Appunti su architettura hardware e software di un calcolatore

CACHE

Località temporale: nell'arco temporale di esecuzione del programma si accede molto spesso alle stesse zone del programma. Dunque, mantenendo una copia in memoria cache dei dati più richiesti durante l'esecuzione del programma, si sfrutta tale principio. (dati chiamati cache line o blocchi)

Quando bisogna decidere quali dati caricare nella memoria piccola e veloce vengono caricati anche i dati vicini (cache line o blocco), che sono conservati il più a lungo possibile.

Se la memoria piccola e veloce è piena, il nuovo blocco sostituisce un blocco esistente secondo la politica LRU (Least Recently Used).

Vantaggi di un'organizzazione gerarchica:

• Si uniscono le caratteristiche migliori dei due livelli di memoria, ovvero alta capacità e costi ridotti della memoria grande e la velocità della memoria piccola.
• Grazie ai principi di località gli accessi alla memoria piccola e veloce possono superare il 90%.

delle richieste (La memoria secondaria inizia con il disco fisso) Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia cambia il valore dei parametri fondamentali per la descrizione delle memorie: - aumenta il tempo di accesso - aumenta la capacità di memorizzazione - diminuisce il costo per bit Dimensione delle memorie: 1. Registri contenuti nella CPU (qualche KB) 2. Cache (da 8-64 KB a 2-128 MB) 3. RAM (da pochi GB a 32-64 GB) 4. Hard disk (da decine/centinaia di GB a qualche TB) 5. Nastri magnetici e dischi ottici (da qualche GB a qualche TB per ogni supporto) MEMORIA SECONDARIA O DI MASSA - Non è una componente della macchina di Von Neumann. - È un insieme di periferiche - Non è mai in collegamento diretto con il processore: tutti i dati contenuti dalla memoria di massa devono prima passare dalla memoria centrale Caratteristiche fondamentali: - È una memoria non volatile - Ha una capacità elevata - È molto meno veloce della memoria centrale - Costo più elevato per bitbasso-Le principali tecnologie di realizzazione sono di tipo magnetico o ottico-In aumento è la diffusione di memorie flash
Nastri magnetici e unità DAT-Sono dispositivi che consentono la memorizzazione di tanti dati, e quindi molto lenti-Utili solo per operazioni di backup il passaggio
Scrittura : tramite ladi correntemagnetizza latestinasuperficie .Testina Braccio lettura passaggio suil: magnetizzatoaveam'
Dischi magnetici FerromagneticoMateriale•• _ correnteinduce-
Sono piatti di alluminio ricoperti di materiale ferromagnetico 7-C'è un braccio meccanico che si sposta lungo i piatti, al termine del quale troviamo una testina chescrive o legge le informazioni-È sempre più compatto, in modo da consentire una velocità maggiore di rotazione
Sistema gestione sul filedi systembasato-Memorie Flash (esempio chiavetta)-
Realizzate con una tecnologia elettronica non volatile-Permettono il trasferimento di dati e l'archiviazione di

dati sensibili

Capacità più comune è 8-32 GB

Il sistema di gestione dei file si basa sul file system, come per i dischi Solid State Drive (SSD)

Memorizzano grandi quantità di dati

Tecnologia elettronica non volatile

Non sono composte da nessun dispositivo meccanico (es. piatti, testine...)

Capacità da 128 GB a 16 TB

File system come per i dischi

Dischi ottici (CD, DVD, Blue-Ray)

Lettura ottica basata sulla riflessione di un raggio laser

Densità di registrazione sempre maggiore

Come funzionano la scrittura e la lettura:

Un laser ad alta potenza brucia fori in un disco master (le depressioni si chiamano pit e le aree fra pit si chiamano land);

Un laser a bassa potenza manda una luce infrarossa sul disco: i pit appaiono come cunette su una superficie piatta; i passaggi pit/land indicano un 1, la loro assenza indica uno 0.

Pit e land sono scritti in una spirale che compie 22.188 giri attorno al disco → velocità costante lineare

ottici nastri

dischie [Classificazione memorie per metodo di accesso: - Sequenziale (nastri, CD, DVD, Blue-Ray): l'accesso a un dato comporta la lettura dei dischi precedenti. Non si può accedere direttamente a un punto preciso, per questo sono piuttosto lenti - Diretto o casuale (RAM, Flash, SSD): qualsiasi sia il punto di interesse la velocità di raggiungimento è uguale in tutti i casi. Flash e SSD hanno prestazioni inferiori rispetto a RAM. - Misto (dischi magnetici): prevede un accesso per giungere in prossimità del dato e poi vi è la ricerca sequenziale: 1. il disco ruota attorno al perno e il braccio con la testina per la lettura si posiziona in un punto fisso (traccia), ma 2. poi bisogna aspettare che il disco ruoti e che il dato si trovi esattamente sotto la testina. - Associativo (Cache): l'informazione di interesse viene individuata sulla base di confronti tra bit in posizioni specifiche, su più celle contemporaneamente]

dischie

Classificazione memorie per metodo di accesso:

• Sequenziale (nastri, CD, DVD, Blue-Ray): l'accesso a un dato comporta la lettura dei dischi precedenti. Non si può accedere direttamente a un punto preciso, per questo sono piuttosto lenti
• Diretto o casuale (RAM, Flash, SSD): qualsiasi sia il punto di interesse la velocità di raggiungimento è uguale in tutti i casi. Flash e SSD hanno prestazioni inferiori rispetto a RAM.
• Misto (dischi magnetici): prevede un accesso per giungere in prossimità del dato e poi vi è la ricerca sequenziale:
  1. il disco ruota attorno al perno e il braccio con la testina per la lettura si posiziona in un punto fisso (traccia), ma
  2. poi bisogna aspettare che il disco ruoti e che il dato si trovi esattamente sotto la testina.
• Associativo (Cache): l'informazione di interesse viene individuata sulla base di confronti tra bit in posizioni specifiche, su più celle contemporaneamente

