Domande + Risposte esame Architettura dei calcolatori + Appunti

Cap. 1: Cos'è e da cosa è costituito un calcolatore elettronico?

Un calcolatore elettronico (detto anche elaboratore/computer) è un sistema elettronico formato da circuiti elettronici che permettono l'elaborazione dell'informazione. Un calcolatore elettronico è costituito da tre sottosistemi principali che sono il processore (CPU), la memoria centrale ed un sottosistema di input/output. Il calcolatore elettronico è un sistema numerico e automatico che permette l'elaborazione di bit: visto che esegue autonomamente le determinate operazioni, ed è a programma registrabile, realizzato con dei circuiti elettronici. Tutte le informazioni trattate da un dispositivo numerico sono espresse da stringhe di bit. I circuiti elettronici preposti alla memorizzazione di bit ed alla loro elaborazione sono detti circuiti logici che costituiscono una rete di commutazione.

Cos'è il modello Von Neumann?

Il modello di Von Neumann è una tipologia di architettura hardware per computer composta da:

• Unità di input: tramite la quale i dati vengono inseriti nel calcolatore per essere elaborati;
• Unità di output: tramite la quale vengono trasmessi i dati dalla memoria ad una periferica di output come il monitor;
• Memoria: unità incaricata di conservare dati (RAM);
• Unità di controllo (UC): controlla e sincronizza le varie unità per permettere la massima efficacia del sistema;
• Unità aritmetico-logica (ALU): esegue calcoli di tipo matematico e logici;
• Bus: un canale che collega tutti i componenti tra loro.

In particolare, il calcolatore elettronico è a sua volta suddiviso in CPU, I/O, memoria e bus.

Che cos'è il processore e di cosa si occupa?

Il processore rappresenta la capacità di elaborazione del calcolatore e si occupa dell'esecuzione di un set prefissato di operazioni elementari. Il processore preleva ed esegue istruzioni dalla memoria centrale, una ad una. Una sequenza di istruzioni, memorizzate nella memoria centrale prende il nome di programma. Le istruzioni che vengono date al processore sono del tipo: comandi di trasferimento di informazioni; operazioni logiche e aritmetiche. Dentro la memoria centrale vengono immagazzinate sequenze di istruzioni e i dati di ingresso o uscita dell’elaborazione.

Cosa sono queste istruzioni?

Le istruzioni sono comandi espliciti che governano il trasferimento di informazioni sia all’interno del calcolatore sia tra il calcolatore e i dispositivi di I/O e specificano le operazioni aritmetiche e logiche che devono essere effettuate. Inoltre, vengono immagazzinati nella memoria dati centrale, i di ingresso e di uscita dell’elaborazione.

Che cos'è l'algebra booleana?

L’obiettivo di capire come sono strutturati e come si comportano i nostri circuiti. L'algebra di Boole si occupa di analizzarli e sintetizzarli. Nell'algebra di Boole ritroviamo variabili binarie che possono assumere soltanto valori 0 o 1 e le operazioni base sono contraddistinte dalle porte AND, OR e NOT, che per il teorema di de Morgan prendono il nome di sistema funzionalmente completo in quanto queste tre porte sono in grado di generare ogni tipo di circuito. Nelle espressioni booleane possono essere:

• Letterale: una variabile booleana che compare all'interno di una funzione booleana è indicata con una lettera;
• Clausola o Termine Elementare: il prodotto logico di due o più letterali, negati o meno.
• Fattore elementare: la somma logica di due o più letterali, negati o meno.

Come calcoliamo il numero di funzioni avendo n variabili?

Semplicemente seguendo la formula 2²ⁿ, dove n è il numero delle variabili. Es. 1 variabile = 4 funzioni, 2 variabili = 16 funzioni, 3 variabili = 256 funzioni, 4 variabili = 65536 funzioni. Isomorfe ai circuiti digitali: un circuito digitale può essere espresso tramite un'espressione booleana e viceversa.

Che cos'è un mintermine e cos'è invece un maxtermine?

Un mintermine prende anche il nome di termine prodotto P è una clausola di ordine n, in parole povere ci serve per la forma di minimizzazione POS (product of sum), ovvero il prodotto dei letterali di tutte le variabili. Un maxtermine invece è una somma di n letterali, prende anche il nome di fattore somma S, ci viene in aiuto sempre nelle minimizzazioni usando la (sum of product), forma SOP ovvero la somma di n letterali, uno per ciascuna variabile.

