Introduzione all`uso di un PC

Introduzione all’uso di un PC
L’unità di sistema (system unit) può avere una configurazione da tavolo
(desktop), a torre (tower), a minitorre (minitower). Ha contenitori di
hardware (drive bays) (baie di guida/azionamento) che possono essere
fissi o rimuovibili: floppy drives, hard disk drives, CD drives, DVD drives.
Alcuni drives sono esposti e si vedono, altri sono nascosti.
Il retro mostra vari connettori (chiamati anche porte o interfacce di
Input/Output) dove è possibile connettere le unità periferiche (peripheral
devices). Ci possono essere connettori PS/2 per mouse e tastiera,
connettori USB veloci e versatili, connettori per rete LAN (RJ45),
connettori a porte seriali e parallele, porte VGA, SVGA per il monitor,
porte SCSI, porte FireWire per videocamere digitali, porte a raggi
infrarossi, ecc..
Circa ogni 1-2 anni i PC raddoppiano la loro velocità di esecuzione dei
programmi.
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UN ESEMPIO DI SISTEMA DI ALTO LIVELLO
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SYSTEM UNIT
piastra madre (motherboard o system board) - è un circuito stampato che
contiene, direttamente connessi, CPU (in fig. Microprocessor) e
memoria centrale (in fig. un SIMM e’ un tipo di modulo di
memoria RAM usato in vecchi PC. Ora la forma di modulo più
usata e’ il DIMM). Le altre componenti sono connesse alla
piastra madre, direttamente (come le schede di rete) o
indirettamente, con dei cavi. Contiene una varietà di chips di
supporto (chipset), ad es. il clock.
schede di espansione (expansion cards) - sono circuiti stampati che si
inseriscono (plug-in) nella piastra madre, estendendone la
funzionalità. Le schede video sono un esempio.
periferiche interne (internal peripheral devices) - ad esempio: hard disk
drives, DVD drives, CD-ROM drives.
cavi (cables) sono di due tipi:
• di controllo (control cables): come nastri piatti e larghi; servono per
trasferire informazione, cioè dati, indirizzi, segnali di comando.
• elettrici (power cables): servono a trasmettere l’elettricità.
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EXAMPLE MOTHERBOARD
Motherboard Asus P5GD2 4per cpu intel socket LGA 775
MEMORIA CENTRALE
0000
0001
0010
0011
0100
1111
-----------------|. . . . . . . . |
| ---------------- |
|. . . . . . . . |
| ---------------- |
|. . . . . . . . |
| ---------------- |
|. . . . . . . . |
| ---------------- |
|. . . . . . . . |
| ---------------- |
|
.
|
|
.
|
| ---------------- |
|. . . . . . . . |
| ---------------- |
L’unità di memorizzazione è il byte (B).
Il contenuto di un byte si può descrivere con due cifre esadecimali!!!
Ciascun byte della memoria (cella di memoria) è individuato da un
indirizzo. Se l'indirizzo è espresso in base 2 allora con k bits si possono
indirizzare 2k bytes, con indirizzi corrispondenti agli interi da 0 a 2k-1.
La memoria centrale viene anche chiamata memoria RAM (Random
Access Memory) cioè memoria ad accesso casuale: qualsiasi cella può
essere letta/scritta in un tempo (mediamente) costante.
Una parte della memoria centrale, la ROM (Read Only Memory), viene
scritta in modo permanente in fase di costruzione; le celle della ROM
possono essere lette ma mai riscritte ed in genere contengono informazioni
fondamentali, ad esempio per l’inizializzazione dell’elaboratore.
Il flip-flop è un circuito in grado di memorizzare un bit; i flip-flop possono
essere integrati su un wafer di silicio (detto “chip”).
La RAM dei computer moderni è però costruita utilizzando altre tecnologie
che forniscono una miniaturizzazione maggiore e maggior velocità.
Molte di queste tecnologie memorizzano i bit in cariche elettriche che si
dissipano velocemente e quindi necessitano di circuiti di “refresh”.
