Informatica generale - Hardware

La struttura hardware

Funzioni di un calcolatore:

• Elaborazione di dati
• Memorizzazione di dati
• Trasferimento di dati
• Controllo

Il mercato del computer, in questi anni, ha fatto in modo che la macchina si sviluppasse seguendo questi parametri:

• Flessibilità di calcolo
• Modularità della struttura
• Scalabilità dei componenti
• Standardizzazione dei componenti
• Abbattimento dei costi
• Semplicità di installazione
• Disponibilità di applicazioni

Un computer, o, più tecnicamente, un Sistema Informatico (SI), è strutturato, schematicamente, nel seguente modo:

Il BUS, che, in pratica, è il sistema di cavi e collegamenti che permette ai vari componenti di comunicare tra loro, possiede una serie di pregi e di difetti:

• Semplice
• Estendibile
• Standardizzabile

Lento• Capacità limitata• Sovraccarica la CPU

Per eseguire un programma, la CPU esegue queste operazioni di base:

1. lettura (fetch)
2. decodifica (decode)
3. esecuzione (execute)

La CPU ha questa struttura:

leggi UNITÀ DI CONTROLLO
PC IR
scrivi PSW
RAM
BUS Controllo STATO
PERIFERICHE
I/O BUS Indirizzi
ESEGUI
MAR R ALUE
GISTRIBUS Dati OPERAZIONE
MDR
ALU = Unità Aritmetico-Logica (per calcoli logico-aritmetici)
Unità di controllo = Unità con funzioni di coordinazione
PC = Program Counter (seleziona la successiva istruzione da utilizzare)
IR = Instruction Register
MAR = Memory Adress Register
MDR = Memory Data Register
PSW = Processor Status Word (informazioni su conseguenze dell'esecuzione e sul funzionamento dell'unità di elaborazione)

Le operazioni vengono coordinate anche seguendo la temporizzazione del SI, stabilita da un orologio (clock) la cui frequenza viene espressa in MHz. La

potenza dei microprocessori viene spessissimo indicata da loro clock (es: Pentium II 350 MHz).

LA MEMORIA

Ne esistono di due tipi: centrale (RAM) e di massa (HD, floppy, CD, ecc.).

I criteri di valutazione per una memoria sono:

• velocità d'accesso
• capacità
• volatilità
• costo per bit

Le tecnologie per realizzare una memoria sono diverse:

• memorie elettroniche (+ veloci, + capaci, volatili, alto costo per bit)
• memorie magnetiche (- veloci, minor costo per bit, permanenti)
• memorie ottiche (- veloci, minor costo per bit, generalmente non riscrivibili)

Le prestazioni di un'unità di memoria sono valutate tramite:

• tempo d'accesso
• ciclo di memoria
• velocità di trasferimento

La differenza di costo per bit ha fatto in modo che la tecnologia dei computer creasse una memoria che potesse sfruttare sia le potenzialità delle memorie piccole e veloci, sia quelle delle memorie grandi e lente.

(memoria cache, utilizza una tabella di corrispondenza tra indirizzi e contenuti delle celle) Le memorie centrali, quindi, sono quasi sempre piccole ed elettroniche, mentre le memorie di massa sono grandi e magnetiche. Una memoria è composta da innumerevoli successioni di numeri binari, che possono essere raggruppati in celle da 8, 16, 32 o 64 bit. Una successione di bit che occupa un'intera cella viene definita parola. Perché un determinato dato possa essere recuperato e utilizzato dal SI, è necessario che si sappia dove andarlo a cercare. Ogni cella, quindi, è caratterizzata da un indirizzo. L'accesso a questo indirizzo può essere di diverso genere: - Accesso sequenziale (legge tutte le celle numericamente precedenti a quella richiesta) - Accesso casuale (tipico della RAM, non necessita la lettura delle celle precedenti e centra subito quella richiesta) - Accesso misto (giunge in prossimità della cella con un accesso casuale, poi arriva alla giusta cella tramite un accesso sequenziale) - Accesso associativo (memoria cache, utilizza una tabella di corrispondenza tra indirizzi e contenuti delle celle)

(seleziona la parola confrontandola con una sua parte. Le memorie dotate di questo sistema sono velocissime, ma anche molto costose. La memoria cache utilizza questo sistema)

La memoria centrale di un SI è RAM (Random Access Memory), ma è necessario avere installata anche una memoria ROM (Read Only Memory), che, al contrario della RAM, non è volatile, ma nemmeno riscrivibile e serve per i dati di avviamento e controllo del SI.

Il funzionamento di una memoria si basa su quello che viene definito principio di località. Per comprenderlo, però, è necessario prima schematizzare un'importante caratteristica della memoria:

CPU

MEMORIA PICCOLA VELOCE MA COSTOSA

MEMORIA GRANDE ECONOMICA MA LENTA

Come potete vedere, i due livelli di memoria sono divisi in blocchi. In quella piccola, i blocchi immagazzinano i dati usati più di recente. Nel caso la CPU non dovesse trovare al livello 1 ciò che cerca, passerà, allora, al livello 2.

dove sono immagazzinati più dati, allungando, però, il tempo di esecuzione. Come si fa, però, a prevedere esattamente quale informazione verrà richiesta e a porla, quindi, nella memoria al livello 1? Entra così in gioco il principio di cui prima.

Il Principio di Località afferma che se utilizzo un certo dato, allora è probabile che entro breve verranno richiesti i dati ad esso limitrofi (località spaziale) e che se utilizzo un certo dato, allora è probabile che entro breve si debba riutilizzarlo (località temporale).

