Fondamenti di informatica, Parte teorica

Il calcolatore

Cos'è il calcolatore

Il calcolatore è uno strumento programmabile per:

• La rappresentazione delle informazioni;
• La memorizzazione delle informazioni;
• L’elaborazione delle informazioni;

Le funzioni del calcolatore

Il calcolatore è un sistema, costituito da alcune componenti, definibili come "macro-unità funzionali". Ciascuna di queste macro-unità è specializzata nello svolgimento di una tipologia omogenea di funzionalità e cioè:

• Scambio dati con l’utente;
• Memorizzazione;
• Elaborazione;
• Controllo;
• Trasferimento;

L’unica eccezione è rappresentata dalle funzioni di elaborazione e controllo che sono svolte entrambe dalla CPU (come si osserverà in seguito).

Architettura di Von Neumann

Definizione

La macchina di Von Neumann è uno schema di calcolatori, è un modello semplificato di calcolatori moderni. Si tratta di uno schema/architettura logico-concettuale più che una macchina fisica.

Composizione

L’architettura di Von Neumann è composta da quattro componenti funzionali:

• CPU
• Memoria Principale (RAM)
• Bus
• Interfacce di Input/Output

Le funzioni della CPU

La CPU (unità centrale di elaborazione) è il processore dell’elaboratore, costituito dai circuiti elettronici capaci di:

• Leggere (dalla memoria centrale);
• Decodificare (interpretare) le istruzioni di un programma, una alla volta;
• Eseguire;

Nell’architettura di Von Neumann non si considera la CPU in qualità di tecnologia fisica evoluta quanto si considera il suo aspetto di lettura, decodificazione ed esecuzione.

Composizione fisica della CPU

Le CPU sono dei microprocessori, cioè dispositivi elettronici estremamente complessi formati da milioni di transistor. È costituita da due parti:

• Unità di Controllo (CU): compie l’istruzione;
• Unità Aritmetico Logica (ALU): svolge le operazioni logiche (and, or, not, …), booleane aritmetiche, relazionali (di confronto dati), …;

Fisicamente sulla CPU sono montati anche i registri che sono delle memorie che grazie alla loro vicinanza alla CPU permettono di comunicare con la RAM che, essendo lontana, riceve velocemente le informazioni grazie a questi registri.

Il numero di operazioni della CPU

La velocità della CPU influenza le prestazioni del computer. Per contare le operazioni si usa il ciclo di clock, che temporizza le operazioni tramite un segnale (clock) la cui frequenza è misurata in megahertz (MHz) o gigahertz (GHz). Questo time clock conta quanto tempo impiega il processore per completare un ciclo macchina per eseguire l’istruzione, che viene compiuta dalla CU e si compone di:

• Lettura;
• Decodifica;
• Esecuzione;

CPU di marche diverse sono equivalenti se in grado di eseguire lo stesso numero di istruzioni.

Caratteristiche dei processori

Si basano su:

• Numero di bit (unità fondamentale di memorizzazione) che vanno a processare (8, 16 o 64 bit);
• Velocità di clock, Frequenza (si misura in Hertz);
• Presenza della cache (memorie montate all’interno del processore che aumentano le prestazioni del processore);
• Core: sono processori dentro i processori, e ogni core è specifico per ogni funzione ed è in grado di gestire proprie operazioni;
• Thread: numeri di processi indipendenti che un chip riesce a gestire e in teoria dovrebbe essere lo stesso numero dei core; questo è importante per il multitasking che per l’utente sembra uno svolgimento in contemporanea di più programmi, mentre la macchina attiva un solo processo alla volta;
• Thermal Design Power (TDP): capacità di dissipare energia; le operazioni, infatti, generano calore all’interno del chip. Si misura in watt

Memoria principale (RAM)

