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IDUL 2011 COMPUTER: HARDWARE E SOFTWARE. Hardware Struttura fisica (architettura) del calcolatore formata da parti meccaniche, elettriche, elettroniche.

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1 IDUL 2011 COMPUTER: HARDWARE E SOFTWARE

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3 Hardware Struttura fisica (architettura) del calcolatore formata da parti meccaniche, elettriche, elettroniche

4 Software Componente del calcolatore costituita dai: Programmi di base per la gestione del sistema (sistema operativo) Programmi applicativi per luso del sistema (possono usare i programmi di base)

5 HARDWARE: IDEE CENTRALI CICLO DI ESECUZIONE ISTRUZIONI MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA

6 DI NUOVO LA MACCHINA DI TURING

7 Dalla macchina di Turing alla architettura di von Neumann Un passo ulteriore, volendoci avvicinare al funzionamento di un vero computer, è costituito dalla ARCHITETTURA DI VON NEUMANN

8 I/OMemoria CPU Preleva istruzione Esegue Memorizza risultato BUS

9 UNITA CENTRALE E PERIFERICHE Unità centrale Processore Stampante Periferiche di input/output Memoria secondaria Memoria principale Tasteria e monitor Periferiche

10 Architettura dei computer Un computer deve: elaborare linformazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) memorizzare linformazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria (DISCHI RIGIDI) fare linput/output dellinformazione usando i dispositivi locali di input/output Collegandosi in rete con altri computer

11 LA CPU IN DETTAGLIO

12 ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: COMPONENTI DELLA CPU La CPU non è un unico componente ma è costituita da componenti diversi che svolgono compiti diversi Unità di controllo Unità aritmetico logica Program Counter REGISTRI Registro di Stato Bus Interno Registro Istruzioni Registri Generali 8 o 16 … Registro Indirizzi Memoria Registro Dati Memoria Registro di Controllo

13 UNITA DI CONTROLLO Unità di controllo Unità aritmetico logica Program Counter REGISTRI Registro di Stato Bus Interno Registro Istruzioni Registri Generali 8 o 16 … Registro Indirizzi Memoria Registro Dati Memoria Registro di Controllo

14 Unità di controllo Lunità di controllo è la parte più importante del processore Esegue le istruzioni dei programmi Coordina le attività del processore Controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la memoria

15 Unità di controllo Svolge la sua attività in modo ciclico: Preleva dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire Preleva gli operandi specificati nellistruzione Decodifica ed esegue listruzione Ricomincia

16 Unità di controllo Lesecuzione comporta linvio di comandi opportuni allunità relativa Calcoli Unità aritmetico logica Lettura/scrittura dati memoria Acquisizione/stampa dispositivi di I/O

17 COMPONENTI DELLA CPU: UNITA ARITMETICO-LOGICA Unità di controllo Unità aritmetico logica Program Counter REGISTRI Registro di Stato Bus Interno Registro Istruzioni Registri Generali 8 o 16 … Registro Indirizzi Memoria Registro Dati Memoria Registro di Controllo

18 Unità aritmetico logica LUnità aritmetico logica si occupa di eseguire le operazioni di tipo aritmetico/logico Somme, sottrazioni, …, confronti, … Preleva gli operandi delle operazioni dai Registri Generali Deposita il risultato delle operazioni nei Registri Generali Insieme allunità di controllo collabora al completamento di un ciclo della macchina

19 COMPONENTI DELLA CPU: REGISTRI Unità di controllo Unità aritmetico logica Program Counter REGISTRI Registro di Stato Bus Interno Registro Istruzioni Registri Generali 8 o 16 … Registro Indirizzi Memoria Registro Dati Memoria Registro di Controllo

20 Registri I registri sono delle unità di memoria piccole ed estremamente veloci Sono usate per mantenere le informazioni di necessità immediata per il processore

21 Registri Per esempio: Program Counter Lindirizzo della prossima istruzione da eseguire è memorizzato nel registro Program Counter Per esempio: i Registri Generali I registri che possono essere utilizzati come memorie temporanee per svolgere le operazioni matematiche

22 ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: I BUS

23 Bus Permette la comunicazione tra i vari componenti dellelaboratore CPU RAM Interfaccia dati indirizzi controllo

24 ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: CLOCK Abbiamo visto che il processore svolga la sua attività in modo ciclico Ad ogni ciclo corrisponde lesecuzione di unoperazione elementare (unistruzione macchina) Il clock fornisce una cadenza temporale per lesecuzione delle operazioni elementari La frequenza del clock indica il numero di «operazioni elementari» che vengono eseguite nellunità di tempo

25 Clock Consideriamo una ipotesi semplificata in cui ogni battito di clock corrisponde esattamente lesecuzione di una sola istruzione macchina La frequenza del clock indica il numero di operazioni elementari che vengono eseguite nellunità di tempo Per esempio: il clock che ha circa 66 milione battiti per secondo il computer può eseguire circa 66 milioni di operazioni per secondo

