Architettura degli Elaboratori - Sistemi di Elaborazione delle

Appunti di Sistemi e Automazione
Il modello o macchina di Von Neumann rappresenta un computer con i suoi componenti principali e la sua
organizzazione logico-funzionale. Tale progetto risale al 1945/1946.
Modello di Von Neumann
PRINCIPALI COMPONENTI HARDWARE DI UN COMPUTER
PROCESSORE o CPU (Central Processing Unit)
Il processore si occupa di eseguire le istruzioni dei programmi e di
svolgere tutti i calcoli aritmetici (addizione, sottrazione,
moltiplicazione e divisione tra due numeri) e logici (confronto tra due
numeri per decidere chi è il maggiore o il minore), oltre a gestire e
controllare il funzionamento degli altri componenti hardware del
computer.
Il processore esegue una operazione (ad esempio la somma tra due numeri)
ogni volta che riceve un impulso dall’orologio di sistema chiamato clock. La
frequenza con cui si misurano gli impulsi di clock è espressa in Hertz (Hz).
Esempi:
• Un clock con frequenza di 10 Hertz, genera 10 impulsi in un secondo.
• Un clock con frequenza di 1 KHz (1 Kilohertz), genera 1.000 impulsi in
un secondo.
• Un clock con frequenza di 1 MHz (1 Megahertz), genera 1.000.000 di
impulsi in un secondo.
• Un clock con frequenza di 1 GHz ( 1 Gigahertz), genera 1.000.000.000 di
impulsi in un secondo.
Quindi, per esempio, se il clock del computer è di 3 GHz, vuol dire che il
processore è capace di eseguire 3 miliardi di operazioni in un secondo.
Nella figura sotto è possibile vedere un esempio di segnale di clock. Un periodo di clock (detto anche ciclo
di clock) è il tempo dopo il quale il segnale si ripete, per questo motivo il segnale di clock è un segnale
periodico. Un periodo di clock è composto da una prima metà di tempo in cui il clock vale 0 e da una
seconda metà in cui il clock vale 1. L’istante in cui il clock passa dal valore 0 ad 1 è chiamato fronte di salita
e corrisponde al momento in cui il processore ottiene l’abilitazione a svolgere una operazione. L’istante in
cui il clock passa dal valore 1 a 0 è chiamato fronte di discesa.
MEMORIE CENTRALI
Appartengono alla categorie delle memorie centrali le seguenti memorie:
•
•
Memoria ROM
Memoria RAM
Le memorie centrali ed in particolare la RAM sono fondamentali per il computer, dato che il processore può
eseguire un programma solamente quando esso è contenuto in memoria centrale. Quindi qualunque
programma l’utente manderà in esecuzione, questo dovrà essere prima memorizzato in RAM.
L’unità di misura più piccola della memoria è il BIT (la parola deriva da BInary digiT, cioè cifra binaria). Una
cifra binaria può essere 0 oppure 1, quindi il numero 1011 è composto da quattro cifre binarie, cioè quattro
BIT, mentre il numero 10110010 è composto da 8 BIT.
Un gruppo di 8 bit prende il nome di BYTE e assieme ai suoi multipli, rappresenta l’unità di misura
comunemente usata per indicare la quantità di Ram presente nel computer.
Multipli del BYTE:
•
•
•
•
Kilobyte = 1.024 byte
Megabyte = 1.024 Kilobyte
Gigabyte = 1.024 Megabyte
Terabyte = 1.024 Gigabyte
Memoria ROM (Read Only Memory)
La memoria Rom viene scritta una volta sola dalla casa produttrice del
computer, successivamente è possibile leggere solamente il suo
contenuto. La Rom conserva il suo contenuto anche a computer spento.
La Rom contiene al suo interno i programmi fondamentali che servono a
far avviare il computer all'accensione. Questi programmi sono:
• POST (Power On Self Test) che si occupa di verificare il corretto
funzionamento dei componenti del computer all’accensione.
• BIOS (Basic Input/Output System) che comprende il programma
di Bootstrap che si occupa di copiare il sistema operativo (ad
esempio Windows) dall’hard disk in memoria RAM. Quando il
sistema operativo sarà in RAM, potrà essere eseguito dal
processore, quindi verrà visualizzato il desktop con le icone ed il
computer sarà pronto ad accettare i comandi dell’utente.
Memoria RAM (Random Access Memory)
La Ram è la memoria di lavoro, cioè quella che conserva programmi e
dati per tutto il tempo che il computer resta acceso. Quando si spegne
il computer la memoria Ram si cancella e tutto il suo contenuto si
perde. La Ram si presenta sotto forma di una piccola scheda come
quella in figura a destra. Ogni modulo di Ram può avere una capacità
variabile, ad esempio:
• 1 Gigabyte
• 2 Gigabyte
•
4 Gigabyte
L’immagine sotto mostra una possibile rappresentazione della memoria RAM. Nel caso specifico, è
mostrata una RAM di dimensione pari a 16 byte, essendo composta da 16 locazioni, dove ogni locazione
ha la capacità di memorizzare un byte. Nell’esempio della foto sotto, è presente il dato 01000001 nella
locazione di indirizzo zero, tale valore corrisponde al numero 65 espresso nel sistema di numerazione
decimale.
