Informatica di base - hardware e software

LE COMPONENTI HARDWARE DEGLI ELABORATORI

Le più importanti sono:

1. la memoria principale
2. il processore
3. la memoria secondaria
4. i dispositivi di input/output

LA MEMORIA PRINCIPALE

Detta anche memoria centrale o RAM (Random Access Memory), permette di ricordare le informazioni.

La memoria principale insieme al processore forma l’unità centrale.

Le dimensioni tipiche della RAM vanno dai 128 ai 512 MB.

È possibile modificare le dimensioni della memoria in qualsiasi momento inserendo negli appositi slot nuove schede di memoria, queste possono essere da 64, 128, 256 MB.

La memoria principale è una lunga sequenza di componenti elementari, ognuna delle quali contiene 1 bit (ossia un’unità di info). Queste componenti sono a loro volta aggregate tra loro in celle (ogni cella contiene 8 bit = 1 byte).

Quindi la RAM è una sequenza di celle, ognuna caratterizzata da un indirizzo che specifica la sua posizione all’interno della sequenza.

La sigla RAM

sta ad indicare che è possibile effettuare l'accesso diretto alle celle e che il tempo necessario per accedere ad una cella non cambia al variare della cella, ma è sempre lo stesso. La velocità di accesso della RAM (ossia il tempo che intercorre tra il momento in cui il processore specifica in quale cella vuole lavorare e dà il comando, e il momento in cui l'operazione è terminata) è di 10 sec.

Il processore può operare sulla RAM operazioni di lettura e scrittura delle info. Per eseguire queste operazioni si deve specificare l'indirizzo della cella su cui si vuole operare, l'indirizzo della cella è un numero intero che può essere rappresentato con la sua codifica binaria. Il numero di bit utilizzati per scrivere gli indirizzi, e di conseguenza il numero di celle indirizzabili, prende il nome di spazio di indirizzamento.

Le memorie principali hanno costi molto elevati e questi costi dipendono dalla velocità di

accesso che offrono, dalla qualità della scheda e dalla velocità del bus della scheda madre. Esistono tre famiglie di memoria RAM:

1. le memorie SRAM (statiche) che hanno costi alti, tempi di accesso inferiori ai 2 nanosecondi e sono usate per la CACHE
2. le memorie DRAM (dinamiche) tempi di accesso pari a 40-60 nanosecondi utilizzate per la memoria principale.
3. le memorie VRAM (video) usate per la gestione delle immagini.

La RAM è volatile, ossia perde tutte le info nel momento in cui viene tolta la corrente elettrica.

La RAM è più grande del floppy, più grande della CACHE ma più piccola dell'HardDisk.

• Byte: 8 bit
• Kilobyte: 1024 byte
• Megabyte: 1024 KB (circa 1.000.000 di byte)
• Gigabyte: 1024 MB (circa 1 miliardo di byte)
• Terabyte: 1024 GB
• Petabyte: 1024 TB

1024 = 2 alla 10

64 KB = 2 alla 16

4 GB = 2 alla 32

IL PROCESSORE

Spesso indicato con la sigla CPU (Central Processing Unit) ha la funzione di elaborare le

controllo

Il controllo dell'elaborazione delle informazioni da parte del processore avviene secondo sequenze di istruzioni, definite programmi, che definiscono il comportamento del processore stesso.

Per ogni tipo di processore è definito un insieme di istruzioni, chiamate istruzioni macchina. Ogni istruzione macchina corrisponde ad un'azione elementare che il processore è in grado di svolgere.

Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni è definito linguaggio macchina.

Le operazioni più complesse sono sequenze di istruzioni macchina e costituiscono i programmi in linguaggio macchina.

La funzione del processore è eseguire programmi in linguaggio macchina.

Il programma e i dati su cui il processore lavora devono essere caricati in memoria principale al momento dell'esecuzione.

Il processore ha un comportamento ciclico, ad ogni ciclo corrisponde idealmente l'esecuzione di un'istruzione macchina.

L'UNITÀ DI CONTROLLO

6L'unità di controllo svolge il ruolo di coordinamento delle diverse attività che devono essere svolte ad ogni ciclo di esecuzione. La frequenza con cui vengono eseguiti i cicli è scandita da un ulteriore componente, detta clock, che genera impulsi a distanza di tempo costante; ad ogni impulso di clock la UC esegue un ciclo di esecuzione di istruzioni macchina. In un PC medio ci sono circa tra i 1000 e i 3000 impulsi al secondo). I REGISTRI Il processore contiene piccole unità di memoria estremamente veloci, le dimensioni sono di solito di pochi byte (2 o 4 o 8) che coincidono con quelle delle parole di memoria, i tempi di accesso ai registri sono molto più bassi (veloci) di quelli della memoria principale. Vengono usati per mantenere informazioni di necessità immediata per il processore. Ci sono due gruppi: 1. registri speciali (usati da unità di controllo per scopi particolari come Program Counter, registro istruzioni, registro di stato,

registro di comunicazione con la memoria

registri generali (aritmetici) x contenere risultati parziali durante il corso dell'elaborazione.

