Architettura di un calcolatore

ARCHITETTURA DI UN

CALCOLATORE

ARCHITETTURA DI UN CALCOLATORE

Un calcolatore è uno strumento programmabile (attraverso la scrittura di un

programma, si può ordinare al calcolatore di eseguire nuove istruzioni) per

rappresentare, memorizzare ed elaborare informazioni. Un calcolatore effettua

l’elaborazione automatica delle informazioni.

Un sistema è costituito da varie componenti.

Studiare l’architettura di un sistema significa:

individuare ciascun componente del sistema

 comprendere i principi generali di funzionamento di ciascun componente

 comprendere come interagiscono le varie componenti



La prima decomposizione di un calcolatore è relativa a due macro-componenti:

HARDWARE: (= ferraglia) struttura fisica del calcolatore; è la parte elettrica,

 meccanica ed elettronica.

SOFTWARE: (= cose morbide) comprende i programmi che consentono la

 gestione del calcolatore e la risoluzione dei problemi presentati dall’utente. Esso

è l’algoritmo, il codice sorgente e il codice eseguibile, ma non è tutti e tre

insieme perché, in realtà, un algoritmo può dare vita a diversi codici sorgente e

ogni codice sorgente può originare diversi codici eseguibili, a seconda del

compilatore utilizzato. Il software, quindi, non ha necessariamente bisogno di un

calcolatore per diventare eseguibile.

“informazione” “automazione”.

INFORMATICA: unione di e

PRINCIPI DELL’ELABORAZIONE AUTOMATICA DELL’INFORMAZIONE:

I calcolatori sono macchine che simulano comportamenti intelligenti e sono utilizzati

per risolvere la più ampia gamma di problemi. Il calcolatore automatizza l’esecuzione

di algoritmi, cioè soluzioni fatte da passi finiti ed irripetibili di un problema.

Ad esempio, se abbiamo un problema di matematica, possiamo risolverlo con un

calcolatore umano oppure con uno elettronico. Calcolatore umano (2+3=5):

acquisisce i dati (2 e 3), trascrive i dati (sul foglio), scrive i passi dell’algoritmo (2+3), i

risultati (5) vengono scritti e consegnati. Calcolatore elettronico: funziona in modo

simile al calcolatore umano, ha una memoria (foglio dove scrivo i dati del problema),

ha un dispositivo di ingresso che serve per acquisire i dati (occhi e orecchie) e uno di

uscita (mano che scrive sul foglio).

Il calcolatore elettronico ha due parti fondamentali, l’unità di controllo e l’unità

aritmetico-logica (ALU); essi compongono insieme la CPU (unità centrale di

input,

elaborazione). La CPU usa le unità di ingresso per acquisire gli usa la memoria

output.

per depositare e prendere i dati, utilizza l’unità di uscita per produrre gli

STORIA DEL CALCOLATORE

Inizialmente i calcoli si facevano con i pallottolieri, i più elementari calcolatori

 numerici. Furono inventati perché il sistema di numerazione non contemplava lo

zero, limitando i calcoli.

Pascal nel 1642 inventò la prima macchina che poteva fare addizione e

 sottrazione attraverso la rotazione di ingranaggi.

Leibniz nel 1671 inventò una macchina in grado di fare anche moltiplicazioni e

 divisioni. A Leibniz dobbiamo la teoria del sistema di numerazione binario, sul

quale si basano i moderni computer.

Nell’Ottocento, in Francia, Jacquard realizzò un metodo per l’automatizzazione

 dei telai per la tessitura, scrivendo un insieme di passi da far eseguire ai telai su

nastri opportunamente perforati.

L’inglese Babbage, nel 1835, insieme ad Ada Byron, creò una macchina

 analitica (fa calcoli differenziali): essa non era una semplice calcolatrice, bensì

un congegno che prevedeva l’acquisizione dei dati tramite schede perforate, un

programma di elaborazione di questi dati e la possibilità di conservare i risultati

delle operazioni svolte. La sua macchina per la prima volta metteva insieme una

macchina a ruote a riporto automatico e le schede come quelle di Jacquard.

Nel 1880 negli USA, viene creata una società, la International Business

 Machines (IBM). Hollerith inventò una macchina in grado di contare le schede

elettorali per facilitare lo svolgimento delle votazioni.

Zuse (tedesco), durante la seconda guerra mondiale, si “scontrò” con Von

 Neumann: fu quest’ultimo ad avere la meglio progettando nel 1945 il primo

calcolatore con programmi memorizzabili anziché codificati mediante cavi ed

interruttori. Von Neumann e Zuse lavoravano in modi diversi. Zuse usava i relè,

degli interruttori magnetici: all’interno di una bobina si faceva scorrere

elettricità, che formava così un campo magnetico, magnetizzando, appunto, i

due poli dell’interruttore. Fu, quindi, durante il conflitto mondiale che si verificò

un salto epocale nel campo dei computer, con la creazione di macchine

interamente elettroniche come l’ABC e il Colossus. Da allora lo sviluppo di nuovi

modelli assunse un ritmo vertiginoso.

All’università di Harvard, nel 1944, viene realizzato Mike I: un computer

 composto da 78 calcolatrici, 800 km di cavi, 3300 relè, controllato da un

programma perforato su nastro di carta ed era in grado di sommare due numeri

di 23 cifre in tre decimi di secondo.

Nel 1946 viene costruito l’ENIAC, computer a valvole termoioniche, la cui

 velocità di calcolo era nettamente superiore a ogni modello precedentemente

realizzato. Inizialmente esso serviva a risolvere problemi di calcolo balistico e

destinato poi ad altri scopi. era molto grande: 30 tonnellate di peso e con una

superficie di 180 mq.

Nel 1950 Von Neumann realizzò l’EDVAC, il primo computer in grado di

 memorizzare su schede i programmi di funzionamento.

Nel 1955 vedono la luce i primi computer a transistor, che in minore spazio e a

 costi ridotti permettono una potenza di calcolo sempre maggiore.

L’ARCHITETTURA DI VON NEUMANN:

La macchina di Von Neumann è composta da 4 tipi di componenti funzionali:

1. unità centrale di elaborazione (CPU- Central Processing Unit): essa esegue le

istruzioni per l’elaborazione dei dati e svolge anche funzioni di controllo. La CPU,

o processore, è l’unità che esegue l’algoritmo e il cuore del calcolatore.

2. memoria centrale: memorizza

e fornisce l’accesso a dati e

programmi in esecuzione.

3. interfacce di ingresso e

uscita: componenti di

collegamento con le periferiche

del calcolatore.

4. bus: svolge funzioni di

trasferimento di dati e

informazioni di controllo tra le

varie componenti funzionali.

LA CPU:

Essa presiede all’esecuzione di un programma. il programma è memorizzato in

memoria centrale come sequenza di istruzioni del linguaggio macchina (è il linguaggio

per cui la CPU si comporta da esecutore). La CPU è composta da:

un’unità logico-aritmetica o ALU: esegue le operazioni logico-aritmetiche

 e di controllo. Le istruzioni del linguaggio macchina corrispondono ad

operazioni elementari di elaborazione: operazioni aritmetiche, relazionali

(confronto), operazioni su caratteri e valori di verità… Un calcolatore sa

svolgere poch