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Architettura dei computer

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Presentazione sul tema: "Architettura dei computer"— Transcript della presentazione:

1 Architettura dei computer
In un computer possiamo distinguere le seguenti unità funzionali: il processore la memoria principale la memoria secondaria i dispositivi di input/output Le linee di comunicazione (BUS) Il processore e la memoria principale sono le due componenti del computer e costituiscono l’unità centrale DA Bus.pdf POLIMI aggiornata

2 IL processore Il datapath: un insieme di circuiti che sono in grado di operare e manipolare dati Il controller: un insieme di circuiti che sono in grado di interpretare un programma e fare eseguire alle altre componenti del calcolatore, le istruzioni in essi contenute MQ

3 ELABORATORI CON DIFFERENTI ARCHITETTURA HANNO DATAPATH DIFFERENTI
due datapath differenti MQ

4 Componenti principali di un computer
Processore Memoria (centrale) Bus Unità centrale principale Controller Periferiche di input/output Stampante Terminale (secondarie) Memorie di massa

5 COMPONENTI DI UN PC Si distinguono facilmente le cinque parti principali dello schema di Von Neumann con la CPU, l' Input e l' Output, nonche' la memoria volatile (Memory) e la memoria permanente (Drives). MQ

6 Vista interna di un PC MQ

7 Scheda madre di Pentium IV
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8 Scheda madre di Pentium IV
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9 Dentro al PC SLOT: e’ un connettore dove vengono inserite delle schede che contengono particolari dispositivi I piu' importanti tipi di slot sono: PCI Peripheral Component Interface AGP Advanced Graphic Port SATA “Serial Advanced Technology Attachment" CHIPSET: E' un insieme di circuiti integrati che "aiuta" la CPU nel controllo di tutti i dispositivi. Si occupa del BUS PCI, controllo dei dischi e periferiche. Un determinato chipset puo' supportare diversi tipi di CPU. JOYSTICK : connettore per un dispositivo dedicato a “particolari” attivita’ (anche per il tempo libero!). MQ

10 Tipica architettura di un personal computer
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11 IL BIOS (BASIC INPUT OUTPUT SYSTEM )
Il BIOS e' un chip ROM che e' specifico di una data piastra madre. Le istruzioni e dati in esso contenuti rimangono praticamente fisse per tutto il ciclo di vita del PC e sono utilizzate dalla CPU all'accensione del PC. Il programma nella ROM contiene in primo luogo le istruzioni per la partenza (start-up) del PC che si possono dividere in: Il BIOS e' un chip ROM che e' specifico di una data piastra madre. Le istruzioni e dati in POST (Power On Self Test) = Istruzioni per il controllo del funzionamento elettronico dei dispositivi all’accensione del PC SETUP: Istruzioni per la configurazione dei dispositivi dopo l’accensione e il post BIOS : Istruzioni per la configurazione verso il Sistema Operativo(CMOS) BOOT : Istruzioni per la partenza del Sistema Operativo INPUT/OUTPUT : Il Bios raccoglie una serie di programmi software a basso livello, (funzioni di base) che il sistema operativo sfrutta per interagire con l’hardware della macchina. Tra queste funzioni ritroviamo i caratteri digitati alla tastiera, l’invio dei caratteri alla stampante e l’accesso alla memoria, alle unita’ a disco e ad altri dispositivi di Input/output. Non tutti i sistemi operativi utilizzano tutte le funzioni del BIOS ( vedi UNIX) Il CMOS e' una tecnologia elettronica con cui si costruiscono dispositivi a basso consumo. In un PC con CMOS si intende una memoria RAM a basso consumo dove vengono messi i dati di configurazione dei dispositivi presenti e che possono essere alterati dall'utente. Il chip CMOS e' alimentato da una batteria tampone per cui anche spegnendo il PC i dati non si perdono. MQ

12 UEFI come sostituto del BIOS
Arriva UEFI UEFI è l'acronimo di Unified Extensible Firmware Interface. Lo scopo di EFI dovrebbe essere quello di sostituire gradualmente gli attuali BIOS delle schede madri . A cosa serve il BIOS? Inizialmente il sistema operativo funzionava con un solo tipo di HW. Quindi un "PC" doveva essere fatto solo in un modo. Il BIOS ha cambiato le cose: non importa che HW ci sia, il BIOS lo "virtualizza" in modo che risponda alle chiamate del Sistema Operativo sempre allo stesso modo, anche se sotto è tutto diverso. Secondo Intel, quando verrà adottata in maniera consistente, EFI consentirà ai produttori di integrare nel firmware del computer applicazioni e nuove funzionalità, fra cui strumenti per la diagnostica e il ripristino dei dati, servizi di crittografia e funzionalità per la gestione dei consumi. MQ