Ovviamente, in un SI come lo conosciamo oggi, questo procedimento non si sviluppa solo su due livelli, bensì su cinque. Li riportiamo qui in ordine dal più piccolo e veloce al più grande e lento:

1. CPU (registri)
2. Memoria Cache
3. RAM
4. Dischi magnetici e/o ottici
5. Nastri magnetici

Affrontiamo ora la definizione dei vari dispositivi per le memorie di massa.

• Nastri magnetici:

registrazioni digitali e dei dispositivi di memorizzazione utilizzati. I dispositivi di memorizzazione registrano i dati in formato digitale, utilizzando un byte e un bit di controllo. La registrazione avviene all'interno di blocchi separati tra loro da un inter-record gap e l'accesso ai dati avviene in modo sequenziale. Uno dei dispositivi di memorizzazione più comuni sono i dischi magnetici. Questi dischi sono divisi in tracce concentriche, tutte di uguale dimensione. Le tracce sono a loro volta divise in settori e ogni settore ospita un record. I settori sono separati tra di loro da un gap. Prima di poter essere utilizzati, i dischi magnetici devono essere formattati, ovvero suddivisi in tracce e settori. Gli esempi più comuni di dischi magnetici sono gli hard disk (HD) e i floppy disk. Nei computer normali, sono presenti più HD collegati a una struttura chiamata disk drive e su ciascuno di essi sono presenti delle testine per la lettura e la scrittura dei dati. Un altro tipo di dispositivo di memorizzazione sono i dischi ottici, che sono molto diffusi. Questi dischi, generalmente non riscrivibili come i CD-ROM, sono ricoperti da una pellicola che può essere opaca o lucida. I due stati corrispondono ai valori 0 e 1 del codice binario. La registrazione avviene in zone microscopiche del disco. Questi sono solo alcuni esempi di dispositivi di memorizzazione e registrazioni digitali utilizzati nelle periferiche di input/output.

Periferiche che ci permettono di "dialogare" col SI: le periferiche I/O. Ne esistono di due tipi:

• Seriale, che trasmette un solo bit per volta (es: il mouse)
• Parallela, che trasmette tutti i bit in un'unica volta (es: la stampante)

Una periferica, per funzionare, deve essere inserita in un'interfaccia, che schematizziamo qua sotto:

1 I nastri magnetici, in realtà, sono meno capienti e più lenti dei dischi magnetici e/o ottici. Tra l'altro, al giorno d'oggi, in campo informatico, questi non sono praticamente più utilizzati. 34
R EGISTRO UDI NITÀ
DISTATO CONTROLLOR EGISTRO INTERFACCIA
DATIBUS I NDIRIZZI BUS D ATI BUS DI CONTROLLO

• Registro dati: contiene i dati da inviare/ricevuti dalla periferica
• Registro di stato: fornisce informazioni sullo stato della periferica e aiuta a sincronizzare il lavoro della CPU (+veloce) con quello della periferica (+ lenta e soggetta ad imprevisti ed errori umani)

dell'utente) Una periferica I/O può essere gestita in tre modi:

• A controllo (inviando un carattere per volta)
• A interruzione (esecuzioni contemporanee utilizzando i momenti di pausa)
• Con accesso diretto alla memoria (Direct Memory Access), mediante il controller di DMA, che assegna alla CPU solo il compito di iniziare l'operazione, che poi sarà continuata dal controller, mentre la CPU è impegnata in altro. Questa operazione è possibile solo nel caso in cui i dati da utilizzare siano sequenziali.

Le principali periferiche di I/O sono:

• Tastiera: invia segnali elettrici collegati ai tasti.
• Schermo: Riceve i segnali attraverso un tubo a raggi catodici (CRT), costituito da una matrice di punti indirizzabili (pixel). Collegato alla memoria RAM, i colori sullo schermo sono decisi dal numero di bit/pixel. Oggi in commercio, oltre agli schermi CRT, economici, ma ingombranti ed energeticamente costosi, vi sono anche gli schermi

LCD (Liquid Cristal Display), più sottili ed energicamente economici. Questi, però, hanno un angolo di visuale ridotto e, soprattutto, sono molto costosi.

• Mouse
• Stampanti: possono essere ad aghi (che disegnano il documento sulla carta), a getto d'inchiostro (diffusissime per il loro prezzo, per l'alta qualità e per le dimensioni ridotte) oppure laser (scaldano la polvere d'inchiostro sul foglio mediante un laser)
• Modem: abbreviazione dei termini modulatore e demodulatore. È un apparecchio che trasforma i bit in segnali analogici (modulazione), trasmettibili via linea telefonica, e li ritrasforma poi in linguaggio binario (demodulazione). Può essere interno (scheda) o esterno al SI.

Ora che abbiamo introdotto tutte le caratteristiche generali di un SI, si rende necessario specificare che non esistono solamente i normali PC che molti si trovano a casa o in ufficio. I vari tipi di calcolatori sono elencati qui di seguito con

le loro caratteristiche peculiari:

• PC (economico, pratico, semplice, diffusissimo)
• Workstation (permette prestazioni elevatissime sui calcoli con virgola mobile)
• Minicalcolatori (SI simile alla Workstation, ma che permette il contemporaneo utilizzo da parte di più utenti.
• Mainframe (compatibile con un numero di utenti maggiore anche a quelli dei minicalcolatori)
• Supercalcolatori (unisce ad un numero ancora maggiore dei mainframe delle superprestazioni. In disuso negli ultimi anni, a causa della loro elevata complessità)
• Sistemi multiprocessori (eredi dei supercalcolatori, possono lavorare in parallelo)

Ciò che distingue questi SI, inoltre, è il livello del flusso (Singolo o Multiplo) di informazioni (I) e di dati.