Architettura Dei Calcolatori Generalita (Parte 1 della raccolta)

appuntiDiIngegneria

Architettura dei

Calcolatori

Sommario

1.0. Architettura dei Calcolatori ...............................................................................................................2

1.1. Storia dei Sistemi di Elaborazione ......................................................................................................2

1.2. Tipologie di Computer .......................................................................................................................8

1.3. Architettura di Von Neumann...........................................................................................................9

1.4. Aspetti Tecnici di un Calcolatore...................................................................................................... 13

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1.0. Architettura dei Calcolatori

Il Computer (Sistema per l’Elaborazione delle Informazioni o calcolatore elettronico) è un

dispositivo che, eseguendo le istruzioni previste dal programma impostato dall’operatore, è in

grado di svolgere qualsiasi compito: riceve in ingresso (input) dati e istruzioni, li elabora e produce

in uscita (output) un risultato. Le sue caratteristiche sono:

 Velocità: svolge milioni di istruzioni al secondo;

 Precisione: il margine di errori è nullo;

 Versatilità: può svolgere compiti molto diversi fra loro.

Il computer è costituito da parti materiali ed è progettato per eseguire programmi: un programma

è un insieme di istruzioni, espresse in un linguaggio comprensibile alla macchina, ideate per la

soluzione di un problema.

1.1. Storia dei Sistemi di Elaborazione

Fin dai tempi più antichi l’uomo ha costruito apparecchi utili per alleviare lo sforzo per il calcolo e

per evitare errori, fra i più antichi ci sono l’abaco ed il pallottoliere. I primi veri e propri esempi di

elaboratori automatizzati si ebbero dagli inizi del 1600 con i Sistemi della Generazione Zero

(Sistemi Elettro-Meccanici), considerati come la preistoria dei Sistemi di Elaborazione Elettronici:

Si dovettero attendere i primi anni del 1600 per arrivare alla prima

vera macchina calcolatrice meccanica, ideata dal matematico e

pensatore francese Blaise Pascal (1643), e che per questo è detta

Pascalina. Benché fosse in grado di eseguire solo somme e sottrazioni,

è stata a tutti gli effetti il primo esempio di calcolatore: data una

informazione in entrata, mediante complicate rotazioni di ingranaggi e

ruote numerate si otteneva un risultato in uscita. Si era però ancora

molto lontani dal concetto di calcolatore moderno, era la prima

risposta fornita dall'uomo al bisogno di calcoli automatici, mancava

ancora il concetto di sequenza di comandi, e quindi di controllo.

Sulla base della Pascalina, non tardò Leibniz (1674) a progettare la

prima macchina in grado di eseguire tutte e quattro le operazioni

aritmetiche. Tale macchina prese il nome di Stepped Reckoner.

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Nel 1834/1835 Charles Babbage progetta e disegna la sua Macchina

Analitica. Quest’ultima (parzialmente realizzata e mai completata),

prevedeva la programmazione tramite codifica di istruzioni/dati su

schede perforate. Recentemente un gruppo di scienziati ha realizzato

la macchina, dimostrando l'esattezza del progetto di Babbage. Questa

fu la prima macchina programmabile della storia, e nel 1943 Ada

Byron, contessa di Lovelace, figlia di Lord Byron, studia gli schemi della

Macchina Analitica. Intuisce l'idea di 'loop' e di sottoprogramma,

ovvero di sequenza ripetitiva di passi. È considerata per questo la

prima programmatrice della storia (il linguaggio Ada è a lei dedicato).

Nel 1889 Herman Hollerith brevettò l'utilizzo di schede perforate la cui

lettura avveniva mediante l'analisi di circuiti elettrici (chiusi in

corrispondenza dei fori della scheda) e fondò nel 1896 la società

Tabulating Machine Company, che nel 1924 sarebbe divenuta la IBM.

La Macchina Tabulatrice di Hollerith fu utilizzata per l'elaborazione del

censimento degli Stati Uniti. La macchina poteva esaminare fino a 800

schede al minuto (una velocità favolosa per quei tempi e impossibile

agli uomini), infatti i conti del censimento del 1890 furono ultimati in

50 giorni. Il principio di Hollerith fu usato anche per il calcolo di tiro

delle navi da guerra fino alla II guerra mondiale.

Nel 1939 Konrad Zuse costruì lo Z1, primo di un'innovativa serie di

calcolatori elettromeccanici basati sul sistema binario e

programmabili, funzionanti prima a memorie elettromeccaniche e poi

a relè (Z2, Z3). La macchina presentava una struttura già del tutto

analoga a quella dei computer moderni, con la distinzione tra unità di

memoria ed unità di calcolo, e funzionava alla velocità di clock di un

solo Hertz, generata da un motore elettrico. Gli studi di Zuse e quelli di

John Vincent Atanasoff (inventore della memoria rigenerativa) furono

la base principale per l'elaborazione dell'architettura di von Neumann.