Periferiche: sono i dispositivi che consentono l'acquisizione di dati (input) e la loro rappresentazione verso il mondo esterno (output). Ogni periferica viene controllata tramite un'interfaccia apposita, che traduce i segnali interni al calcolatore in un formato appropriato per la periferica. Le schede sono connesse al bus mediante connettori, oppure alle periferiche attraverso porte di ingresso/uscita accessibili dall'esterno. Esempi: (USB, HDMI, Ethernet, Wi-Fi)

4. BUS DI SISTEMA

Insieme di connessioni che collegano CPU, memoria e interfacce verso le periferiche. Collega due unità alla volta, una trasmette (dati, indirizzi o comandi) e l'altra riceve. Il trasferimento viene controllato dalla CPU. Vi sono più linee che connettono più componenti:

• Bus dati (data bus): bidirezionale. Trasmette dati: dalla memoria al registro dati (DR) o viceversa; dal registro dati (DR) alle periferiche o viceversa;
• Bus indirizzi (address bus): unidirezionale.

Trasmette il contenuto dal registro indirizzi (AR) alla memoria-Bus comandi (command bus): unidirezionale. Trasmette comandi verso la memoria (es. lettura o scrittura) o verso una periferica (es. stampa verso la stampante). Se è interno a una componente si dice bus interno (ad esempio tra CPU e Data Path, tra DR e IR, tra DR e registri dell'ALU). PERIFERICHE: L'hardware esegue operazioni corrispondenti a variazioni di stato dei suoi componenti. Le istruzioni sono espresse in un linguaggio di basso livello: il linguaggio macchina, linguaggio compresso dall'hardware, ed è in relazione con la rappresentazione binaria dell'informazione. Il software consente di astrarre dalla rappresentazione binaria offrendo la visione di una macchina virtuale più facile da usare. Linguaggio SOFTWARE HARDWARE -> macchina livello alto unpuapqioE: insieme dei programmi che gestisce e rende utilizzabile un calcolatore. Si suddivide in: - software di inizializzazione

FIRMWARE

• Insieme di programmi integrati nei componenti elettronici programmati. Sono installati nel dispositivo alla produzione e sono presenti anche nei dispositivi periferici (stampanti...)
• Consente l'avvio del sistema, ovvero istruzioni di inizializzazione e di test delle componenti hardware (codice microprogrammato)
• È memorizzato nella ROM o nella memoria Flash
• Costituisce il collegamento tra il software e l'hardware di un dispositivo

SISTEMA OPERATIVO

• Costituisce il componente principale del software di base
• È un intermediario necessario per l'esecuzione del software applicativo
• Visualizza le caratteristiche dell'hardware sottostante
• Offre la visione di una macchina astratta più semplice e potente di quella fisica.
• Rende utilizzabili le risorse fisiche

Presenti nel sistema di elaborazione Visioni fornite dal sistema operativo:

• Dall'alto: fornisce un'interfaccia che semplifica l'uso delle risorse della macchina
• Dal basso: gestisce tutte le componenti di un sistema complesso, allocando ordinatamente le diverse risorse SOFTWAREHARDWARE Firmware

Funzioni del sistema operativo:

• Correttezza e precisione nell'elaborazione
• Superamento della localizzazione delle risorse
• Affidabilità, sicurezza dei sistemi
• Privatezza dei dati
• Interoperabilità tra dispositivi forniti da diversi produttori
• Superamento dei problemi legati alla limitazione del numero di risorse
• Regolamentazione degli accessi alle risorse
• Controllo dell'esecuzione delle applicazioni (caricamento dei programmi in memoria...)
• Accesso ai dispositivi di ingresso/uscita
• Archiviazione di dati e programmi (organizzazione dei dati in cartelle e file)
• Controllo dell'accesso (meccanismi di protezione)
• Contabilizzazione

ovvero monitora l'uso delle risorse per ottimizzare i tempi di risposta di programmi interattivi o fatturare i costi dell'impiego del sistema- Gestione dei malfunzionamenti IN PROGRAMMI DI semplice MODOSVILUPPO senta IAGGIORNAMENTI INFLUENZARE PROGRAMMI Vantaggi di un sistema operativo: → Possibilità di definire modalità standard di interfaccia con i dispositivi fisici: questo consente di sviluppare programmi in modo semplice e indipendente dallo specifico calcolatore e consente l'aggiornamento del software di base senza che i programmi vengano influenzati. Elementi di un sistema operativo: - Sistema di gestione del processore (kernel/nucleo): gestisce la CPU e i programmi in esecuzione, esegue parti di codice in memoria. - Sistema di gestione della memoria: gestisce l'attribuzione della memoria ai programmi in esecuzione e il loro accesso a zone riservate in cui archiviare i propri dati. - Sistema di gestione delle periferiche: gestiscel’accesso ai dispositivi di I/O ti- Sistema di gestione dei file (file system): gestisce la gestione dei dati della memoria di massa gestisce- Sistema di gestione degli utenti e dei comandi (interprete comandi): gestisce l’interfaccia con archil’ =l’utente garantendo un accesso intuitivo azionevi datidei- Sistema di gestione della rete: gestisce l’interfaccia con le risorse disponibili in reteSistema operativo VS programmi applicativi:Sistema operativo: Programmi applicativi:Ha accesso a tutte