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

Struttura di un sistema informatico

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

I M C CPU NTERFACCE EMORIA ENTRALE I/O RAM MNPUT UTPUT ICROPROCESSORE DBUS ATI BUS I NDIRIZZI BUS DI CONTROLLO

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

Operazioni della CPU

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

• Lettura (fetch)
• Decodifica (decode)
• Esecuzione (execute)

La CPU ha questa struttura:

leggi U NITÀ DI CONTROLLO PC IR scrivi PSWRAMO BUS Controllo S TATO PERIFERICHE I/O BUS Indirizzi E SEGUIMAR R ALUEGISTRI BUS 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 Address 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. 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 (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 M , ,EMORIA PICCOLA VELOCE MA COSTOSA, ,M EMORIA 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 frequente.