In generale l’unità responsabile della memorizzazione è la memoria, organizzata in celle ciascuna delle quali possiede un indirizzo che la identifica ed è in grado di memorizzare un singolo dato o una singola istruzione. La RAM (Random Access Memory) è la memoria ad accesso casuale. Memoria perché vengono immagazzinate le informazioni di cui un programma ha bisogno durante l’esecuzione. Ad accesso casuale perché caratterizzata proprio da un accesso “casuale” ai dati, ai quali vi si può accedere indipendentemente dall’ordine in cui si trovano. Comunica direttamente con la CPU tramite il Bus e memorizza i dati e i programmi in esecuzione. Essendo la memoria vicino al processore, deve essere molto veloce e per realizzare questa grande velocità si utilizzano tecnologie/dispositivi elettronici. È volatile, cioè non permanente. È accessibile sia in lettura che scrittura.

Quando si lancia un programma, questo programma si trova nell’hard disk (che è una memoria permanente) e dall’hard disk viene caricato in memoria principale. Fatto ciò, il programma interagirà con la CPU per lo svolgimento delle operazioni. Talvolta può anche essere caricato qualcosa nella memoria cache, un’altra memoria utile a velocizzare il processo.

Interfacce di input/output

Controllano le periferiche (cioè i dispositivi di ingresso e uscita) e hanno il compito di tradurre i segnali interni del calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa.

Bus

Il bus di sistema rappresenta il componente a trasferimento e controllo delle informazioni, è una serie di connessioni elementari che fisicamente sono piste di rame tracciate sulla Scheda Madre (scheda principale sulla quale si innestano tutti gli altri componenti come CPU, RAM e memorie di massa). Il bus interconnette CPU, memorie ed interfacce verso dispositivi periferici (I/O, memoria di massa, …) e quindi non vi è un collegamento diretto tra le componenti (che sarebbe fine a sé stesso). È comunque sempre la CPU che coordina questi movimenti. Il bus collega due unità funzionali alla volta (una trasmette e l’altra riceve).

I componenti del bus (sottogruppi di linee) sono:

• Bus dati (data bus) che costituisce il percorso per trasferire i dati tra le componenti dell’elaboratore (tra memoria centrale e registro dati della CPU oppure tra periferiche e CPU);
• Bus indirizzi (address bus) che indica la sorgente o la destinazione dei dati che transitano sul bus dati; in particolare identifica l’ID della cella in memoria su cui la CPU scrive o legge;
• Bus comandi (command bus) che è usato per controllare l’uso e l’accesso al bus dati ed al bus indirizzi; contiene il comando in lettura o scrittura (regola la direzione di scambio);

Tra le caratteristiche del collegamento a bus:

• Semplicità: dovuta ad un’unica linea di connessione;
• Il lato negativo è la limitata capacità: avendo un sistema centralizzato penalizza in termini di tempi e occupazione di banda (del bus);
• Quindi con l’estendibilità che consiste nell’aggiunta di nuovi dispositivi consegue la limitata capacità dovuta all’aumento di dispositivi collegati;
• Il lato positivo consiste nella standardizzabilità e cioè l’universalità delle regole per la comunicazione da parte di dispositivi differenti.

L'hardware: le unità di memoria

Come sono fatte le memorie

A livello concettuale le memorie sono un insieme di celle in cui ogni record (blocchetti, insieme di celle) memorizza il dato. In un’altra parte della memoria viene memorizzato l’indirizzo della cella dove è memorizzato il dato (grazie anche al bus indirizzi). Per la memorizzazione sono quindi anche importanti il bus dati e il bus di controllo.

Classificazione delle memorie in base alle funzioni

• Memorie di supporto alla CPU
  Sono le memorie direttamente accedute dalla CPU a supporto del processore. Le istruzioni e i dati passano direttamente alla CPU. Esempio: RAM
• Memorie archivio
  Le memorie che servono per archiviare dati e programmi in modo permanente o per lunghi periodi.

Classificazione delle memorie in base alle tecnologie

Memorie magnetiche

Sono le memorie realizzate sulla base dei principi del magnetismo. La memorizzazione del dato avviene sfruttando il principio della polarizzazione magnetica e cioè il dato memorizzato corrisponde...