Cos'è la tabella di verità?

Una funzione booleana può essere definita mediante una tabella: tabella di verità. La tabella definisce il valore della variabile dipendente per tutte le possibili combinazioni delle variabili indipendenti. Una funzione di n variabili f(x , x , …, x ) è definita su 2ⁿ punti e quindi la tabella di verità avrà 2ⁿ righe. Ci sono due tipi di tabella verità: HALF ADDER, il quale addiziona 2 bit per ottenere Somma e riporto (Carry); e FULL ADDER, il quale addiziona 2 bit e un riporto (Carry in) per ottenere un bit Sum e un riporto Carry Out.

Quanti modi conosciamo per minimizzare i circuiti?

La minimizzazione è quel processo che consente di ottimizzare una rete logica al fine di semplificare l’implementazione. Conosciamo tre metodi per minimizzare i nostri circuiti:

• Il primo è quello delle mappe di Karnaugh dove andiamo a ricercare i sottocubi di area massima.
• Il secondo è quello di Quine col metodo algebrico.
• Il terzo, ed anche quello più lungo è quello di McCluskey con il metodo tabellare, nel quale andiamo a verificare passo per passo quali bit collassano.

Cap. 2: Com'è definita l'informazione?

Dato e informazione sono due concetti distinti: il dato rappresenta il risultato di una misurazione (es: un numero); l’informazione è ciò che si ottiene dal processing del dato. Qualunque informazione è definita tramite:

• Attributo, dove il significato associato all’informazione;
• Tipo, dove l’insieme degli elementi entro cui è stato scelto il valore dell’attributo;
• Valore, dove l’elemento assunto dall’informazione, che sarebbe attributo che assume il valore di un certo tipo.

Inoltre, i tipi possono essere:

• Semplici, dove i dati rappresentati sono entità atomiche (numeri interi, caratteri di un alfabeto);
• Strutturati, dove i dati rappresentati sono composti da più tipi semplici (i vettori (due numeri reali: modulo e verso), la posizione geografica (due numeri reali: latitudine e longitudine) la vostra carriera (esami sostenuti, voti)).

Cos'è la cardinalità?

Come sappiamo, ogni tipo ha una propria cardinalità che è il numero di elementi che compongono l’insieme dei valori, fra cui scegliere data la rappresentazione di un tipo. La cardinalità può essere usata per misurare la quantità di informazione, tipo se i due tipi T1 e T2 hanno rispettivamente cardinalità N1 e N2 tale che N1>N2 si dice che: “Il tipo T1 di cardinalità N1 ha una quantità di informazione maggiore rispetto a T2”.

In architettura, cos'è l'alfabeto?

Generalmente, un alfabeto di tipo S è un insieme finito non vuoto di simboli, che dato un insieme di questi alfabeti è definita una sequenza finita di caratteri di S. Data una stringa, il numero di caratteri che la costituiscono è chiamato lunghezza della stringa e si indica con |x| e se assume 0 viene definita come stringa vuota e se l’alfabeto S è composto dall’insieme di tutte le stringhe, compreso quella vuota o nulla è indicato con S*. Comunque ci sono anche altri tipi di alfabeti tipo:

• Alfabeto origine T, dove il dato da rappresentare appartiene al tipo;
• Alfabeto in codice E: il dato è rappresentato mediante dati di tipo;
• Codice C: ovvero la codifica di T mediante E è un’applicazione C, detta codice, che trasforma ciascun elemento x∈T in una stringa di lunghezza l di elementi a∈E, detta parola codice.

Che cos'è la codifica a lunghezza fissa?

Parliamo di codifica a lunghezza fissa quando abbiamo la lunghezza del codice che chiamiamo (l) uguale ad m (che rappresenta il numero di posti della stringa codice) costante per tutti gli elementi di T (che è l'alfabeto origine). Per calcolare m dobbiamo fare il log in base k di N che è la cardinalità.

Che cos'è un codice incompleto e cos'è un codice ridondante?

Un codice si dice incompleto se ci sono parole codice non assegnate ad alcun elemento dell'alfabeto origine. In parole povere, se non viene riempito tutto lo spazio che allochiamo per la rappresentazione di un determinato valore. Un codice si dice ridondante quando l > m, quando usiamo più caratteri dell'alfabeto in codice di quanti ne servano effettivamente.