Program Counter

Memorizza l'indirizzo della cella di memoria per le istruzioni da eseguire, in particolare contiene l'indirizzo della cella della prossima istruzione da eseguire. Le dimensioni devono essere uguali a quelle degli indirizzi di memoria principale (spazio di indirizzamento). Prima dell'inizio di esecuzione di un programma viene caricato nel registro PC l'indirizzo della prima istruzione del programma e ad ogni ciclo di esecuzione il valore del registro PC viene modificato in modo da contenere l'indirizzo dell'istruzione successiva, quindi è necessario aumentare di uno il valore del registro PC ad ogni ciclo di clock.

Registro Istruzioni

Contiene l'istruzione attualmente in esecuzione (ad ogni ciclo di clock l'istruzione letta dalla memoria principale viene scritta nel registro

istruzioni RI e l'unità di controllo UC decodifica l'istruzione (comprende quali azioni devono essere svolte in corrispondenza istruzione). Istruzioni tipiche:

• LOAD: lettura in memoria
• STORE: scrittura in memoria
• ADD: somma
• JUMP: salto
• ISTRUZIONI DI SPOSTAMENTO: spostare le informazioni da una cella di memoria all'altra

Registro di Stato

Contiene informazioni sullo stato esecuzione processore e segnala eventuali errori avvenuti durante l'esecuzione.

Registri generali

Usati come memorie temporanee per svolgere operazioni matematiche.

L'UNITÀ ARITMETICO-LOGICA (ALU)

Si tratta di un insieme di circuiti in grado di svolgere operazioni di tipo aritmetico e logico, legge i dati contenuti nei registri generali esegue le operazioni e memorizza il risultato in uno dei registri generali, a volte è potenziata da un modulo FPU (Floating Point Unit).

L'UNITÀ DI GESTIONE DELLA MEMORIA (MMU)

Si occupa di tutte le

Operazioni di indirizzamento da e verso la memoria, ad es. gestisce la traduzione tra indirizzi virtuali ed indirizzi fisici.

LETTURA E SCRITTURA IN MEMORIA

Per permettere l'esecuzione di queste operazioni il processore e la memoria principale devono comunicare, questo avviene attraverso tre registri:

1. registro RIM (reg. indirizzi in memoria): il processore può specificare l'indirizzo della cella su cui vuole operare
2. registro RDM (reg. dati in memoria): contiene l'informazione letta dalla memoria o quella che deve essere scritta nella memoria
3. registro RC (reg. di controllo): il processore specifica l'operazione che deve essere eseguita e che, al termine dell'operazione, viene utilizzato per segnalare eventuali errori che possono essere avvenuti.

CICLO DI CLOCK

1. si legge dalla memoria principale l'istruzione che si trova all'indirizzo indicato dal registro PC
2. l'istruzione viene scritta all'interno del registro RI
3. si modifica

Il valore del PC aumentandolo di 14.

La UC decodifica l'istruzione e individua la sequenza di azioni che devono essere svolte all'interno del processore.

Si eseguono le azioni specificate dall'istruzione e cioè:

1. In presenza di istruzioni di lettura dalla memoria la UC attiva meccanismi di lettura
   1. Scrive l'indirizzo della cella da leggere nel registro RIM
   2. Scrive il codice dell'operazione "load" nel registro RC
   3. Il contenuto della cella da leggere viene scritto nel registro RDM
2. In presenza di istruzioni di scrittura dalla memoria la UC attiva meccanismi di scrittura
   1. Scrive l'indirizzo della cella in cui si vuole scrivere nel registro RIM
   2. Scrive l'informazione che deve essere scritta nel registro RDM
   3. Scrive il codice dell'operazione "store" nel registro RC
3. In presenza di istruzioni aritmetico-logiche dalla memoria la UC attiva meccanismi di operazioni matematiche.
4. In presenza di salto si

modifica il valore del registro PC scrivendo l'indirizzo dell'istruzione cui si deve saltare. MEMORIA CACHE Per evitare di operare frequentemente sulla memoria principale vi è un ulteriore livello di memoria intermedio tra i registri e la memoria principale; ha dimensioni abbastanza ridotte (256/512 KB) e accesso molto veloce. In alcuni casi tale memoria negli elaboratori è di tipo associativo ossia si basa su una tecnica di accesso alle informazioni diversa, infatti la memoria mantiene un legame tra il nome dell'informazione desiderata e la cella in cui l'informazione è contenuta e grazie a ciò si può accedere immediatamente alla cella una volta noto il nome dell'informazione. Viene usata dal s.o. per mantenere i dati di uso molto frequente e i dati di sistema riguardanti le tabelle di gestione. Può