La memoria RAM di solito è DRAM, da rinfrescare continuamente; quella
statica (SRAM) è più costosa.
Memory address register (MAR)
Memory buffer register (MBR)
---------------------------------|. . . . . . . . . . . . . . . . |
------------------------------------------------------------------5 |. . . . . . . . . . . . . . . . |
----------------------------------
CPU
Alcuni famosi microprocessori sono:
Intel
IBM
80286
Pentium
Pentium II
Pentium III
Pentium IV
Pentium D
Core 2 Duo
PowerPC
20 Mhz
200 Mhz
400 Mhz
1 Ghz
2,6 Ghz
2,8 Ghz
2,8 Ghz
‘84
‘93
il nostro server
alcuni nostri PC
altri nostri PC
il mio Imac
La CPU contiene:
– L’unità di controllo (CU), responsabile della decodifica e
dell’esecuzione delle istruzioni. È la parte che coordina tutte le altre
unità.
– L’unità aritmetico-logica (ALU), realizza le operazioni aritmetiche
e logiche eventualmente richieste per l’esecuzione di una istruzione.
– L’orologio di sistema (clock), (circuito oscillatore) genera gli
i m p ul s i c he permettono di sincronizzare le operazioni del
calcolatore.
– Vari registri, c h e sono piccole memorie velocemente accessibili,
utilizzate per memorizzare risultati parziali o informazioni necessarie
al controllo; hanno dimensioni prefissate (32/64 bit) ed alcuni hanno
funzioni specifiche. Il risultato di un'operazione effettuata dalla ALU
viene normalmente memorizzato in un registro (l'accumulatore).
6 anche registro dei flag.
Il registro di stato (SR) si chiama
L’insieme dei valori contenuti in tutti i registri in un dato istante
dell’elaborazione si chiama contesto.
Lo stato della CPU dipende da:
- l' istruzione da eseguire (contenuta nel registro istruzione corrente CIR)
- i dati da elaborare (contenuti nei registri dati)
- l'indirizzo in memoria della prossima istruzione da eseguire (contenuto nel
contatore di programma PC)
- eventuali anomalie o eventi verificatisi durante l’elaborazione (nel registro
SR di stato o dei flag)
La CPU è un dispositivo sincrono, cioè può cambiare stato solo quando
riceve un impulso dal c l o c k che fornisce la temporizzazione delle
operazioni.
La CPU esegue miliardi di istruzioni al secondo.
Il set di istruzioni di base contiene:
– somma
(da cui sottrazione)
– scorrimento (shift)
(da cui moltiplicazione e divisione)
– operazioni di confronto
(è sufficiente confronto con zero)
– operazioni di accesso alla memoria per il:
• trasferimento di un dato da una locazione di memoria ad un’altra
• trasferimento da memoria a un registro della CPU
• trasferimento da un registro della CPU a memoria
Formato delle istruzioni: Codice Operativo | Operando 1 | Operando 2
Il codice operativo caratterizza l'istruzione; gli operandi possono essere 0,
1, 2.
Le istruzioni (eccetto quelle di accesso alla memoria) sono eseguite dalla
ALU e “coordinate” dalla CU.
La ALU è un circuito in grado di eseguire operazioni aritmetiche/logiche su
due operandi, rappresentati con n bit (es. n = 32 o n = 64 bit); oltre al
risultato dell’operazione può produrre informazioni che vengono
memorizzate nel registro dei Flag (risultato nullo, risultato
positivo/negativo, overflow, etc.).
Esiste spesso una unità specializzata per le operazioni in virgola mobile, la
Floating Point Unit.
Ciclo di esecuzione di un’istruzione:
• PRELEVAMENTO
• DECODIFICA
• ESECUZIONE
(fetch)
(decode)
(execute)
(reperimento dell’istruzione)
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Fase di fetch
• il contenuto del registro PC viene copiato nel MAR (Memory Address
Register) e viene effettuato un accesso in lettura a tale indirizzo.
