua esclusione del bus

 Sovraccarico del processore (CPU): funge da

 master sul controllo del bus

Limitata capacità



Il bus di sistema interconnette CPU, memorie ed interfacce verso dispositivi periferici, collega

due unità funzionali alla volta (una trasmette e l’altra riceve)

Il bus trasporta i dati, indirizzi e comandi. Componenti del bus (sottogruppi di linee):

Bus dati (data bus)

 Serve per trasferire dati

 - Tra la macchina centrale ed il registro dati della CPU

- Tra periferiche e CPU (o memoria centrale)

Bidirezionale

 Bus indirizzi (address bus)

 Serve per trasmettere il contenuto del registro indirizzi (MAR) alla memoria (o ad una

 periferica)

- Identifica l’ID nella cella in memoria su cui la CPU scrive o legge

Unidirezionale

 Bus comandi (command bus) o di controllo

Serve coordinare il sistema

 - Direzione di scambio

- Selezionare le unità coinvolte

Unidirezionale

 MEMORIA

Nell’architettura di Von Neumann l’unità di memoria ha il compito di archiviare in forma

digitale i programmi e i dati su cui opera la CPU, per il tempo di elaborazione. Nei calcolatori

attuali è inoltre da prevedere una memoria che mantenga dei dati per periodi di tempo lunghi,

fungendo da archivio digitale. Per consentire un’efficiente esecuzione dei programmi la

memoria che contiene dati e istruzioni dovrebbe essere veloce quanto la CPU e dovrebbe

avere dimensioni sufficienti a contenere sia il programma sia i dati.

Sarebbe poi comodo se la memoria potesse mantenere il suo contenuto anche in assenza di

alimentazione elettrica, cioè quando il calcolatore è spento.

Il compromesso tra le diverse esigenze si basa sulla suddivisione della memoria in due

categorie:

- Una memoria centrale, RAM, che contiene i programmi durante la loro esecuzione ed i

dati relativi, altrimenti il processore sarebbe per la maggior parte del tempo fermo in

attesa di dati da/per la memoria.

- Una o più memorie di massa che mantengono tutti i dati ed i programmi in attesa di

essere eseguiti in modo persistente, anche dopo lo spegnimento del calcolatore.

PARAMETRI PER LA DESCRIZIONE DI UNA MEMORIA

Volatilità: le memorie volatili mantengono l’informazione finché vengono alimentate,

 mentre in caso di spegnimento perdono il loro contenuto. Le memorie non volatili,

invece, mantengono l’informazione anche in assenza di alimentazione

Velocità di accesso: è in base ad essa che si calcola la rapidità della memoria di

 svolgere operazioni di lettura/scrittura

Velocità di trasferimento dei dati: è la quantità di dati che la memoria riesce a trasferire

 nell’unità di tempo

Capacità: è il numero di bit che si possono memorizzare e viene solitamente calcolato

 in multipli di byte

Costo per bit: rapporto tra il costo dell’unità di memoria e la sua capacità espressa in

 bit :

DIVERSE TECNOLOGIE

- Elettroniche: veloci, volatili, elevato costo per bit

- Magnetiche: lente, buona capacità, non volatili, basso costo

- Ottiche: simili alle magnetiche ma non riscrivibili

- Magneto/ottiche: simili alle ottiche ma riscrivibili, con veloci tempi di scrittura

La memoria centrale (o principale) è la memoria che può essere acceduta direttamente dal

processore.

È costituita da celle ognuna delle quali può contenere una quantità fissata di memoria

(numero di bit), detta parola di memoria. Ogni cella è caratterizzata da un indirizzo (che

identifica la cella e ne consente l’accesso) e un valore (sequenza di bit memorizzata dalla

cella)

( ):

RAM RANDOM ACCESS MEMORY

Memorizza i programmi in esecuzione e i dati dei programmi in

esecuzione, viene cancellata ogni volta che si spegne il

computer.

Tutte le informazioni vengono rappresentate mediante sequenze

di 0 e di 1, i bit (BInary digiT). I bit tra RAM e CPU fluiscono a

gruppi di 8 per esigenze di tipo logico-costruttive. Un’altra unità

di misura è il byte (pari a 8 bit), viene definita come la più

piccola unità accessibile singolarmente. Le memorie ROM (read only memory):

Le memorie RAM (random access memory): Permettono solo la lettura dei dati

o

Possono essere accedute sia in

o Sono persistenti

o

lettura che in scrittura Memorizzano alcuni programmi di

o sistema (firmware)

Tecnologia a semiconduttori

o

Sono volatili (i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore)

o Sono usate per memorizzare dati e programmi

o Tecnologia a semiconduttori

o

MEMORIA CACHE

Memoria particolarmente veloce usata per memorizzare i dati usati più frequentemente.

Memorizza il contenuto di celle della memoria centrale che potrebbero essere acceduti

nuovamente dalla CPU.

Strategia di utilizzo:

- La prima volta che la CPU carica dati dalla memoria centrale, questi sono caricati anche

sulla cache

- Le volte