Che cos'è la codifica a lunghezza variabile?

Proprietà fondamentale è quella che la (o le) parola più corta è individuata da un particolare codice che non si ritrova come sequenza iniziale in quelle più lunghe: è la lunghezza stessa che deve essere riconosciuta nel contesto della parola-codice. Usiamo la codifica a lunghezza variabile quando gli elementi dell'alfabeto origine non hanno tutti la stessa probabilità di occorrenza. I vantaggi di questa tecnica sono risparmio di spazio nella memorizzazione e risparmio di tempo nella trasmissione.

Che cos'è la rappresentazione decodificata?

La rappresentazione decodificata è una codifica mediante la quale la lunghezza del codice è uguale alla cardinalità dell'insieme da codificare (m = N). Questa è la codifica più semplice ma allo stesso tempo quella più costosa.

Che cos'è il transcodificatore?

In alcune circostanze si può verificare che lo stesso dato sia rappresentato mediante codici diversi. Detti C1 e C2 due codici definiti sullo stesso insieme (cioè costituito dallo stesso numero di parole codice), si dice transcodificatore una macchina che consente di associare a ciascuna parola del codice C1 la corrispondente parola del codice C2. Parliamo di Transcodificatore quando codifichiamo due volte lo stesso dato con codici diversi. Ce ne rendiamo conto nella tabella di verità del display a sette segmenti, il quale riceve in ingresso la codifica della cifra da visualizzare e genera le uscite selezionando i segmenti che devono essere accesi sul display per far visualizzare correttamente il simbolo corrispondente.

Che cos'è un Decoder (Decodificatore)?

Un decodificatore è una macchina che riceve in ingresso una parola codice e presenta in uscita la sua rappresentazione decodificata. Nel circuito integrato, quando il segnale di abilitazione è =1, viene asserita l’uscita il cui pedice, in decimale, corrisponde al numero binario in ingresso (A bit meno significato).

Che cos'è un Encoder (Codificatore)?

Un codificatore è una macchina che riceve in ingresso una rappresentazione decodificata e fornisce in uscita la parola codice associata.

Che cos'è un Multiplexer indirizzabile (MUXL)?

È un MUXL al quale è associato un Decodificatore le cui uscite sono collegate agli ingressi di selezione, ovvero i segnali di abilitazione del MUXL. In questo modo il dato viene individuato da un indirizzo e non da una decodifica. (Abbiamo più ingressi (A, B) ed un'uscita (F)).

Che cos'è una Demultiplexer indirizzabile (DMUXL)?

È un DMUXL i cui segnali di abilitazione sono collegati con le uscite di un decodificatore. (Abbiamo un ingresso (D) e più uscite (F0, F1, F2, F3)).

Che cos'è un comparatore?

Il comparatore è una macchina che ha in ingresso due dati A e B ed in uscita rilascia un segnale Booleano EQ che alza il suo flag ad 1 se A = B.

Che cos'è il bit di parità e a che serve?

Quando trasferiamo dei dati da una sorgente ad una destinazione si usano codici ridondanti affinché si possano controllare presenze di eventuali errori. Ci affidiamo al controllo con singolo bit di parità ovvero, le parole devono arrivare al destinatario con una lunghezza di bit pari prefissata. Qualora il numero di bit '1' che andiamo a contare non dovesse risultarci un numero pari (bensì dispari), aggiungiamo un bit, che muterà la disparità della stringa codice, in pari.

Che cos'è una rete di parità?

Una rete di parità è una macchina che determina la parità di una parola di n bit. Se il flag P si alza ad 1, il numero è pari. Se il flag resta a 0 è dispari. In trasmissione il codice non ridondante C entra nel blocco CALC, una rete di parità che "calcola" il bit di parità. Il bit di parità viene aggiunto al codice C formando il codice ridondante CRID. In ricezione il codice ridondante viene inserito nel blocco VER che ne verifica la parità, fornendo un segnale di errore se la parità è scorretta. I bit costituenti la parte non ridondante del codice costituiscono quindi il codice C' che, se non è stato rilevato errore, è probabilmente eguale a C.

Cap. 3: Differenze tra reti combinatorie e reti sequenziali?

Nelle reti combinatorie il valore delle uscite in un determinato istante dipende solo ed esclusivamente dal valore degli ingressi in quello stesso istante. Nelle reti sequenziali il valore delle uscite in un determinato istante dipende dal valore degli ingressi in quell'istante e dagli altri ingressi del circuito. Dunque, nelle reti sequenziali dobbiamo introdurre anche il concetto di tempo e di stato.

