Componenti hardware

Architettura del computer

GB).Più alto è il numero di bit che compongono la parola, maggiore è la velocità del computer.Parole più lunghe numero di accessi: diminuiscono gli accessi in memoria da parteminordella CPU velocità del computer.aumentoLa memoria di un elaboratore è indirizzabile a livello di byte. La parola (word) è per il computerla più piccola unità di informazione significativa e indirizzabile.Bus: una serie di collegamenti hardware (fisici), uno per bit, su cui viaggiano tutti i dati chevengono scambiati tra l’unità centrale, la memoria e le unità di input/output: lo scambioavviene mediante segnali binari corrispondenti ad indirizzi di memoria o al contenuto di celle dimemoria o registri. Bus degli indirizzi: trasporta l’indirizzo necessario perreperire una cella di memoria o un’unità di I/O:. E’unidirezionale: l’unico dispositivo abilitato a inviareinformazioni su questo

bus è la CPU.

Bus interno dati: viene utilizzato per lo scambio di informazioni tra i vari dispositivi. È bidirezionale.

Bus di controllo: bidirezionale, è utilizzato per sincronizzare la trasmissione e per permettere lo scambio di segnali di controllo tra le varie unità.

Clock: tutti i circuiti e il loro funzionamento devono necessariamente essere sincronizzati per garantire una corretta esecuzione delle istruzioni da parte della CPU: il dispositivo di 'clock' è un generatore di impulsi di durata costante emessi uno dopo l'altro ad intervalli di tempo regolari. Maggiore è la sua frequenza, maggiore è la velocità di funzionamento della CPU e quindi la mole di lavoro da essa svolta in un certo tempo. La velocità del microprocessore (o meglio, del clock) si misura in cicli al secondo (frequenza degli impulsi) in Hertz (Hz).

Architettura e funzionamento della memoria centrale: Le celle della memoria sono numerate progressivamente,

E disposte in una matrice quadrata: corrispondono a intersezione tra le colonne e le righe. (Un indirizzo di 16 bit si interpreta nel seguente modo: i primi 8 bit meno significativi individuano la riga, i restanti 8 bit, la colonna).

I registri sono piccole memorie, molto veloci, generalmente composti da 1, 8, 16, 32 o 64 bit, che svolgono funzioni ben precise e vengono utilizzati in determinate fasi dell'elaborazione. I registri della memoria centrale sono:

• MAR (memory address register): indirizzo della cella di memoria in cui la CPU deve scrivere e da cui deve leggere un dato.
• MDR (memory data register): dato o istruzione che deve essere scritto o letto.
• CONTR: messaggi provenienti dalla memoria stessa e dalle altre unità del computer.

CICLI DI LETTURA E SCRITTURA: CICLI DI MEMORIA e TEMPI DI ACCESSO (ordine dei nanosecondi):

LETTURA: la CPU:

1. Invia al MAR, sul bus degli indirizzi,

SCRITTURA: la CPU:

1. Invia alla memoria il dato dal'indirizzo della cella di

memoria da memorizzare, dell'indirizzo dellaleggere; cella che lo dovrà contenere e del2. invia al CONTR, sul bus di controllo, segnale di scritturail messaggio di lettura. Una volta 2. Tali informazioni vengono trasferitoricevuti questi ordini, la memoria si mediante appositi bus e depositateposiziona sulla cella riportante nei registri prepostil'indirizzo indicato dal MAR, La MEMORIA:

3. legge il dato e lo deposita nelregistro MDR, 1. analizza il registro CONTR e4. imposta nel registro CONTR un provvede a registrare il datomessaggio di pronto presente nel MDR nella cella il cui5. invia il tutto sugli appositi bus. indirizzo è̀ riportato nel MAR2. trasmette sul bus di controllo ilmessaggio di pronto.

La memoria centrale è generalmente costituita da tre memorie:

RAM (random access memory): di lettura e scrittura, ad accesso casuale perché in essa ogni informazione può essere letta o scritta in un tempo che non dipende

dallaposizione in cui l'informazione è registrata. Il tempo di accesso è costante. È una memoria velocissima, ma volatile: perde il suo contenuto quando viene interrotta l'alimentazione elettrica, per il tipo di materiale di cui è composta.