26 Clock In realtà, questa ipotesi non è sempre vero Lesecuzione di una istruzione può richiedere più battiti di clock Oppure nello stesso ciclo di clock si possono eseguire (parti) di istruzioni diverse Dipende dal tipo di processore Per esempio: Il processore Intel richiede 20 battiti del clock per calcolare la moltiplicazione di due numeri Il processore Intel può calcolare la moltiplicazione di due numeri usando solo un battito del clock

27 Clock La frequenza del clock si misura in multipli di Hertz (volte per secondo) MHz (1 MHz corrisponde circa a un milione di istruzioni elementari/battiti al secondo) GHz (1 GHz corrisponde circa a un miliardo di istruzioni elementari/battiti al secondo) o Per esempio: se acquistate un calcolatore e vi dicono che ha un processore a 2 GHz o Vuol dire che il processore è in grado di eseguire (circa!) 2 miliardi di istruzioni al secondo

28 CODICE PER I PROGRAMMI: Istruzioni macchina I programmi: sequenze di istruzioni elementari (somma due numeri, confronta due numeri, leggi/scrivi dalla memoria, ecc.) Per ogni tipo di processore è definito un insieme di istruzioni, chiamate istruzioni macchina Ognuna delle quali corrisponde ad unoperazione elementare Le operazione più complesse possono essere realizzate mediante sequenze di operazioni elementari

29 Istruzioni macchina Le istruzioni possono avere formati diversi - per esempio: Codice istruzione Argomento 1Argomento 2 Codice istruzione Argomento 1 cosa fare (operando)su cosa operare oppure

30 Istruzioni macchina Per esempio: ADD R1 R2 Operazione aritmetica di somma: prevede la somma del contenuto dei registri R1 e R2 e il caricamento del risultato nel registro R1 LOAD 3568 R2 Operazione di lettura dalla memoria: richiede la lettura del valore contenuto nella cella con indirizzo 3568 e il suo caricamento nel registro R2

31 Istruzioni macchina Per esempio: cosa fare (espresso in binario) su cosa operare

32 Linguaggio macchina Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni prende il nome di linguaggio macchina Una sequenza di tali istruzioni prende il nome di programma in linguaggio macchina Il ruolo del processore: Eseguire programmi in linguaggio macchina N.B. Nessun uomo è in grado di scrivere programmi estesi in linguaggio macchina! (esistono invece linguaggi ad alto livello)

33 I programmi e i processori Ogni tipo di processore è in grado di eseguire un numero limitato di istruzioni Tuttavia il numero di istruzioni specializzate (specialmente per la resa grafica) è cresciuto molto da una generazione di processori alla successiva. Non sempre i programmi utilizzano tutte le istruzioni disponibili sul processore! Combinando in modo diverso sequenze anche molto lunghe di istruzioni si possono far svolgere al computer molti compiti diversi

34 I programmi e i processori Famiglie di processori: Intel x86, AMD, ARM, ecc. Processori della stessa famiglia possono eseguire gli stessi programmi scritti in linguaggio macchina (ma non sempre) Processi di famiglie diverse non possono eseguire gli stessi programmi scritti in linguaggio macchina: le istruzioni che capiscono sono diverse Attenzione! Stiamo considerando il livello delle istruzioni macchina

35 Linguaggi ad alto livello I programmatori non scrivono quasi mai i programmi in linguaggio macchina. Usano piuttosto linguaggi ad alto livello, più comprensibili all'uomo. Ad esempio: Java C C++ PERL Python (Cliccare sui linguaggi per esempi e approfondimenti) Python

36 Linguaggi ad alto livello I linguaggi ad alto livello non sono comprensibili per il processore. Devono essere tradotti in linguaggio macchina da uno speciale software dettocompilatore (che genera in output programmi eseguibili, in Windows.exe) Oppure possono essere tradotti al volo durante l'esecuzione, da un programma dettointerprete (esistono anche soluzioni miste)

37 Compatibilità Compatibilità allindietro Un processore è in grado di eseguire codice creato per un processore precedente della stessa famiglia. Un programma comprende dati creati da una sua versione precedente Compatibilità in avanti Un processore/programma accetta dati creati per una sua versione futura (eventualmente interpretandoli in modo parziale) Ottenibile tramite ladozione di standard

38 Architettura dei computer Un computer deve: elaborare linformazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) memorizzare linformazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria fare linput/output dellinformazione usando i dispositivi di input/output

39 Architettura dei computer Un computer deve: elaborare linformazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) memorizzare linformazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria fare linput/output dellinformazione usando i dispositivi di input/output