Che cos'è il concetto di tempo e di stato?

Gli istanti discreti vengono scanditi dal clock che è un segnale periodico. Durante un ciclo di clock T(Ck) il segnale può assumere due valori logici: 1, 0. Il passaggio da 0 ad 1 è detto fronte di salita. Il passaggio da 1 a 0 è detto fronte di discesa. Le uscite di un circuito sequenziale dipendono dagli stati precedenti. Lo stato di un circuito sequenziale, dunque, è determinato da variabili di stato e da una funzione di transizione che in base allo stato presente e agli ingressi che forniamo, determina lo stato prossimo. Lo stato viene aggiornato ad ogni ciclo di clock. Per memorizzare gli stati di un circuito ci serviamo di elementi di memoria detti bistabili (flip-flop).

Che cos'è un automa a stati finiti?

Il numero degli stati che un circuito sequenziale può assumere è finito. Il modello che descrive il comportamento degli stati prende il nome di automa a stati finiti ed è definita dalla quintupla. (I, U, S, T, W). I = Alfabeto di ingresso. U = Alfabeto di uscita. S = Insieme degli stati. T = Funzione prossimo stato. W = Funzione di uscita.

Che cos'è la tabella degli stati?

Il comportamento di una macchina sequenziale è descritto dalla tabella degli stati. Negli indici di colonna ci sono i simboli di ingresso. Negli indici di riga troviamo i simboli di stato. (Macchine di Mealy e di Moore).

Cap. 4: Che cosa sono i latch ed i flip-flop?

Sono circuiti elettronici in grado di memorizzare un singolo bit e si dividono in due tipi, ovvero: LATCH, un circuito in grado di memorizzare un bit di informazione nei sistemi a logica sequenziale asincrona. Il latch modifica lo stato logico dell'uscita al variare del segnale di ingresso, mentre il flip-flop, basato sulla struttura del latch, cambia lo stato logico dell'uscita solamente quando il segnale di clock è nel semiperiodo attivo. Il latch mantiene qualsiasi stato di uscita risultante da un segnale di ingresso, fino a quando non viene ripristinato da un altro segnale; FLIP-FLOP, un circuito bistabile e può essere utilizzato per memorizzare le informazioni sullo stato, come è un multivibratore bistabile. Possono essere utilizzati anche come circuito anti-rimbalzo per i contatti di un pulsante, un interruttore o un relè, indispensabili per esempio nelle funzioni di START e STOP nei cronometri digitali: infatti, la chiusura dei contatti elettrici può non avvenire in modo definitivo, ma dopo una serie di rimbalzi, i quali generano altrettanti impulsi, che, interpretati erroneamente dal circuito logico, porterebbero ad errori di funzionamento. Essi sono bistabili dal momento che a seconda dell'ingresso memorizzano 0 o 1 e rimangono stabili solo in assenza di input ed hanno due output (Q e Q') che sono sempre l'uno il complemento dell'altro.

Che cosa sono i latch SR e come sono fatti?

Il latch SR è realizzato con due porte NOR o due porte NAND. Ha due linee di ingresso S (set) e R (reset), cui Set porta Q allo stato 1 e memorizza 1, mentre Reset porta Q allo stato 0 e memorizza 0. In più ha due linee di uscita Q e Q' che sono complementari. I seguenti latch sono retroattivati, ovvero sono collegati in maniera tale che un'uscita sia un ingresso dell'altro. Il valore delle uscite dipende, oltre che dai valori attuali, anche dalla sequenza dei valori precedenti delle variabili di ingresso. Non è possibile applicare sia a S che a R il valore logico 1, in tal caso l'uscita del latch risulterebbe imprevedibile (potrebbe oscillare). Il latch è un automa di Moore perché l'informazione prodotta in output è già codificata nello stato in cui viene a trovarsi l'automa. Se Q = 0 darà output 0, se Q = 1 darà output 1.

Differenza tra sistemi sincroni e asincroni?

Nei sistemi asincroni i segnali di uscita possono cambiare ogni volta che uno o più ingressi cambiano. Nei sistemi sincroni l'uscita di un circuito dipende dallo stato interno e dagli ingressi in un dato istante, sincronizzati da un clock esterno.