Lezione hardware - Matematica e Informatica
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Lezione hardware - Matematica e Informatica
Tecnologie informatiche http://www.math.unipa.it/~epifanio/tecnologie/Welcome.html MICS, MIF e …. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Computer Hardware Chiara Epifanio Software Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Struttura tipo CPU Memoria Centrale Memoria Secondaria I/O Bus Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) La CPU è un insieme di circuiti che controlla l’attività del calcolatore. Una delle sue funzioni principali è quella di accedere alle istruzioni dalla memoria principale, decodificarle ed eseguirle. Le prese sul retro chiamate porte, servono per connettere al computer le periferiche di I/O. Gli slot di espansione servono per connettere altre periferiche di I/O Chiara Epifanio La RAM contiene il programma (o i programmi) in esecuzione ed i dati (o parte dei dati) che questo usa. Il bus è lo strumento principale di comunicazione del calcolatore. I dispositivi che vi sono collegati scambiano i dati e le istruzioni attraverso esso. La memoria secondaria è un dispositivo,o un insieme di dispositivi come i dischi, capace di contenere molte più informazioni della memoria principale. È più lenta della memoria principale. Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) CPU La Central Processing Unit è il centro nevralgico del computer. Le CPU sono ricavate da sottili lamine di silicio (chip). Ogni chip contiene milioni di piccolissimi interruttori acceso/spento (transistor) collegati tra loro da tracce estremamente sottili di alluminio. I transistor e i fili di collegamento formano circuiti che elaborano dati e consentono così ai computer di svolgere i più svariati compiti. Dal 1971 a oggi il numero di transistor per chip è passato da 2300 a svariati milioni rendendo i moderni microprocessori migliaia di volte più rapidi dei loro predecessori. La frequenza della CPU, quindi la velocità di esecuzione dei programmi, si misura in MHz (1 MHz= 1 milione di operazioni al secondo). Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) •Spazi di memorizzazione volatile; CPU Registri •consentono un accesso molto veloce ai dati (più veloce di quello della memoria principale); •Tra essi: registro contatore di programma, registro istruzione, registri dati. Unità di controllo ALU Effettua operazioni aritmetico-logiche e confronti. Ciclo di fetch-decode-execute: •si accede all’istruzione successiva portandola nel registro istruzione; •si decodifica il tipo di istruzione; •si individua il dato usato dall’istruzione, che viene portato negli opportuni registri; Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) •si esegue l’istruzione e si restituisce il risultato. Coprocessori e processori paralleli Coprocessori Multiprocessori Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Memoria centrale RAM Chiara Epifanio ROM Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) RAM (Random Access Memory) • E’ ad accesso diretto (casuale) (es.: cassetta-CD) → veloce. • E’ suddivisa in celle (dette anche parole o locazioni) tutte della stessa dimensione. • Ogni cella è identificabile tramite un numero (indirizzo). Il processore potrà effettuare un’operazione di lettura e scrittura in una cella di memoria, specificandone l’indirizzo. • Quando si effettua la scrittura di un dato in una cella di memoria, il valore contenuto precedentemente nella cella viene perso. • Il tempo d’accesso ad una cella è costante ed indipendente dalla sua posizione. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) RAM (Random Access Memory) • Memoria volatile; • serve a memorizzare un vasto numero di programmi e dati di ogni tipo; • qui vengono memorizzati i dati immessi in input, i programmi in esecuzione e i dati elaborati da essi. • DRAM (Dynamic RAM): FPM (Fast Page Mode), EDO (Extended Data Out), BEDO (Burst Extended Data Out), SDRAM (Synchronous DRAM), RDRAM (Rambus DRAM); • SRAM (Static RAM); • VRAM (Video RAM); • WRAM (Window RAM). Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) ROM (Read Only Memory) • Memoria non volatile, permanente; • il suo contenuto viene predisposto dalla casa produttrice al momento della fabbricazione e non può essere modificato; • contiene le informazioni per l’inizializzazione del calcolatore all’accensione o le istruzioni per operazioni di controllo del corretto funzionamento delle componenti (BIOS – Basic Input Output System). Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Memoria secondaria • • • • Chiara Epifanio Non è volatile, ha un costo inferiore, contiene più dati, ma è più lenta, consiste di supporti magnetici, ottici o elettrici. Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) La memoria magnetica • Sfrutta le proprietà magnetiche dei metalli, orientando opportunamente le particelle metalliche sospese su un supporto. • Ha grandi capacità a basso costo. • Può avere differenti velocità di accesso. • Può essere ad accesso casuale o ad accesso sequenziale. • Supporti rimovibili (quindi utili per trasportare dati da un computer ad un altro) e non. • Floppy, Hard disk, Iomega Zip, memorie a nastro, … Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) La memoria ottica • • • • Sfrutta le proprietà ottiche di riflessione della luce (laser), ha capacità sufficientemente grandi, è rimovibile, accede ai dati in modo casuale, ma ha velocità di accesso relativamente alta, • i produttori preferiscono questi supporti ai dischetti anche perché sono più difficili da copiare illegalmente, la loro fabbricazione è molto più economica, non trasmettono virus. • ha bassissimi costi, • può essere di sola lettura o riscrivibile (CD, DVD, Laser Disc, ....) Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Le memorie flash (elettriche) • Sono rimovibili e riscrivibili, • hanno capacità di memorizzazione abbastanza grandi (fino a 8 Gb e oltre), • hanno un basso costo per Mb, • sono relativamente veloci nell’accesso ai dati, • hanno dimensioni molto piccole, • hanno forme diverse e sono usate in dispositivi diversi (Pen Drive , Palmari, Fotocamere, Lettori Mp3, …) Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Altri tipi di memoria • Memoria virtuale, • memoria cache, • buffer. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Memoria virtuale RAM HARD DISK I programmi in esecuzione e i file in uso possono eccedere la memoria disponibile anche se questa è molto grande. Per risolvere il problema molti sistemi operativi e anche molti applicativi memorizzano solo le parti del programma o del file utili in quel momento nella RAM e immagazzinano il resto su un drive dell’hard disk. Pro: costi e quantità di memoria disponibile Chiara Epifanio Contro: rallentamento Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Cache Quando un elaboratore effettua delle operazioni, trasferisce spesso dati tra la CPU, la RAM e l’hard disk. Ciò richiede un certo tempo, quindi sono state sviluppate delle tecniche per velocizzare le operazioni. La più comune consiste nel memorizzare i dati di una speciale area di memoria ad alta velocità e costosissima, la cache. • Cache di livello 1 (cache interna, cache primaria, L1); • Cache di livello 2 (cache esterna, cache secondaria, L2). Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Il buffer È una particolare area della memoria di sistema (RAM) o di altre memorie fisiche riservata per particolari funzioni o dati e serve per velocizzare l’esecuzione delle istruzioni. I buffer hanno molteplici funzioni per esempio: • tengono in memoria i dati inseriti tramite tastiera, mouse o altre periferiche in attesa di passarli alla CPU, • memorizzano temporaneamente alcuni dati usati nella funzione di “taglia e incolla” (clipboard), • tengono in memoria i dati da inviare alla stampante durante il processo di stampa. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Gerarchia dei vari tipi di memoria Più veloce Registri CPU Cache L1 Cache L2 Memoria centrale Memoria magnetica/ottica/flash Nastro magnetico Chiara Epifanio Più economica Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Tempi di accesso di alcuni tipi di memoria Dimensioni indicative Tempo di accesso Velocità di trasferimento in Mb/sec Registri < 1 Kb < 0,5 ns 20.000 ´ 100.000 Cache < 1 Mb < 10 ns 5.000 ´ 10.000 RAM < 4 Gb < 100 ns 1.000 ´ 5.000 Hard Disk > 80 Gb < 10 ms 20 ´ 40 Nastri > 10 Gb ~ 100 ms 1 Tipo Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Software • Software a pagamento • Software Freeware • Software Shareware Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Tipi di software Per il suo funzionamento il computer necessita di due categorie di software: • Il software di sistema • Il software applicativo Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Il Sistema Operativo Quando il computer viene acceso, la RAM è completamente vuota e il funzionamento della macchina è guidato da un programma residente nella ROM (BIOS). Questo programma provvede, oltre ad altri compiti fondamentali, a caricare il sistema operativo (Bootstrap). Il sistema operativo (OS) è un insieme di programmi indispensabili per il funzionamento del sistema e fornisce l’interfaccia verso l’utente. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) • I sistemi operativi hanno conosciuto una rapida evoluzione negli ultimi anni. • Il principale cambiamento è stato il passaggio dal sistema DOS (Disk Operating System), con il quale l’utente governava la macchina attraverso istruzioni scritte dalla tastiera, a sistemi ad interfaccia grafica. • Alcuni esempi di sistemi operativi sono: DOS, Windows(9x, NT, Me, 2000, XP, Vista), Linux, Unix, OS/2. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Le principali funzioni dell’OS • • • • Il supervisore Lo spool Il file system Programmi di diagnosi dei malfunzionamenti e correzione degli errori • Gestione delle periferiche • Gestione della memoria Il sistema Operativo è il software che gestisce e controlla le risorse e le attività del computer. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Le interfacce utente I sistemi operativi interagiscono con l’utente attraverso l’interfaccia utente che può essere di tre tipi (non escludendosi a vicenda). • INTERFACCIA A LINEA DI COMANDO (Command Line Interface): i comandi sono immessi esclusivamente attraverso la tastiera. • INTERFACCIA A MENU (Menu Driven Interface): il calcolatore presenta all’utente un elenco di opzioni da selezionare. • INTERFACCIA GRAFICA (Graphic User Interface): il sistema propone all'utente una rappresentazione visiva simbolica a icone e permette non solo di operare scelte in un menu, ma anche di controllare dimensioni, disposizione e contenuto di una o più "finestre" o aree di lavoro. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) L'interfaccia utente grafica (GUI) • Con un’interfaccia grafica tutti i programmi e le funzioni sono mostrate sullo schermo mediante dei simboli immediatamente comprensibili, denominati icone. L'utente comunica col PC selezionando e cliccando le icone con il mouse. • Le interfacce grafiche sono diventate di uso comune alla fine degli anni ’80, col diffondersi del sistema operativo Windows, ma furono introdotte in precedenza già nei computer Apple. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Il software applicativo • Il software applicativo è l’insieme di programmi utilizzati dagli utenti per risolvere problemi specifici, elaborare dati etc. • Appartengono alla categoria dei software applicativi : » programmi per la contabilità, fatturazione, gestione dei magazzini, gestione del personale … » elaborazione testi » foglio di calcolo elettronico » gestione dei database » strumenti di presentazione » gestori di applicativi multimediali » …. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) UTENTE PROGRAMMI SISTEMA OPERATIVO HARDWARE Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Ma cosa c’è dietro tutto ciò? Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) I Codici Binari Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) La possibilità di utilizzare soltanto due elementi (0 e 1) per rappresentare qualsiasi numero è uno dei principi fondamentali su cui si basa il funzionamento di ogni computer. Queste macchine, infatti, hanno al loro interno dei circuiti elettrici, i cui componenti si comportano come degli interruttori che possono assumere solo due stati, ON/OFF, acceso e spento. Si può allora fare corrispondere allo stato OFF la cifra binaria 0 ed allo stato ON la cifra binaria 1. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) La codifica La rappresentazione dell'informazione (o codifica) è l'assegnazione di una stringa di simboli a ciascuno degli oggetti che vogliamo rappresentare. Abbiamo quindi bisogno di un insieme finito di simboli, detto alfabeto. In informatica considereremo un alfabeto di due simboli (0 e 1) detto alfabeto binario, che ci permetterà di codificare ogni numero, ogni testo, ogni immagine, ogni suono,… in un’informazione comprensibile e trattabile dal computer. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) L’alfabeto binario e la Memoria Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) L’unità di misura della memoria è il byte. Un byte è costituito è costituito da 8 bit consecutivi. Ogni bit (binary digit) può contenere un 1 o uno 0, che corrispondono agli stati ON/OFF (acceso/spento). Il bit rappresenta la più piccola quantità di informazione. Le varie combinazioni tra gli 8 bit consecutivi possono dare un numero binario tra 00000000 e 11111111 o un numero decimale compreso tra 0 e 255. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Quanti elementi distinti possiamo ottenere con n cifre binarie consecutive? n=1 n=2 0, 1 00, 01,10,11 2=21 elementi distinti. 4=22 elementi distinti. n=3 000,001,010,011, 100,101,110,111 8=23 elementi distinti. In generale 2n elementi distinti. Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) : 1024 byte : 1024 chilobyte · 1024 1 byte Chiara Epifanio : 1024 gigabyte megabyte · 1024 · 1024 8 bit 1 carattere 1 chilobyte 1.024 = 210 byte 1/3 pagina 1 megabyte 1.048.576 = 220 byte 1 libro 1 gigabyte 1.073.741.824 = 230 byte 1 biblioteca Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) I testi • Un testo è costituito da sequenze di lettere dell’alfabeto, spazi, segni di punteggiatura e caratteri non stampabili. • Per la rappresentazione dei vari elementi che compongono un testo scritto si ricorre a dei codici che associano un numero decimale, esadecimale, … a ognuno di questi elementi. • In informatica si usano vari sistemi di codifica: ASCII, EBCDIC, UNICODE,... Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) • ASCII (American Standard Code for Information Interchange): è il codice più diffuso tra i personal computer. • EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code): più usato nel caso di server più potenti. • UNICODE: “Unicode provides a unique number for every character, no matter what the platform, no matter what the program, no matter what the language.” (http://www.unicode.org/standard/WhatIsUnicode.html) Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) ASCII • Esso contiene 128 elementi nella versione ridotta e 256 elementi nella forma estesa. • Ciascun simbolo alfanumerico, se non presente nella tastiera, può essere inserito tenendo premuto il tasto Alt e digitando contemporaneamente il numero decimale del suo codice nel tastierino numerico (non tutti gli editor permettono di farlo). Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) In un byte si può memorizzare, in base 2, qualsiasi numero compreso tra 0 e 255. Anche gli elementi che compongono il codice ASCII esteso hanno valore compreso tra 0 e 255. Quindi per rappresentare ognuno di essi occorre un byte. Si dice, infatti, che il codice ASCII esteso è un codice ad 8 bit. Numero di cifre Numero massimo binarie (n) di elementi (2n) Chiara Epifanio Codice 7 128 ASCII 8 256 ASCII esteso Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Numeri ? Conversione decimale-binario Cifre binarie OK Impulsi elettrici Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Testi ? ASCII, EBCDIC, UNICODE (e convers. decimale/esadecimale - binario) Cifre binarie OK Impulsi elettrici Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …) Immagini, suoni ? DIGITALIZZAZIONE Cifre binarie OK Impulsi elettrici Chiara Epifanio Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …)