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Fondamenti di Informatica1 Elementi di base del calcolatore Registri: –dispositivi elettronici capaci di memorizzare insiemi di bit (8, 16, 32, 64,…) Clock:

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1 Fondamenti di Informatica1 Elementi di base del calcolatore Registri: –dispositivi elettronici capaci di memorizzare insiemi di bit (8, 16, 32, 64,…) Clock: –segnale di sincronizzazione per tutto il sistema –si misura in cicli/secondo [Hz] (400 MHz = 400 x 10 6 Hz = 4 x 10 8 Hz  1 ciclo è eseguito in 2.5 x s = 2.5ns)

2 Fondamenti di Informatica2 Il calcolatore Macchina per eseguire sequenze di operazioni elementari Hardware  Architettura Software  Programmi (algoritmi + strutture dati = programmi, N.Wirth) Von Neumann (1945) (SISD)

3 Fondamenti di Informatica3 Calcolatore di Von Neumann Unità di Controllo (CU) Memoria Unità artimetica (ALU) Uscita (Output) Ingresso (Input)

4 Fondamenti di Informatica4 Unità di Ingresso Comunica con il calcolatore: –1. Trasduttori (posizione, temperatura, pressione, luminosità,…) –2. Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità,…)

5 Fondamenti di Informatica5 Unità di Ingresso Permette di: –introdurre dati –introdurre programmi –comunicare con dispositivi normalmente non compatibili con il calcolatore (funziona cioè da interfaccia) Esempi: tastiera, mouse, convertitori A/D, telecamere, microfoni, scanner, lettori di codici a barre,...

6 Fondamenti di Informatica6 Unità di Uscita Sistema usato dal calcolatore per comunicare con il mondo esterno: –1. Parte elettronica (per mantenere l'informazione, per codificarla, per segnalare lo stato dell'unità,…) –2. Attuatori (trasformano il segnale elettrico digitale in: posizione, temperatura, pressione, luminosità,…)

7 Fondamenti di Informatica7 Unità di Uscita Permette al calcolatore di: –comunicare con il mondo esterno attraverso dispositivi normalmente non compatibili con il calcolatore (funziona cioè da interfaccia) Esempi: stampante, monitor, plotter, altoparlanti, convertitori A/D,...

8 Fondamenti di Informatica8 Unità di Ingresso-Uscita Alcuni sistemi possono essere utilizzati indipendentemente come Ingresso e Uscita: –dispositivi di memorizzazione esterna (dischi, nastri magnetici)

9 Fondamenti di Informatica9 Unità di Controllo Sequenzializzazione delle operazioni Fetch (PC) Interpretazione del codice operativo (IR) Contiene: –Registri (general-purpose, puntatori) –Flags e Status Word Machine cycle e Instruction cycle

10 Fondamenti di Informatica10 Unità Aritmetico-Logica (Arithmetic Logic Unit, ALU) Comandata da segnali di controllo Esegue operazioni aritmetiche e logiche Accumulatore e Flags Esegue operazioni su: –dati semplici (+,-,… and, or, …, shift, compl2) –dati complessi (*, /, +,- in doppia precisione) –floating point

11 Fondamenti di Informatica11 Memoria Memoria principale e secondaria Modalità di accesso: –Sequenziale –Casuale

12 Fondamenti di Informatica12 Memoria Organizzazione della memoria –Unità di informazione, caratterizzata da: indirizzo o locazione contenuto Parametri caratteristici: –capacità [esempio 64 Mega bytes] –tempo di accesso [esempio 50 ns]

13 Fondamenti di Informatica13 Memorie Diversi tipi in dipendenza dalla capacità di conservare le informazioni in caso di mancanza di alimentazione: –RAM –ROM –PROM (scritte una sola volta) –EPROM (scritte più volte) –EEPROM, oppure E 2 PROM [ms]

14 Fondamenti di Informatica14 Dati e Programmi Von Neumann introdusse il calcolatore con programma immagazzinato la cui memoria contiene sia i dati che il programma (OpCodes, Operands)

15 Fondamenti di Informatica15 Architettura del calcolatore BUS dei dati, BUS degli indirizzi e BUS di controllo PC, Instruction Reg., Address Reg., Data Reg. Parallelismo del calcolatore

16 Fondamenti di Informatica16 Funzionamento del calcolatore L'unità di controllo esegue due attività: –caricamento dell'istruzione (fetch) –esecuzione effettiva dell'istruzione (execution)