13 Memoria ROM, caratteristiche:
La ROM e’ un memoria atta a contenere informazioni memorizzate dal costruttore del dispositivo, ma nella quale non e’ possibile scrivere nulla. Nella ROM troviamo un tipo di software che difficilmente sara’ soggetto a variazioni (come I vecchi BIOS del PC, schede di controllo di periferiche, cartucce per I giochi, programmi applicativi di alcuni palmari e altre apparecchiature programmabili). Al pari delle RAM le ROM sono ad accesso casuale. La non modificabilita’ della ROM ha costretto molti utenti a chiedere la sostituzione della ROM nel caso in cui bisognasse aggiornare I dati o il software. Tempo di accesso dell’ordine dei nanosecondi ( 1ns=10 –9 sec) NON VOLATILE MQ

14 Dalla ROM alla PROM La PROM (Programmable ROM) e’ stata inventata per sopperire alle forti restrizioni che le ROM imponeva. Qualora fosse stato necessario aggiornare I programmi o I dati contenuti nella ROM, bisognava sostituirla (doveva essere fornita dal costruttore). La PROM ha il vantaggio di poter essere programmata una sola volta dall’utente tramite dispositivi particolari chiamati programmatori di PROM. NON VOLATILE MQ

15 Dalla PROM alla EPROM Un ulteriore miglioramento in questo settore delle memorie fu l’EPROM ( Erasable PROM) che puo’ essere non solo programmata dall’utente ma anche cancellata. Queste EPROM hanno una finestra di quarzo a contatto con il chip; se la finestra viene esposta ad una forte luce ultravioletta per 15 minuti tutti i bit sono messi a 1 . Questi tipi di memorie si possono riutilizzare . NON VOLATILE MQ

16 Dalla EPROM alla EEPROM
La successiva evoluzione delle EPROM sono state le EEPROM (Elettrically Erasable PROM). Si possono cancellare ( un byte alla volta) tramite impulsi elettrici e si riprogrammano sul posto senza estrarle. Svantaggi: Più costose delle RAM e meno veloci delle RAM. Le EEPROM piu’ recenti si chiamano FLASH (si cancellano per blocchi di byte ) Le FLASH sono usate anche come memorie portatili (USB key). NON VOLATILE MQ

17 La memoria principale Le RAM dinamiche sono basate principalmente sul principio di funzionamento di carica e scarica di un condensatore in un circuito con la presenza di una resistenza (circuito RC - che nel disegno non e’ raffigurata esplicitamente ma e’ inclusa nel transistor . Il loro caricamento avviene lentamente; il processo di lettura ne causa lo scaricamento; inoltre, anche in condizioni di riposo, la carica si disperde anche in presenza di tensione, pertanto hanno bisogno di un dispositivo di refresh temporizzato da un clock.

18 La memoria principale RAM (Random Access Memory)
Questa definizione indica che il tempo di accesso ad una cella è lo stesso indipendente dalla posizione della cella Le operazioni che un processore può effettuare sulla memoria sono le operazioni di lettura e scrittura di informazioni nelle celle VOLATILE

19 La memoria principale Una parola di memoria è, a seconda del tipo di computer, un aggregato di due, quattro o addirittura otto byte, sul quale si può operare come su un blocco unico Per eseguire le operazioni di lettura e scrittura sulla memoria, si deve specificare l’indirizzo della parola su cui si vuole operare L’indirizzo di una parola è un numero intero e quindi lo si può codificare in binario Il numero di parole di memoria determina il numero di bit necessari a rappresentare l’indirizzo

20 La memoria principale Le dimensioni della memoria principale variano a seconda del tipo di computer e vengono espresse mediante le seguenti unità di misura: 1 Kilobyte (KB) corrisponde a 1024 byte (210) 1 Megabyte (MB) corrisponde a 1024 Kbyte (220) 1 Gigabyte (GB) corrisponde a 1024 Mbyte (230) 1 Terabyte (TB) corrisponde a 1024 Gbyte (240) Nei computer attuali le dimensioni tipiche della memoria principale vanno dai 512MB a vari GB ( e oltre)

21 Tempo minimo che intercorre tra 2 accessi in memoria
La memoria principale Ogni cella è caratterizzata da: Un indirizzo che e’ un numero che ne identifica la cella e ne consente l’accesso Un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella. Un altro aspetto che caratterizza la memoria è il tempo di accesso (tempo necessario per leggere o scrivere un’informazione in una parola) CICLO DI MEMORIA ( definizione) Tempo minimo che intercorre tra 2 accessi in memoria

22 Le memorie principali dei computer attuali hanno tempi di accesso dell’ordine di nanosecondi (1 nanosecondo =un miliardesimo di secondo) La memoria principale perde ogni suo contenuto quando si interrompe l’alimentazione elettrica. Questa caratteristica viene chiamata volatilità È quindi necessario per conservare le informazioni (programmi e dati) avere altri tipi di memoria che conservano il contenuto anche senza alimentazione elettrica