40 Componenti principali di un computer Unità centrale Processore Stampante Periferiche di input/output Memoria secondaria Memoria principale Tasteria e monitor Periferiche del calcolatore

41 UNITA CENTRALE: LA MEMORIA PRINCIPALE

42 ORGANIZZAZIONE DELLA MEMORIA Unità centrale Processore Memoria principale N Sequenza di celle – Ad ogni cella è associato un indirizzo (un numero progressivo a partire da 0) Insieme al processore forma lUnità Centrale di un elaboratore Conserva i programmi e i dati usati dal processore

43 Memoria principale (RAM) Perchè si chiama RAM (Random Access Memory)? Si può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro indirizzo Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso, indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza Il termine random (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono differenze nellaccesso alle varie celle della memoria

44 Memoria principale (RAM) Alcune proprietà della memoria principale Veloce: per leggere/scrivere una cella ci vuole un tempo di accesso dellordine di poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = sec.) Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo lalimentazione si perde tutto (Relativamente) costosa (circa 13 x GB)

45 Memoria principale (RAM) Tutte le celle hanno la stessa dimensione: 8, 16, 32, o 64 bit Le operazioni che si eseguono sulla memoria sono operazioni di lettura e scrittura Una cella può contenere un dato o unistruzione N ADD R1 R2 LOAD 56 R1 LOAD 3568 R1 Indirizzi Contenuto

46 Un po di terminologia... Bit = 0/1, si/no, vero/falso, acceso/spento Byte = 8 bit (= 256 diverse possibilità) Kilobyte (KB) = 1000 byte Kibibyte (Kib) = 1024 byte Megabite (MB)1000 KB Mebibyte (Mib)1024 (Kib) Gigabyte (GB)1000 MB (= un miliardo di byte) Gibibyte1024 Kib Terabyte (TB)1000 GB Tebibyte (Tib)1024 Mib Petabyte… Megahertz, Gigahertz = misure di frequenza (clock): milioni/miliardi di volte al secondo

47 Memoria principale (RAM) Ogni calcolatore usa un numero di bit costante per rappresentare gli indirizzi Maggiore è il numero di bit usati, maggiore sarà il numero di celle indirizzabili: spazio di indirizzamento Se si usano 16 bit per codificare gli indirizzi, si potranno indirizzare fino a celle (circa 64 KB di memoria, nellipotesi di celle di memoria di 1 byte) Con 32 bit si potranno indirizzare fino a celle (circa 4 GB di memoria) Dunque è inutile avere più di 4 GB di memoria se si usa un processore o un Sistema Operativo a 32 bit! (non risulteranno tutti visibili). Serve un S.O. a 64 bit.

48 Memoria principale (RAM) Se acquistate un computer e vi dicono che ha una RAM di p.es. 2 GB, vi stanno specificando le dimensioni della memoria principale Allaumentare delle dimensioni della memoria principale aumenta il numero di programmi che possono essere contemporaneamente attivi. Un aumento di RAM aumenta in genere anche la velocità del computer.

49 Memoria principale (RAM) Le unità di misura della memoria RAM variano a seconda del tipo di calcolatore e vengono espresse in MB o GB Nei PC generalmente si va dai 512MB ai 4 GB La RAM, fino ad un certo limite, è espandibile (slot di espansione)

50 ALTRI TIPI DI MEMORIA NELLUNITA CENTRALE Memoria di sola lettura (ROM) Memoria cache Buffer

51 Memoria di sola lettura (ROM) A differenza della RAM non è volatile Veloce quasi come la RAM Contiene le informazioni di inizializzazione usate ogni volta che si accende lelaboratore (bootstrap)

52 Memoria cache Livello di memoria intermedio tra i registri e la RAM Memorizza i dati usati più spesso senza doverli recuperare tutte le volte dalla RAM (che è più lenta) Influisce moltissimo sulle prestazioni e sul costo della CPU (e quindi del computer) È molto più costosa della RAM

53 Memoria cache In genere è interna al processore (cache L1) Esiste anche una cache secondaria (L2) esterna al processore Le sue dimensione tipiche vanno dai 256KB a 1MB

54 LA MEMORIA SECONDARIA Unità centrale Processore Stampante Periferiche di input/output Memoria secondaria Memoria principale Tasteria e monitor Periferiche del calcolatore

55 Architettura dei computer Un computer deve: elaborare linformazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) memorizzare linformazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria fare linput/output dellinformazione usando i dispositivi di input/output

56 Memoria secondaria La memoria principale non basta (è volatile, costosa) In grado di memorizzare i programmi e i dati in modo permanente Le dimensioni della memoria secondaria sono di solito molto maggiori di quelle della memoria principale I supporti di memoria secondaria sono più lenti rispetto alla memoria principale (presenza di dispositivi meccanici) E molto meno costosa (attorno ai 25 centesimi per GB)