Il convegno internazionale di Informatica del 1998 riconobbe a Konrad

Zuse con il suo "Z1" il ruolo di inventore del primo computer

programmabile funzionante della storia.

Nel 1939 il Dr. John Vincent Atanasoff e Clifford E. Berry dell'Iowa

State University costruiscono l'Atanasoff Berry Computer (conosciuto

come ABC), il primo computer digitale totalmente elettronico;

rappresenta uno dei maggiori passi avanti della storia dei calcolatori.

L’ABC introdusse molte innovazioni nel campo dei calcolatori, come ad

esempio i numeri binari in un computer digitale (lo Z3 utilizzava i

numeri binari ma era un calcolatore elettromeccanico) e la loro

gestione, il calcolo parallelo, le memorie rigenerative e una

separazione tra dati e istruzioni. Questi primi calcolatori erano molto

lenti, ed era normale che il risultato del calcolo venisse presentato

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varie ore, se non giorni, più tardi. Tra un input e l'altro, inoltre, il

computer rimaneva inattivo, proprio come una macchina calcolatrice.

Howard Aiken nel 1943 del dipartimento di fisica dell'Università di

Harvard, finanziato dall'IBM, realizzò l’Aiken-IBM Automatic Sequence

Controlled Calculator Mark I (comunemente noto come Harvard Mark

I), che fu uno dei primi computer digitali elettromeccanici della storia.

Permetteva di effettuare una somma in 0.3 secondi, una

moltiplicazione in 4 secondi, ed una divisione in 10 secondi.

La storia dei calcolatori successiva alla “preistoria” vista fino ad ora viene solitamente suddivisa

in 5 generazioni della durata di circa 10 anni ciascuna, sebbene non vi sia comune accordo sulle

date di inizio e fine di ciascuna generazione.

Si analizzano adesso nel dettaglio queste 5 generazioni partendo dalla Generazione 1 (Sistemi con

Tubi a Vuoto, meglio noti come Valvole Termoioniche):

Nel 1946 fu progettato l’Electronic Numerical Integrator and Computer

(ENIAC), il primo computer elettronico general purpose della storia. Fu

costruito nell’immediato dopoguerra, presso l’Università della

Pennsylvania, commissionato dal ministero della Difesa degli Stati Uniti

allo scopo di calcolare le traiettorie di bombe e proiettili. Pesava 30

tonnellate, era alto 2 metri e mezzo, occupava 160 metri quadrati, ed

aveva bisogno di 150 kilowatt di energia elettrica, che producevano una

quantità di calore con cui si poteva riscaldare un intero palazzo.

Nel 1951 nacque l'UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer I), che fu il

primo calcolatore elettronico in grado di conservare il programma

all'interno della memoria (grazie ad un'importante innovazione dovuta

al matematico John Von Neumann). Fu il primo computer commerciale

creato negli Stati Uniti, infatti fino ad ora gli elaboratori si erano limitati

all’ambito scientifico, a quello militare e istituzionale (censimento),

diiventò ormai chiara l’occasione di mercato. Nel 1950 Mauchley e

Eckert, che erano i progettisti dell’elaboratore, fondano la UNIVAC, la

prima grossa società del settore. 4

Inizialmente il mercato fu dominato dalla UNIVAC, azienda fondata da

Mauchley ed Eckert. L’IBM entra nel mercato nel 1953, e assume una

dominante che manterrà fino agli anni ’80 grazie a: IBM 701 (nel 1952),

IBM 704 (nel 1956), e IBM 709 (nel 1958). Queste furono le ultime

macchine a valvola.

L'introduzione del sistema IBM 701 nel 1952, dotato di vari livelli di memoria (a tubi, a tamburi, a

nastri), e soprattutto l'impiego del transistor (che portò a maggior affidabilità, minor potenza,

minori dimensioni), inventato nel 1948, portarono però rapidamente alla Generazione 2 (Sistemi a

Transistor). Nel 1956 gli inventori del transistor ebbero il premio Nobel per la loro invenzione, che

rivoluzionò completamente la tecnologia dei calcolatori ed è alla base dell'informatica attuale. In

questo periodo si assiste alla produzione differenziata per fasce di mercato. Da una parte ci sono

grandi macchine, del costo di milioni di dollari, intese per calcoli scientifici, prodotte da IBM e CDC,

da un'altra macchine commerciali, per lo più prodotte da IBM, meno costose e performanti.

Iniziano a farsi strada i minicomputers, macchine più piccole e poco costose alla portata di piccoli

gruppi di lavoro. L'estensione del mercato provoca anche uno sviluppo del software, per rendere

l'uso delle macchine possibile anche ai non addetti ai lavori, con creazione di compilatori e sistemi

operativi. La maggior parte dei linguaggi di programmazione nascono negli anni 60, i primi

compilatori erano stati scritti per UNIVAC (circa nel 1957), nel 57 Backus dell'IBM aveva introdotto

il FORTRAN, inteso per usi matematici, che fu il primo linguaggio di "alto livello" cioè orientato al

problema invece che alla macchina. Ne