17 Fondamenti di Informatica17 Fase di Fetch PC > Buffer indirizzi Lettura da memoria e memorizz. nel Buffer dei dati Buffer dei dati > Registro di Istruzione Incremento PC Interpretazione codice operativo Per ogni operando di cui è richiesta la lettura: –PC > Buffer indirizzi –Lettura da memoria e memorizz. nel Buffer dei dati –Incremento PC

18 Fondamenti di Informatica18 Fase di Execution In dipendenza dal codice operativo viene eseguita una particolare sequenza di operazioni, utilizzando i segnali di controllo Il tempo necessario dipende dall'operazione Eventuale fase di pre-fetch

19 Fondamenti di Informatica19 Organizzazione a BUS Le due parti principali sono: – la CPU (Central Processing Unit, CU+ALU) – i diversi BUS Uno schema usato frequentemente è: Mem. I/OCPUI/O Bus di sistema

20 Fondamenti di Informatica20 I dispositivi periferici Sono collegati al calcolatore tramite una circuiteria dedicata Se la CPU deve gestire anche i periferici si ha un degrado delle prestazioni Generalmente i periferici contengono CPU dedicate, alloggiate fisicamente al loro interno

21 Fondamenti di Informatica21 Le interfacce I periferici di diversi costruttori devono essere intercambiabili, senza modificare i programmi (blocchi indipendenti) Sono state definite alcune interfacce standard: Calcolatore Periferico Interfaccia Standard Connessione

22 Fondamenti di Informatica22 L'interfaccia seriale E' l'interfaccia più comune e più semplice Il nome rispecchia la modalità di comunicazione utilizzata (seriale) RS232, RS432,… fissano gli standard (livelli di tensione, piedinatura, temporizzazione,…) L'intervallo tra due bit successivi è costante (velocità di trasmissione) Il parametro principale è la bit-rate

23 Fondamenti di Informatica23 L'interfaccia parallela I bit vengono inviati tutti insieme, con l'aggiunta di segnali di controllo La comunicazione è più veloce, ma occorrono più fili rispetto alla seriale Di conseguenza è usata in modo monodirezionale (stampante, distanze brevi)

24 Fondamenti di Informatica24 I periferici più comuni Verranno analizzati: –video –tastiera –sistemi di puntamento (mouse, trackball, joystick, tavoletta, touch screen) –stampante –plotter –dispositivi a supporto magnetico (dischi e nastri)

25 Fondamenti di Informatica25 Il video Monitor CRT RGB vs monocromatico Alfanumerico vs grafico (risoluzione) Raster vs vettoriale (circuiti per rinfresco) La memoria associata determina: –la risoluzione –il numero di colori (paletta)

26 Fondamenti di Informatica26 Il video Esempi: –320 x 200, 256 colori, ognuno (8,8,8) bit Memoria: bytes, 768 per la paletta –640 x 480, 16 colori Memoria: /2 = bytes –1024 x 768, colori (true color) Memoria: bytes

27 Fondamenti di Informatica27 La tastiera Insieme di tasti, connessi ad interruttori La circuiteria individua il/i tasto premuto ed invia il codice al sistema, che -attraverso una tabella- determina il carattere ASCII E' possibile modificare tale tabella Risolve problemi di debounce e repeat Buffer circolare

28 Fondamenti di Informatica28 Sistemi di puntamento Unità di input per sistemi grafici Differiscono per: –la tecnologia utilizzata –la differente ergonomia dell'interazione con l'operatore umano Sono dispositivi che trasformano l'azione della mano dell'operatore sullo strumento di puntamento nello spostamento di un marker

29 Fondamenti di Informatica29 Il mouse E' lo strumento più economico e diffuso Trasmette la variazione di posizione (coordinate x e y) Mediante la pressione di tasti invia prefissate sequenze di caratteri Tecnologie: –pallina di gomma –LED e fotorivelatore su tavoletta tramata

30 Fondamenti di Informatica30 La trackball Analogo al mouse Tecnologia solo a pallina di gomma Alloggiato in posizione fissa: –utilizzato in ambiente industriale –e su computer portatili

31 Fondamenti di Informatica31 Il joystick Cloche di puntamento usata soprattutto per i videogiochi Trasmette la posizione della cloche Trasmette segnali opportuni a fronte della pressione dei tasti (che possono avere funzioni di repeat)

32 Fondamenti di Informatica32 La tavoletta Supporto piano su cui viene appoggiata una penna con punta metallica Trasmette le coordinate della posizione della punta della penna Risoluzione elevata (10 linee/mm) Tecnologie: –a pressione –sonora

33 Fondamenti di Informatica33 Il touch screen Monitor sensibili al tocco del dito Trasmettono le coordinate del punto Risoluzione modesta Il dito interrompe due fasci ortogonali di luce infrarossa tra fotoemettitori e fotorivelatori Usato in ambienti industriali