57 LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale Il processore è in grado di eseguire le istruzioni di cui sono composti i programmi Processore Stampante Memoria secondaria Memoria principale

58 Ricordiamo: caricamento del programma Quando si lancia un programma questo viene copiato dalla memoria secondaria (di solito un hard disk) nella memoria principale Questa operazione si chiama caricamento del programma e viene eseguita dal sistema operativo

59 Ricordiamo: caricamento del programma I programmi e i dati risiedono nel memoria secondaria Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale Il processore è in grado di eseguire le istruzioni di cui sono composti i programmi Processore Stampante Memoria secondaria Memoria principale

60 Memoria secondaria La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua si utilizzano tecnologie basate: sul magnetismo (tecnologia magnetica) dischi magnetici (hard disk e floppy disk) nastri magnetici (pressocché obsoleti) sulluso dei raggi laser (tecnologia ottica) dischi ottici (CD-ROM, DVD, Blu Ray) Dispositivi a stato solido («chiavette USB», ecc.)

61 Caratteristiche della memoria secondaria La memoria principale permette di indirizzare ogni singola cella (8, 16, 32 o 64 bit) Mentre nel caso della memoria secondaria le informazioni sono organizzate in blocchi di dimensioni più grandi (512 byte, 1 KB, 2 KB) Si riducono le dimensioni degli indirizzi Si velocizzano le operazioni di lettura e scrittura

62 I dischi magnetici Hard disk: sono dei dischi che vengono utilizzati come supporto di memoria secondaria fisso allinterno del computer varie centinaia di GB di memoria

63 La memoria magnetica Sfrutta il fenomeno fisico della polarizzazione Sul supporto ci sono delle particelle magnetiche I due diversi tipi di magnetizzazione (positiva e negativa) corrispondono alle unità elementari di informazione (0 e 1) La testina di lettura/scrittura cambia la polarizzazione Attenzione ad avvicinare magneti ad un disco rigido

64 I dischi magnetici I dischi magnetici: sono i supporti di memoria più diffusi Nel corso delle operazioni i dischi vengono mantenuti in rotazione a velocità costante e le informazioni vengono lette e scritte da testine del tutto simili a quelle utilizzate nelle cassette audio/video

65 I dischi magnetici I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e settori, ogni settore è una fetta di disco I settori suddividono ogni traccia in porzioni dette blocchi Testina Traccia Blocco Settore

66 I dischi magnetici La suddivisione della superificie di un disco in tracce e settori viene detta formattazione Il blocco è dunque la minima unità indirizzabile Il suo indirizzo è dato da una coppia di numeri che rappresentano il numero della traccia e il numero del settore

67 I dischi magnetici I dischi magnetici consentono laccesso diretto È possibile posizionare direttamente la testina su un qualunque blocco (noto il numero della traccia e il numero del settore) Per effettuare unoperazione di lettura/scrittura la testina deve raggiungere il blocco desiderato Il disco gira; la testina sposta solo in senso radiale

68 I dischi magnetici piatto testina briaccio piatti testine

69 I dischi magnetici Se acquistate un computer e vi dicono che ha un hard disk di 250 GB vi stanno specificando le dimensioni della sua memoria di massa Allaumentare della capacità di memoria di massa, aumenterà il numero di programmi e documenti che potete conservare nel vostro computer

70 La memoria ottica Usa il raggio laser e sfrutta la riflessione della luce Il raggio laser viene riflesso in modo diverso da superfici diverse, e si può pensare di utilizzare delle superfici con dei piccolissimi forellini Ogni unità di superficie può essere forata o non forata Linformazione viene letta guardando la riflessione del raggio laser

71 La memoria ottica

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73 I dischi ottici CD-ROM (CD-ROM ovvero Compact Disk Read Only Memory): consentono solamente operazioni di lettura Poiché la scrittura è unoperazione che richiede delle modifiche fisiche del disco Vengono usati solitamente per la distribuzione dei programmi e come archivi di informazioni che non devono essere modificate CD-R: possono essere scrivibile una sola volta CD-RW: riscrivibili; basati su più strati di materiale

74 I dischi ottici Hanno un capacità circa 650 MB MB (CD) e di fino a 15 GB per i DVD Hanno costo inferiore rispetto ai dischi magnetici, sono più affidabili e difficili da rovinare

75 Memory card/USB flash drive Diffusi in vari formati e con vari nomi (memory card, compact flash, memory pen, memory stick, USB flash drive, USB stick, …) Nati del mondo delle immagini digitali (per fotocamere e telecamere) come supporto interno estraibile Dimensioni in rapida crescita: da 1 a 32 GB USB flash drive, USB stick: utilizzabile sulle porte USB di un personal computer Resistenti allacqua e facilmente trasportabili Più costose degli hard disk magnetici (attorno a 1.4 x GB)