23 RAM TIPOLOGIE . I moduli di memoria sono attualmente disponibili in tre tipologie principali: moduli SIMM (Single sided Inline Memory Module) a 30 e 72 contatti; sono oramai scomparsi dal mercato. moduli DIMM (Double sided Inline Memory Module) a 168 contatti; sono attualmente i più diffusi e sono disponibili a differenti velocità (da 15 nanosecondi ad accesso fino ai 7.5 nanosecondi). Recentemente sono apparse sul mercato nuove DIMM basate su chip SDRAM DDR (Double Data Rate) a 184 contatti con le quali è stata raddoppiata, a parità di frequenza, la quantità  di dati trasferita. moduli RIMM (Rambus Inline Memory Module) fanno riferimento a nuovi moduli che hanno velocità e frequenze maggiori di 800MHz, ma canale più stretto (16 bit di larghezza contro i 32/64 delle DIMM). MQ

24 Il Processore Il processore è la componente dell’unità centrale che fornisce la capacità di elaborazione delle informazioni contenute nella memoria principale L’elaborazione avviene in accordo a sequenze di istruzioni (istruzioni macchina) Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni viene chiamato linguaggio macchina Il ruolo del processore è quello di eseguire programmi in linguaggio macchina

25 Componenti di un processore
Unità di Controllo Unità Aritmetico- Logica REGISTRI Program Counter (PC) Registro di Stato (PSW) Registro Istruzioni (IR) Registro Indirizzi Memoria (MAR) Registri Generali (8 o 16) Registro Dati Memoria (MD ) Registro di Controllo (RC) Bus Interno Schema semplificato di processore ( con registri generali)

26 IL PROCESSORE A B T IR PC MD MX ALU CONTR. UNIT MAR F Alla memoria EAR ED Alle unita’ esterne clock Schema elementare di processore ( senza registri generali) con 2 accumulatori ( A e B) MQ

27 Macchina ad accumulatore , in questo caso due (A e B).
I REGISTRI I registri A,B,T contengono dati su cui e’ possibile eseguire operazioni elementari da parte dell’ ALU . Il registro IR contiene l’informazione relativa alla operazione da eseguire ed e’ percio’ chiamato registro dell’istruzione corrente. Il registro PC, chiamato contatore di programma (Program Counter), fornisce l’indirizzo di memoria in cui e’ contenuta l’istruzione successiva del programma; pertanto in ogni istante si ha:   Le dimensioni di un registro sono di pochi byte (2, 4,8) Le macchine con architetture moderne sono caratterizzate da un insieme di registri di uso generale, mediante i quali e’ possibile operare sui dati in modo molto piu’ efficiente MQ

28 CPU con registri generali
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29 I REGISTRI MDR (o MD) Memory Data Register serve a scambiare dati tra la CPU e la memoria, mentre il registro ED e’ utilizzato per scambiare i dati tra la CPU e le unita’ esterne di ingresso e di uscita. MAR ( Memory Address Register) e’ caricato di volta in volta con l’indirizzo della locazione di memoria che in un certo istante la CPU vuole leggere o scrivere, mentre il registro EAR e’ caricato con il numero della porta di I/O con cui scambiare i dati. ED serve allo scambio dati con le unita’ esterne di INGR./USCITA. PSW (Program Status Word) e’ il registro dei flag che che memorizza particolari condizioni quali: riporto, traboccamento, risultato positivo/negativo, parita’ e altro. RC e’ il registro per i segnali di controllo da e verso le altre unita’ ( scrittura ,lettura, attesa, pronto etc.. MQ

30 ARCHITETTTURA (semplificazione.)
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31 UNITA’ DI CONTROLLO (U.C.)
La U.C. svolge due funzioni fondamentali: Controllo della sequenza delle istruzioni Controllo della esecuzione delle istruzioni, ogni istruzione scatena una sequenza di comandi che nel loro insieme svolgono la singola istruzione. MQ

32 TIPI DI UNITA’ di CONTROLLO
DUE TIPI DI U.C. CABLATE Dotate di circuiti specializzati che realizzano le funzioni desiderate MICROPROGRAMMATE Ogni operazione che la U.C. deve eseguire viene dettagliata da una serie di microistruzioni che sono immagazinate in particolari memorie ( Control Store) MQ

33 Il Processore: l’unità di controllo
L’Unità di Controllo (UC) si occupa di coordinare le diverse attività che vengono svolte all’interno del processore; Il processore svolge la sua attività in modo ciclico; Ad ogni ciclo vengono svolte diverse attività controllate e coordinate dalla UC  Ciclo istruzione

34 CICLO ISTRUZIONE Il ciclo di una istruzione e’ essenzialmente composto dai seguenti passi PRELIEVO ( FETCH) DECODIFICA (DECODE) ESECUZIONE (EXECUTE) RITORNO AL PASSO 1 MQ