34 Fondamenti di Informatica34 La stampante Collegate tramite: –seriale –parallela –rete locale Velocità di stampa: –caratteri al secondo –righe al minuto –pagine al minuto

35 Fondamenti di Informatica35 La stampante Tecnologia di stampa: –Ad impatto: martelletto su nastro inchiostrato: qualità buona, ma lenta; pochi colori –Ad aghi: insieme di aghi; la qualità dipende dal numero di aghi, dalla loro distanza e precisione; lente ma grafiche; monocromatiche; costi bassi –A getto d'inchiostro: gli aghi sono sostituiti da ugelli che spruzzano gocce di inchiostro; qualità migliore; possibilità del colore

36 Fondamenti di Informatica36 La stampante –Termiche: comprendono diversi tipi: aghi che bruciano carta termo-sensibile, calore che fa evaporare sostanze che si depositano sulla carta –Laser: un raggio laser forma l'immagine della pagina su un cilindro fotosensibile che si carica elettrostaticamente nei punti colpiti da maggior intensità. Sul cilindro si deposita il toner, che viene trasferito a caldo sulla carta Dot per inch, Page per minute

37 Fondamenti di Informatica37 Il plotter A penna (piani o a rullo): –equipaggio mobile con 2 gradi di libertà –una o più penne –componente orizzontale: movimento penna –componente verticale: movimento penna o trascinamento rullo A matrice di punti: –ricordano le stampanti a getto d'inchiostro

38 Fondamenti di Informatica38 Memorie a supporto magnetico Materiale ferromagnetico (ossido di ferro) depositato su un supporto inerte Una corrente positiva o negativa orienta il materiale che costituisce le areole La lettura della polarizzazione si ottiene facendo transitare le areole sotto una spira Si arriva a centinaia di bit per mm 2

39 Fondamenti di Informatica39 Memorie a supporto magnetico Vantaggi: –elevata quantità di dati in poco spazio –permanenza dell'informazione anche in mancanza di alimentazione Si differenziano attraverso la forma del supporto interte: –dischi flessibili, dischi rigidi, nastri

40 Fondamenti di Informatica40 I dischi magnetici Vertiginosa evoluzione negli ultimi anni Supporto flessibile (floppy) o rigido (hard) su cui è steso del materiale magnetico con ciclo di isteresi quadrato Ruotano a velocità costante; la testina sfiora la superficie del disco

41 Fondamenti di Informatica41 I dischi magnetici Tracce concentriche Ogni traccia è suddivisa in settori mediante la formattazione Si può accedere (r/w) solo ad un intero settore: trasferimento a blocchi Settore Tracce o cilindri

42 Fondamenti di Informatica42 I dischi magnetici Caratteristiche: –floppy: 5"1/4 o 3"1/2, fino a 1.44 Mb, elevato tempo di accesso, capacità limitata –hard: immersi in gas pressurizzato, alta velocità, alta tranfser-rate, anche più dischi in parallelo, collegati al bus di sistema - Mirror, Raid

43 Fondamenti di Informatica43 I dischi magnetici Parametri caratteristici (dischi rigidi): –Densità lineare di memorizzazione: bit/pollice –Numero di tracce per pollice: –Velocità di rotazione: rpm –Velocità di spostamento del braccio: 5-50 ms per tracce adiacenti ms per tutte le tracce –Velocità di trasferimento: 100kbyte/s - 4 Mbyte/s –Capacità di memorizazione: 20 Mbyte - 10 Gbyte

44 Fondamenti di Informatica44 I dischi magnetici Se la quantità di dati supera la capacità del settore, i programmi di gestione devono spezzettarli e concatenarli Una catena si dice file Esiste un indice del disco (FAT) che contiene le info sui settori allocati e liberi Deframmentazione del disco

45 Fondamenti di Informatica45 I nastri magnetici Materiale magnetico disposto su nastri di plastica avvolti su bobine Informazioni memorizzate in blocchi intercalati da zone non magnetizzate Accesso sequenziale Applicazioni tipiche: backup o archiviazione dati

46 Fondamenti di Informatica46 I dischi ottici Derivati da CD usati per riproduzioni audio Basati su deformazioni permanenti della superficie del supporto (materiale plastico) Le variazioni di tensione accumulata su un fotorivelatore consentono di ricostruire l'informazione

47 Fondamenti di Informatica47 I dischi ottici Memorie WORM (Write Once Read Many) Esistono dispositivi per la scrittura dei dati Elevata capacità: 640 Mbyte, 74 min Molto utilizzati per: –elevata affidabilità –grande capacità –enorme economicità


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