BUS DATI ESTERNO
Il bus dati esterno è costituito da un
gruppo di fili sui quali viaggiano i
segnali elettrici che rappresentano i
dati. Il Bus dati collega i vari
componenti del computer (Processore,
Ram, Rom, Interfaccia I/O) al fine di
consentire lo scambio di dati tra essi.
INTERFACCIA I/O (Input/Output)
L'interfaccia I/O è un circuito elettronico che si occupa di gestire il
trasferimento dei dati tra un dispositivo (Tastiera, Mouse, Monitor, etc.) ed
il Bus dati esterno. Senza l'interfaccia I/O è impossibile collegare qualunque
dispositivo al computer.
TASTIERA
La tastiera è il più comune ed utilizzato dispositivo per
l'inserimento dei dati (Input) nella memoria RAM del
computer. Esistono tastiere con diverse disposizioni dei tasti a
seconda della nazionalità della tastiera (Italiana, Inglese,
Araba, Cinese, etc.).
Quando si preme un tasto sulla tastiera,il carattere digitato
viene trasmesso all'interfaccia I/O che lo trasferisce al bus
dati che lo manda al processore. Sarà poi il processore a
trasferire il carattere in memoria Ram.
MONITOR
Il monitor è il più comune ed utilizzato dispositivo per la visualizzazione
dei dati (Output) presenti nella memoria RAM del computer. L’immagine
sul monitor viene creata accendendo tanti piccoli puntini chiamati PIXEL
(punti immagine). Il numero dei pixel di ogni riga per il numero dei pixel
di ogni colonna prende il nome di risoluzione del monitor. Attualmente
tra le risoluzioni più comuni abbiamo:
• 1024 x 768 pixel
• 1280 x 1024 pixel
• 1680 x 1050 pixel
• 1920 x 1080 pixel (Monitor con risoluzione Full HD)
A destra è visibile un esempio di immagine composta accendendo tanti
puntini colorati, cioè i pixel.
MEMORIE DI MASSA
Appartengono alla categoria delle memorie di massa i seguenti dispositivi:
•
•
•
•
•
Hard disk
Floppy disk (attualmente non più usato)
Lettore CD/DVD
Masterizzatore CD/DVD
Pen Drive – Schede di memoria (SD, CF, MMC, XD)
Le memorie di massa servono a conservare in modo permanente PROGRAMMI E DATI, in modo tale che
quando il computer viene spento, essi restano memorizzati. Le memorie di massa sono generalmente
molto più lente della Memoria Centrale nell’accesso ai dati, infatti, il processore per leggere un dato dalla
memoria RAM impiega circa 20 ns (nanosecondi = miliardesimi di secondo), mentre per leggere un dato
dall'HARD DISK impiega circa 20 ms (millisecondi = millesimi di secondo), questo significa che il tempo per
leggere un dato dall’Hard disk è pari circa ad un milione di volte il tempo necessario per leggere un dato
dalla memoria Ram.
HARD DISK
L'Hard Disk è la memoria di massa più importante del
computer; esso contiene tutti i programmi installati sul
PC oltre al Sistema Operativo (ad esempio WINDOWS).
L'Hard Disk è realizzato tecnologicamente tramite una
testina di registrazione che va a magnetizzare e
smagnetizzare i BIT sulla superficie di uno o più dischi
magnetici.
L'Hard Disk è la memoria di massa più veloce che
abbiamo nel computer. La velocità di accesso ai dati è di
qualche decina di millisecondi.
LETTORE CD/DVD
Il lettore di CD/DVD è una memoria di massa che consente
solamente di leggere i supporti che vengono inseriti al suo interno.
Quindi tramite il lettore CD/DVD è possibile solamente fare l'INPUT
di dati nella memoria RAM. Il lettore CD/DVD è una memoria di
massa molto lenta, infatti il processore per leggere un dato da
CD/DVD impiega circa 100 millisecondi.
MASTERIZZATORE CD/DVD
Il masterizzatore di CD/DVD è una memoria di massa che consente
sia di leggere che di scrivere i supporti che vengono inseriti al suo
interno. Quindi tramite il masterizzatore è possibile fare l'INPUT e
l’OUTPUT dei dati. Anche il masterizzatore è una memoria di massa
molto lenta, dato che la tecnologia è la stessa del lettore CD/DVD.
PEN DRIVE – SCHEDE DI MEMORIA
Le Pen Drive e le Schede di Memoria sono le
memorie di massa più veloci in assoluto. Il
processore per leggere un dato dalla Pen Drive
impiega circa 100 µs (microsecondi = milionesimi di
secondo), cioè un tempo molto minore dell'Hard
Disk. Sia le Pen Drive che le Schede di Memoria sono
realizzate con la stessa tecnologia della memoria
ROM ma a differenza di queste possono essere lette
e scritte.
Esempi di schede di memoria:
• SD (Secure Digital)
• MMC (Multi Media Card)
• XD (Extreme Digital)
• CF (Compact Flash)
• Memory Stick PRO Duo