• Il dato prelevato a tale indirizzo viene conservato in MBR (Memory
Buffer Register).
• Il contenuto di MBR viene ricopiato in CIR. Nel frattempo il contenuto
del registro PC si aggiorna automaticamente alla locazione di memoria
successiva.
Fase di decode
• L'istruzione nel CIR viene interpretata, prelevando eventualmente dalla
memoria altri dati se necessari. In ogni caso, alla fine, PC conterrà
l'indirizzo dell'istruzione da eseguire successivamente.
Fase di execute
• Se, per esempio, l'istruzione da eseguire è una somma, dopo che i registri
A e B sono stati caricati con i valori da sommare, l’Unità di Controllo
invia alla ALU il comando per l'esecuzione della somma. La ALU esegue
l'operazione: il risultato prodotto è conservato in uno dei registri ed il
registro dei FLAG viene aggiornato.
Altri registri:
Registri accumulatori: mantengono risultati temporanei, sono integrati nella ALU che vi può operare
direttamente;
Registro puntatore allo stack (Stack Pointer SP): lo stack è un insieme di celle di memoria cui si può
accedere in modalità LIFO (Last−In−First−Out); la posizione in cui si trova lultimo elemento inserito è
la testa dello stack, il cui indirizzo sta nel registro SP; lo stack è organizzato in modo da crescere
verso indirizzi decrescenti: SP viene decrementato ad ogni nuova immissione (push) ed incrementato
ad ogni prelievo (pop)
Lo SR contiene:
• CF: Carry Flag (flag del riporto). Indica se l'operazione effettuata ha
prodotto un riporto non contenibile nello spazio predisposto. Per
esempio in una operazione a 16 bit, indica il riporto al 17-esimo bit.
• OF: Overflow Flag. Indica se nell'operazione effettuata si è verificato un
errore di overflow (risultato non rappresentabile nello spazio
predisposto).
• ZF: Zero Flag. Indica se il risultato dell'operazione effettuata è stato nullo.
• SF: Sign Flag. indica il segno del risultato di una operazione.
• IF: Interrupt Flag. Abilita o disabilita le interruzioni (interrupt).
Ogni volta che termina un ciclo di fetch-decode-execute la CPU può essere
interrotta da una periferica (hardware interrupt); un'interruzione non può
avvenire durante le tre fasi, che devono essere eseguite come un'unica
operazione, anche se prevedono diversi accessi in memoria.
Un'interruzione da parte di una periferica comporta, se accettata, che la CU
salvi lo stato del programma in esecuzione (il contenuto del PC e dei
registri generali) nello Stack di sistema, carichi nel registro PC l'indirizzo
del programma di servizio dell'interruzione (indicato nel registro INTR) e,
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alla fine dell'esecuzione di questo programma,
ripristini dallo stack lo stato
del programma interrotto, in modo da continuarne l'esecuzione.
MEMORIA CACHE
Molte macchine sono progettate con un ulteriore livello di memoria,
chiamato memoria cache (nascondiglio).
Essa è generalmente un'area di molti KB di memoria ad altissima velocità e
tempi di risposta simili a quelli dei registri della CPU, dove spesso è
localizzata.
Nella memoria cache la macchina cerca di mantenere una copia della
memoria RAM che interessa al momento. In questo modo molti
trasferimenti di dati tra CPU e RAM avvengono, e più rapidamente, tra i
registri della CPU e la memoria cache. In un secondo momento le
modifiche apportate alla memoria cache vengono trasferite nella RAM.
Oss. In moderni computer domestici una CPU dual core è costituita da due
CPU su un unico chip con la memoria cache condivisa.
BUSES
Le componenti di un PC sono interconnesse tra loro attraverso dei cammini
chiamati buses. I buses principali sono incisi (etched) nella piastra madre
e d hanno dei connettori chiamati slots che permettono la connessione di
schede di espansione. Altri buses sono impaccati (packaged) insieme in un
cavo.
Tipi di bus:
• SCSI per accomodare periferiche a catena
• USB (Universal Serial Bus) per connettere la maggior parte delle
moderne periferiche ai PC (stampanti, scanner, modem, web cam,
palmari, ecc.)
• FireWire (IEEE1394) molto veloce per periferiche multimediali
Il bus di sistema
È un insieme di connettori (conduttori elettrici) che trasportano bit di
informazioni collegando fra loro la CPU, la memoria e le varie interfacce di
ingresso/uscita. I trasferimenti sono sempre gestiti dalla CPU (modalità
master/slave) e si chiamano cicli del bus.
Componenti del bus di sistema
Bus Dati trasferisce dati da master a slave e viceversa
Bus Indirizzi trasferisce indirizzi, per esempio l’indirizzo di un dato, dal
registro indirizzi AR alla memoria (MAR), per accedere al dato stesso.
Bus di Controllo
– Da master a slave: l'istruzione da eseguire (per es. lettura da disco).
– Da slave a master: informazioni sul successo dell’operazione
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MEMORIE SECONDARIE
(di massa)
L'informazione è memorizzata su supporto magnetico o ottico o altro. Il
costo è contenuto.
Sistemi magnetici
- Floppy disks (3.5 inch) : 1.44 MB e tempi di accesso di centinaia di ms.
- Hard disks (SCSI, IDE) : 4 GB - 4TB (anche rimuovibili)
access time (posizionamento + rotazione/latenza)
6-12 ms
data transfer rate
2-20 MB per sec.
RPM (rotazioni per minuto)
5400-10000
L'informazione è memorizzata nei vari settori di tracce concentriche.
Sistemi ottici
- CD-ROM
- CD-RW
(disco ottico riscrivibile di capacità 700 MB)
- DVD ROM
- DVD RW
(disco ottico riscrivibile di capacità 4,7 GB)
I l disco ottico è costituito da un disco piatto e sottile in genere di
policarbonato trasparente al cui interno è inserito un sottile foglio
metallico, in genere di alluminio, su cui vengono registrate e lette le
informazioni tramite un raggio laser. L'informazione è memorizzata nei
vari settori di un'unica traccia che si avvolge a spirale.
Unità flash
I sistemi di memorie di massa basati su tecnologia magnetica od ottica
necessitano di movimento fisico, come la rotazione del disco, il
posizionamento delle testine di scrittura/lettura o il posizionamento del
raggio laser.
Nei sistemi di memoria flash invece la memorizzazione avviene inviando
segnali di tipo elettrico al dispositivo di memorizzazione che è in grado di
trattenere l'informazione per vari anni. Per ora i dati possono essere
cancellati solo a grandi blocchi.
- La memoria flash è la tecnologia di memorizzazione di massa previlegiata
nelle fotocamere digitali, telefoni cellulari, PDA (personal digital assistant o
computer palmare).
-Pen drive
(capacità di qualche GB)
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PERIFERICHE DI UN PC
Una periferica è un qualunque dispositivo connesso al computer e diverso
da memoria principale, CPU, e sistema elettrico. È interna se è dentro la
system unit altrimenti è esterna.
Molte periferiche non possono semplicemente essere connesse al bus
appropriato ma richiedono un supporto hardware e software.
Supporto hardware (fa da intermediario tra il computer e la periferica):
- già nella motherboard
- con controller card
Supporto software: si chiama driver (anche software driver o device driver);
es: video driver, printer driver, ecc.
Il driver o è già nel Sistema Operativo oppure risiede su un disco che viene
acquistato insieme alla periferica oppure lo si scarica da qualche sito; negli
ultimi due casi va installato nel sistema.
Il controller esegue le conversioni di messaggi e dati tra computer e
periferica, quindi ogni controller è progettato per un particolare tipo di
dispositivo. In tempi recenti, con l'introduzione dei bus USB e FireWire, un
singolo controller è in grado di gestire più periferiche. Un controller USB
può interfacciare un insieme qualsiasi di dispositivi USB, come mouse,
stampanti, scanner, memorie di massa, fotocamere digitali.
La CPU può comunicare con i controller, collegati al bus, nello stesso
modo con cui comunica con la memoria principale.
DISPOSITIVI DI I/O
Monitors
Si misurano in pollici: 14”, 16’, 19”, 21”, ecc.
L a risoluzione è una coppia di interi che specifica il numero di pixels su
ogni linea orizzontale dello schermo ed il numero di linee orizzontali di
pixel sullo schermo. Le più comuni risoluzioni sono:
1. 640 x 480
(VGA)
2. 800 x 600
3. 1024 x 768
4. 1280 x 1024 (800 su schermi allungati)
5. 1600 x 1200
Le risoluzioni oltre la VGA sono definite SVGA.
Un monitor da 15” in risoluzione VGA visualizza circa 50 dpi. Un monitor
da 20” in risoluzione 4096 x 3300 visualizza circa 300 dpi.
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Il dot pitch permette di ricavare quanti pixel stanno in un mm.
I n modalità grafica ogni immagine da visualizzare sul monitor viene
temporaneamente memorizzata nella memoria VRAM della scheda video.
Si parla di bit-mapped graphics (o all points addressable graphics), poiché
ogni pixel é direttamente indirizzabile in memoria.
Il numero di bits dedicati alla visualizzazione di un pixel si chiama
profondità di colore (color depth) dell’immagine. Più grande è la
profondità di colore più elevato è il numero di colori che si possono
mostrare. Ad esempio con:
1 bit
4 bit
8 bit
16 bit
24 bit
2 colori (schermo monocromatico)
16 colori (schermo a colori o con molte tonalità di grigio)
256 colori
(pseudo color)
65536 colori
(high color)
16777216 colori
(true color)
Ogni pixel, controllato dalla scheda video, viene fisicamente realizzato con
3 colori elementari RGB. La tecnologia può essere:
CRT (cathode-ray tube, la più usata, come per le vecchie TV)
LCD (liquid crystal display)
Gas-plasma
EL (elettroluminiscenza) ed altre ancora
Stampanti
La velocità è misurata in linea (lpm) oppure pagine (ppm) al minuto.
Ce ne sono ad impatto (daisy wheel, dot matrix) e a non impatto (ink jet,
laser).
A differenza dei monotors che usano la terna RGB per ottenere il colore
designato, la maggior parte delle stampanti usa i colori primari CMYK
(ciano, magenta, giallo, nero).
Scanner
Rilevano una immagine e la traducono in una immagine bit-map. La
digitalizzazione dell’immagine produce files di vario tipo: TIFF, JPEG,
GIF, EPS, FAX, PICT.
Esistono anche semplici scanner a barre, come le penne ottiche usate nei
supermercati.
Altri dispositivi di I/O
Modem-fax
Schede audio
Telecamere e schede di acquisizione video
Stampanti di diapositive
PC in rete
Reti locali
(Reti metropolitane
Reti geografiche
LAN (Local Area Network): Ethernet, TokenRing
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MAN (Metropolitan
Area Network))
WAN (Wide Area Network): Interne
COMUNICAZIONE TRA DISPOSITIVI DI CALCOLO
Comunicazione seriale
Quando un solo bit alla volta è trasferito. Tecnica lenta ma semplice.
USB e FireWire sono sistemi di comunicazione seriale standardizzati ed
offrono velocità relativamente buone, dell'ordine di diverse migliaia di
Mbps (Mega bits per second), sufficienti per la maggior parte di
applicazioni multimediali.
Comunicazione parallela
Quando più bit sono trasferiti contemporaneamente, ognuno su una linea
separata. Ad esempio sul bus interno di un computer, per permettere la
trasmissione simultanea di grandi blocchi di dati; la maggior parte dei PC
ha almeno una”porta parallela” per trasferire gruppi di 8 bit alla volta.
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