ROM (read only memory): è una memoria di sola lettura. In essa sono memorizzate permanentemente le istruzioni che la CPU deve leggere e interpretare per poter svolgere tutti i suoi compiti. Contiene programmi particolari, quali, ad esempio, quelli necessari per l'inizializzazione del sistema (BIOS, FIRMWARE), ossia tutti quei programmi che vengono eseguiti al momento dell'avviamento della macchina.

Memoria CACHE o memoria tampone: memoria intermedia tra CPU e memoria centrale, per aumentare la velocità e le prestazioni del computer: rende i dati disponibili senza doverli prelevare ogni volta dalla memoria RAM. È caratterizzata da un'elevatissima velocità.

A quella cella: moltissimi programmi contengono ‘cicli’, cioè istruzioni che vengono eseguite ripetutamente in breve tempo.

Si ha un miss (fallimento nell’accesso) se il dato non è presente nel livello immediatamente inferiore ed occorre accedere al livello più distante: aumenta il tempo di attesa per consegnare il dato.

La cache sopperisce alla lentezza dell’entità meno veloce ospitando parte dei dati che da questa devono essere trasferiti all’entità più veloce, riducendone i tempi di attesa.

Cache del disco fisso: in questo caso l’entità lenta è il disco, quella veloce l’unità centrale e una parte della memoria centrale viene usata come cache del disco per cercare di rendere più rapidi i trasferimenti da quest’ultimo all’unità centrale.

Cache dei programmi di navigazione in Internet: in tal caso l’entità lenta è internet (o meglio il...

collegamento alla rete), quella veloce è il programma di navigazione e una parte del disco fisso viene usata come cache per ospitare le pagine Web visitate e renderle rapidamente disponibili in caso di visita successiva.

Le memorie si possono classificare in base alla modalità di accesso:

• memorie ad 'accesso uniforme': una cella è accessibile indipendentemente dalla sua posizione ed in un tempo uguale per tutte le celle presenti nella memoria (esempio: memoria centrale);
• memorie ad 'accesso diretto': una cella è accessibile indipendentemente dalla sua posizione ma il tempo impiegato dipende da quest'ultima (esempio: memorie ausiliarie su disco);
• memorie ad 'accesso sequenziale': in esse una cella è accessibile solo passando attraverso tutte le celle che la precedono (esempio: memorie ausiliarie su nastro o memorie ottiche).

La presenza della memoria cache permette di velocizzare gli accessi in lettura alla RAM,

senzanessun miglioramento per la velocità degli accessi in scrittura. Esistono sono due metodologie di gestione della cache in scrittura:

1. 'write back': i dati da memorizzare vengono scritti solo in cache e, successivamente, in memoria centrale; è un metodo più complesso e con qualche rischio di 'disallineamento' dei dati, ma assicura maggiore velocità di scrittura;
2. 'write through': i dati da memorizzare vengono scritti contemporaneamente nella cache e nella memoria centrale; è un metodo meno complesso, ma aumenta i tempi di accesso.

Microprocessore: Un microprocessore è un circuito digitale che incorpora le funzioni di una CPU su un singolo circuito integrato (IC) - o più circuiti - basato su un'architettura MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Il nucleo elaborativo di un singolo microprocessore è definito core: inserito in un package di ceramica e contenente centinaia

Velocità del computer: sistemi paralleli. (68 Cores, es. Intel Xeon Phi 7290).

Architettura multi-core aumenta il numero di operazioni eseguibili in un unico ciclo di clock. Il coordinamento dei diversi processori è demandato al sistema operativo: non è trascurabile il tempo che il sistema operativo deve dedicare al coordinamento dei processori.

Circuiti integrati: transistor sono semplici dispositivi elettronici che consentono di regolare il passaggio di corrente, dipendentemente dal valore di un voltaggio (spento/acceso: 0/1, falso/vero).

Unendo più transistor in maniera definita si ottengono le porte logiche (logic gates), circuiti elettronici che producono un segnale in output in funzione di un voltaggio elettrico ricevuto in input.

Unendo più porte logiche in maniera definita si ottengono i circuiti integrati (integrated circuits) in grado di svolgere compiti più complessi: realizzato su un substrato di materiale semiconduttore (in genere silicio).

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