76 Unità di misura Memory card/USB flash drive: 1 GB – 32 GB Hard disk, varie centinaia di GB di memoria CD-ROM, 650 MB MB (ormai quasi obsoleto) DVD, da 4.7 fino a 17 GB di memoria (film, dati) Dischi Blu-Ray: 25 o 50 GB (usato per film in alta definizione) Nastri magnetici, usati solo per funzioni di backup

77 Registri Mem. cache Mem. centrale Dischi magnetici e/o ottici Nastri magnetici byte Aumenta la capacità memorizzazione KB 10*millisecondi microsecondo/ millisecondi 10*nanosecondi nanosecondi 100*picosecondi GB 100GB >1000 GB Aumenta la velocità di accesso

78 Architettura dei computer Un computer deve: elaborare linformazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) memorizzare linformazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria fare linput/output dellinformazione usando i dispositivi di input/output

79 Componenti principali di un computer Unità centrale Processore Stampante Periferiche di input/output Memoria secondaria Memoria principale Tasteria e monitor Periferiche del calcolatore

80 I dispositivi di input/output Per realizzare linterazione uomo- macchina, sono necessari i dispositivi di input/output La loro funzione primaria è quella di consentire … limmissione dei dati allinterno del computer (input) o luscita dei dati dal computer (output)

81 I dispositivi di input/output Input: Tastiera Mouse (e altri strumenti di puntamento) Scanner Microfono Macchine fotografia e telecamera digitale Lettori di codici a barre Output : Videoterminale Stampante Casse acustiche Input/output: Touchscreen Modem / Ethernet

82 I dispositivi di input/output Solitamente hanno limitato autonomia rispetto al processore centrale Si collegano alle porte (o interfacce) del computer Ad alto livello le porte sono le prese cui si connettono i dispositivi Ne esistono di tipi diversi a seconda del tipo di collegamento e della velocità di trasmissione (esempio: porta USB)

83 I dispositivi di input/output Operano in modo asincrono rispetto al processore (ne sono schiavi) Si parla di gestione master-slave: è il processore che deve coordinare le attività di tutti i dispositivi (Input) Il processore non è in grado di prevedere e di controllare il momento in cui un dato di input sarà a disposizione (Output) Il processore non può prevedere il momento in cui un dispositivo in output avrà terminato di produrre i dati in uscita

84 I dispositivi di input/output Un dispositivo di input deve avvertire il processore quando un dato di input è disponibile Un dispositivo di output deve avvertire il processore quando ha terminato di produrre dati in uscita Al termine di ogni operazione i dispositivi inviano al processore un segnale, detto interrupt, che indica che il dispositivo ha bisogno di attenzione

85 I dispositivi di input/output Ad ogni ciclo di clock, il processore verifica se sono arrivati dei segnali di interrupt da parte dei dispositivi Se sono arrivati dei segnali, il processore va ad eseguire le operazioni di gestione dei dispositivi che hanno richiesto lattenzione Se non sono arrivati dei segnali, il processore continua ad eseguire il programma corrente

86 Il collo di bottiglia dellI/O Principali rivoluzioni nelle interfacce uomo macchina: Invenzione delle interfacce grafiche+mouse (Macintosh, 1984) Invenzione dei touch screen (schermi sensibili al tocco) Altre innovazioni rilevanti Programmi di dettatura (e.g. Dragon dictate) Schermi persistenti (non richiedono input di corrente per mantenere unimmagine; leggibili alla luce del sole; usati negli E-book readers, p.es. e-ink in Amazon Kindle, Sony PRS)Kindle PRS

87 Il collo di bottiglia dellI/O A fronte dello sviluppo di memorie e processori, mancano tuttavia vere novità nel campo delle interfacce. Tensione tra: Computer con schermi sempre più grandi ed applicazioni/pagine web che si aspettano di avere un grande spazio di visualizzazione Diffusione di apparecchi con schermi di dimensioni molto diverse (dagli smartphones tascabili alle tablet a 7 pollici a quelle da 10 a netbook ai laptop), per cui unapplicazione deve adattarsi a condizioni molto diverse (p.es. con o senza touch screen)

88 ASPETTO DEI MICROPROCESSORI MODERNI

89 MICROPROCESSORE E PIASTRA MADRE Il microprocessore è incastonato nella piastra madre La piastra madre raccoglie in maniera efficiente e compatta altre componenti fondamentali di ogni computer, come la memoria, le porte di comunicazione, ecc.

90 La struttura interna della piastra madre

91 Attorno alla piastra madre Come abbiamo detto, la RAM è una memoria volatile, che non è in grado di conservare in maniera permanente dati e programmi Per questultimo scopo, è bene disporre di depositi di memoria ancor più grandi; vogliamo infatti conservarvi tutti i programmi e tutti i dati che desideriamo avere a nostra disposizione, e non solo quelli che utilizziamo in un dato momento

92 Attorno alla piastra madre Attraverso appositi alloggiamenti o slot, alla piastra madre possono essere collegate anche schede di espansione Le schede di espansione permettono in genere di potenziare le capacità del computer in settori specifici (ad es. la grafica), o di collegarvi dispositivi esterni Al corpo centrale (cabinet) del computer sono di norma connessi diversi dispositivi esterni, utilizzati in genere per linput e loutput dei dati

93 HARDWARE: RIASSUNTO DELLE IDEE PRINCIPALI Architettura di von Neumann: Divisione in componenti collegate da bus Ciclo di esecuzione istruzioni Divisione della memoria in diversi livelli Funzionamento asincrono dellinput/output Realizzazione fisica dellarchitettura di von Neumann: Piastra madre Memorie volatili e non volatili

94 Laccelerazione dellinformatica Rapidissima crescita della potenza dei computer, misurata in capacità della RAM, velocità della CPU e capienza del disco rigido. RAM: dai 48KB dell'Apple II ai 2GB di un PC medio odierno: un incremento di volte. Al momento risulta che la memoria media di un PC raddoppia ogni 21 mesi.raddoppia ogni 21 mesi. Processore: da 4 MHertz a e più (per macchine monoutente medie): un incremento di circa 650 volte. Di pari passo è aumentata anche la complessità interna del processore, espressa dal numero di transistor che contengono. Finora, si è mantenuta valida la legge di Moore, enunciata nel 1964: "il numero dei transistor nel processore raddoppia ogni 18 mesi".la legge di Moore Memorie di massa: Dai 90K su floppy disk dell'Apple II ai 360 GB e più di un PC medio-alto attuale: un incremento di più di 4 milioni di volte.

95 Evoluzione dei processori Un grafico dellevoluzione dei processori INTEL attraverso il tempo call.biz/downloads/CPU_history.pdf call.biz/downloads/CPU_history.pdf

96 Applicazione pratica Scelta tra vari modelli per lacquisto di un computer.

97 Le domande da porsi Fisso o portatile? Da considerare: A parità di costo, un computer fisso è più potente. Ma la batteria di un portatile è preziosa in zone con interruzioni di corrente, o se si lavora molto in treno. Se si lavora spesso in due luoghi diversi (p.es. casa-ufficio) può non servire comprare un portatile. Se ognuno è dotato/dotabile di un computer fisso, si possono tenere tutti i propri dati su una chiave USB (16GB o più) e portarla da un computer allaltro. Un computer portatile di peso >3Kg non è davvero comodo da portare addosso. Il computer più leggeri hanno schermo più piccolo, ma le batterie durano spesso di più. E possibile poi comprare con poca spesa schermo, mouse e tastiera esterni da collegare ad un portatile piccolo, trasformandolo virtualmente in un fisso. Esistono applicazioni che sono praticamente inutilizzabili su schermi sotto i 10 pollici (p.es. il programma di posta Thunderbird)

98 Le domande da porsi Che capienza di disco? Che uso ne faccio? Se non si tengono su computer musica o film, 60 GB sono più che sufficienti. Se lo si usa per contenere musica, 100 GB in più sono consigliabili. Ancora più spazio nel caso di film; per tenere film in alta definizione il disco deve avere la massima capienza compatibile col proprio budget. Che velocità? Una velocità alta è richiesta quasi solo da videogiochi e programmi di fotoritocco o per editing di film (oltre ad una memoria di almeno 4GB) Non sempre il software è in grado di sfruttare la velocità del processore (o della scheda grafica)

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100 TRE TIPI DI SOFTWARE Software APPLICATIVO: programmi che permettono di svolgere funzioni VIDEOGIOCHI, WORD PROCESSING, DATABASE, POSTA ELETTRONICA PROGRAMMI UTENTE veri e propri Software DI SISTEMA: controlla lhardware, gestisce linterfaccia con utente, coordina le applicazioni SISTEMA OPERATIVO, INTERFACCIA RETE

101 IL SOFTWARE DI SISTEMA È necessario fornire un meccanismo per astrarre dallorganizzazione fisica della macchina Lutente deve: usare nello stesso modo (o comunque in un modo molto simile) macchine diverse dal punto di vista hardware avere un semplice linguaggio di interazione con la macchina avere un insieme di programmi applicativi per svolgere compiti diversi

102 IL COMPUTER VIRTUALE Il SOFTWARE DI SISTEMA opera unASTRAZIONE mettendo a disposizione dellutente (programmatore) un set di operazioni più ricco di quello definito dallhardware (o dai livelli di software di sistema inferiori) Facendo cio realizza una macchina virtuale che non esiste fisicamente Questoperazione di astrazione puo essere ripetuta piu volte

103 ESEMPI DI ISTRUZIONI VIRTUALI STAMPA CARATTERE A Eseguire questa istruzione richiede mettere carattere A in unarea speciale (print buffer), inviare un segnale alla stampante che cè dellinput, aspettare che la stampante abbia finito e controllare che tutto abbia funzionato OK APRI DOCUMENTO PARTY.DOC Un `documento è semplicemente una lista di blocchi su tracce probabilmente diverse del disco rigido

104 SISTEMA OPERATIVO Il sistema operativo e il software di sistema che gestisce ed interagisce direttamente con il computer, presentando a tutti gli altri tipi di software uninterfaccia che astrae dalle caratteristiche dellhardware specifico. Esempi: Windows (XP, Vista, 7, tra poco 8) Unix (Linux, BSD, Apple System X)

105 Il processo di Bootstrapping l - All' accensione, il computer carica da una piccola memoria permanente (EPROM) il BIOS. - Il BIOS non può gestire periferiche, ma ha abbastanza informazioni per poter caricare la parte centrale del sistema operativo (il kernel) - Il Kernel esamina l'hardware del computer e carica i vari driver, software specifici per gestire le periferiche

106 Funzioni principali del sistema operativo Più in dettaglio, il kernel (il programma principale del SO) più i driver si occupa di: Gestire il processore ed programmi in esecuzione (detti processi) Gestire la memoria principale (RAM) Gestire la memoria virtuale (una RAM estesa apparente, in realtà salvata su disco) Gestire la memoria secondaria (Disco rigido) Gestire i dispositivi di input/output Interagire con lutente, gestendo il sistema a finestre (questultimo compito è spesso separato dal S.O. vero)

107 LA STRUTTURA A CIPOLLA DEL SISTEMA OPERATIVO Hardware Utente Avvio (BIOS) Gestione: i processi, la memoria, i disp. di input/output Interfaccia utente

108 Funzioni principali del sistema operativo Gestione del processore e dei programmi in esecuzione (detti processi) Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input/output Interazione con lutente

109 Esecuzione dei programmi Quando si scrive un comando (oppure si clicca sullicona di un programma), il sistema operativo: Cerca il programma corrispondente sulla memoria secondaria Copia il programma in memoria principale … Processore Stampante Memoria secondaria Memoria principale

110 Esecuzione dei programmi Quando si scrive un comando (oppure si clicca sullicona di un programma), il sistema operativo: Cerca il programma corrispondente sulla memoria secondaria Copia il programma in memoria principale Imposta il registro Program Counter con lindirizzo in memoria principale della prima istruzione del programma

111 Sistemi mono-utente, mono- programmati Un solo utente può eseguire un solo programma alla volta È forzato a sequenzializzare i programmi Il programma viene lanciato, eseguito e quindi terminato Ma il processore viene sfruttato al meglio?

112 Sistemi mono-utente, mono- programmati No, il processore non viene sfruttato al meglio: si spreca molto tempo Il processore è molto più veloce dei supporti di memoria secondaria e delle altre periferiche (e soprattutto, dei tempi di risposta dellutente) Passa la maggior parte del suo tempo in attesa Durante lattesa si dice che il processore è un uno stato inattivo (idle)

113 Esecuzione sequenziale Supponiamo che il nostro sistema sia un bar in cui il barista serve diversi clienti Il barista è corrispondente del processore, i clienti sono lequivalente dei processi da eseguire Esecuzione mono-programmati: OrdinarePreparare il caffé Consumare Pagare Ordinare Preparare il caffé Consumare Pagare Client 1Client 2

114 Soluzione In realtà: Ordinare (C1) Preparare il caffé (C1) Pagare (C1) Ordinare (C2) Preparare il caffé (C2) Pagare (C2) Client 1 Client 2

115 Soluzione: sistemi multiprogrammati Quando il processore è nello stato di idle può eseguire (parte di) un altro processo Quando un processo si ferma, il processore può passare ad eseguire le istruzione di un altro processo Il sistema operativo si occupa dellalternanza tra i processi in esecuzione (multitasking). Attenzione: un numero eccessivo di processi rallenterà il computer! In un PC (personal computer) tutti i processi saranno relativi ad un singolo utente (o allattività del SO); in sistemi collegati in rete i processi possono riguardare anche utenti diversi.

116 Gestione Attività (Windows 7) Applicazioni attive:

117 Gestione Attività (Windows 7) Processi attivi:

118 Funzioni principali del sistema operativo Avvio del computer Gestione del processore e dei processi Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input/output Interazione con lutente

119 IL FILE SYSTEM

120

121 IL FILE SYSTEM: alcune caratteristiche di base Possibilità di impedire/permettere la scrittura/lettura/esecuzione di file/cartelle di un particolare utente da parte di altri (concetto di utente privilegiato, amministratore di sistema, superuser) Possibilità di accesso ad un medesimo file sotto nomi diversi (collegamenti, da non confondersi con i link su web) Possibilità di journaling (per preservare lintegrità del filesystem) e di indexing (per facilitare la ricerca di contenuti)

122 SISTEMI OPERATIVI PER PC MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System -1980) Apple Mac: primo sistema operativo ad utilizzare il nuovo tipo di interfaccia a finestre sviluppato da Xerox Windows (1985) Windows 95, Windows 98, Windows Me Windows NT, Windows 2000 (5 th version of NT), Windows XP, Windows Vista (2007), Windows 7 (2010), Windows 8 (fine 2012) UNIX per PC: Minix (1987) Linux (1991/94) Apple OSX

123 Sistemi operativi e Open Source Movimento Open Source Differenza tra beni materiali (uno a uno) e software (uno a molti) Sviluppo di codice come servizio: diffusione di software libero creato dalla comunità dei programmatori Con lo sviluppo di internet, possibilità di raccogliere ed organizzare attorno ad un progetto software un largo gruppo di programmatori volontari

124 Sistemi operativi e Open Source Progetto GNU (Richard Stallman) Scopo: creazione di un SO derivato da UNIX ma completamente libero Il software del progetto viene distribuito con una particolare licenza, la GNU GPL, costruita per garantirne la libertà di diffusione e di modifica.GNU GPL per arrivare a questo risultato, all'interno del progetto vengono creati programmi per coprire ogni necessità informatica: compilatori, lettori multimediali, programmi di crittografia, ecc.compilatoricrittografia

125 Sistemi operativi e Open Source Il codice prodotto dal lavoro dei volontari organizzati tramite rete viene diffuso completo di codice sorgente (source): il programma scritto in un linguaggio ad alto livello e commentato dai suoi creatori. Chiunque abbia lesperienza tecnica necessaria ha la possibilità di modificare, adattare ed espandere il programma. Al contrario, i programmi proprietari (Photoshop, Excel, ma anche programmi gratuiti come Acrobat Reader o Explorer) vengono distribuiti solo nel formato eseguibile, quasi impossibile da modificare.

126 Sistemi operativi e Open Source: Il caso Linux Linux: un sistema operativo open source basato su UNIX, sviluppato tra il 1994 ed oggi sotto limpulso e la direzione di Linus Torsvalden Ambiente GNU/Linux: kernel Linux più programmi di gestione e sviluppo presi del progetto GNU Diffuso gratuitamente in varie distribuzioni (varianti), che contengono sistemi linux più o meno completi (SO + sistema a finestre + applicativi open source per i compiti più comuni)

127 Linux: caratteristiche di base Multiutente; multitasking; filesystem con protezione lettura/scrittura per i vari utenti, link Vari ambienti grafici (KDE, GNOME, ecc.), installabili a scelta dellutente (è sistema a finestre è ben distinto dal SO)KDEGNOME Installabile su una varietà di hardware diversi, anche se poco potenti Stabile, altamente personalizzabile, gratuito Può convivere con Windows sullo stesso disco rigido: allaccensione lutente sceglie quale S.O. attivare Pacchetti applicativi extra installabili da web in modo semiautomatico

128 Linux: distribuzioni Varietà di distribuzioni, fornite gratuitamente su Web o su DVD. Ciascuna distribuzione aggiunge di suo un sistema semiautomatico di installazione ed aggiornamento del software, più una particolare scelta di programmi applicativi e di configurazioni. Vedi: per una panoramica.http://it.wikipedia.org/wiki/Distribuzione_%28Linux%29 Esistenza di distribuzione live su CD/DVD (consentono di provare un sistema linux sul proprio computer senza installare nulla sul disco rigido) Sistemi derivati da Linux (p.es. le varie versioni di Google Android per smartphone) Android

129 Linux: limiti Compatibilità con dati in uso nel mondo Windows? (mancanza di Microsoft, Office; presenza di OpenOffice) Funzionamento con hardware recenti (specialmente portatili)? Molteplicità eccessiva degli strumenti software? Innovatività dellimpostazione generale (S.O. originali o cloni dellambiente windows?) Molti dei programmi UNIX che una volta erano a disposizione solo su linux sono ormai a disposizione anche su Windows (esiste un modo per emulare un terminale UNIX e molti dei suoi programmi più utili sotto Windows, chiamato cygwin)cygwin

130 Per conoscere Linux Linux Day a Trento Per vedere la data del prossimo Linux Day, vai sul sito: Distributori di Distribuzioni Linux Presso la biblioteca di via Roma sono installate delle macchine che permettono di ottenere un DVD di una distribuzione recente di Linux al posto del DVD vergine (da portare)

131 LETTURE Architettura: Sistema operativo: Open source


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