35 FASE DI FETCH (PC)  MAR MEM(MAR)  MD (MD)  IR (PC) +1  PC
Il termine FETCH indica la copia di un’informazione dalla memoria all’interno della CPU Il contenuto del Program counter viene spostato nel registro indirizzi Viene prelevato dalla memoria il contenuto dell’indirizzo puntato da MAR e viene posto nel registro MD Il contenuto di MD viene posto nel registro istruzione corrente (IR) Il contenuto del program counter PC viene incrementato . (PC)  MAR MEM(MAR)  MD (MD)  IR (PC) +1  PC MQ

36 FASE DI PRELIEVO (FETCH)
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37 FASE DI DECODIFICA Estrazione dal registro istruzione (IR) del tipo operatore presente (OPCODE): Istruzioni per lo spostamento dati Istruzioni aritmetiche: add,mul,sub… Istruz. di tipo logico (NAND,OR, NOT.. Istruz. Di rotazione e shift : SHL, SHR.. Istruz. di controllo programma ( JUMP, JNZ,JZERO.. .. Istruz. Di controllo Macchina (halt,nop.. MQ

38 FASE DI ESECUZIONE Estrazione degli operandi: INDIRIZZO/I
DATI IMMEDIATI REGISTRI In base al microprogramma o al circuito specializzato verra’ eseguita l’istruzione presente nell’IR MQ

39 Il Processore: l’unità di controllo
La frequenza con cui vengono eseguiti i cicli di esecuzione è scandita da una componente detta clock Ad ogni impulso di clock la U.C. esegue un’istruzione macchina ( o meglio ad ogni ciclo di clock cambia lo stato interno della macchina) La velocità di elaborazione di un processore dipende dalla frequenza del suo clock I processori attuali hanno valori di frequenza di clock che variano tra i 100 MHz e 3 GHz (tra 100 milioni di impulsi al secondo a 3 miliardi di impulsi al secondo )

40 IL CLOCK E’ un segnale periodico, costituito da una sequenza alternata di uni e zeri, che viene distribuito a tutti i circuiti sequenziali sincroni per sincronizzarne il funzionamento. L’intervallo di tempo che intercorre tra due successivi impulsi e detto periodo di clock. La frequenza viene misurata in Mhz (megahertz, milioni di cicli al secondo). Un ciclo della durata di 1 ns(nanosecondo) equivale a 1000Mhz (1 Ghz). Maggiore e’ la frequenza , maggiore e’ la velocita’ del processore, che tuttavia non puo’ essere aumentata a piacere in quanto i circuiti devono avere il tempo di completare la propagazione dei nuovi valori logici prima che arrivi un nuovo impulso di clock . MQ

41 MQ

42 L’Unità Aritmetico-Logica
L'Unità Aritmetico-Logica (ALU) è costituita da un insieme di circuiti in grado di svolgere le operazioni di tipo aritmetico e logico La ALU legge i dati contenuti all'interno dei registri generali, esegue le operazioni e memorizza il risultato in uno dei registri generali Vi sono circuiti in grado di eseguire la somma di due numeri binari contenuti in due registri e di depositare il risultato in un registro, circuiti in grado di eseguire il confronto tra due numeri binari. In alcuni elaboratori oltre alla ALU si può avere un processore specializzato per effettuare operazioni matematiche particolari, il coprocessore matematico

43 CISC o RISC Fino all’inizio degli anno ’80 la quasi totalita’ degli elaboratori era basata su processori con pochi registri ma con unita’ di controllo molto complesse in grado di eseguire istruzioni anche molto articolate. Le architetture di questo tipo venivano chiamate CISC ( COMPLEX INSTRUCTION SET COMPUTER) ovvero computer con set di istruzioni complesse ( a loro volta composte da microistruzioni) . Successivamente a fianco di questa tipologia di CPU e’ comparso un altro approccio detto RISC ( REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER). L’idea di base prevede di dotare il processore di un numero ridotto di istruzioni, ma di renderle estremamente efficienti, in modo che combinando queste semplici istruzioni si potranno ottenere programmi estremamente complessi che vengono eseguiti a velocita’ molto elevate. L’obiettivo seguito per passare da architetture CISC a RISC, e’ stato certamente quello di minimizzare il tempo macchina di esecuzione di una istruzione .

44 CISC o RISC Codice assembler per l'operazione di moltiplicazione fra due valori immagazzianti in memoria centrale: Filosofia RISC MOV A, %100; muovi (move) nel registro A il contenuto della cella 100 MOV B,%230; salva in un altro registro, detto B, il contenuto della cella 230 MUL C,A,B; moltiplica A per B e scrivi il risultato nel registro C STR C, %300; scrivi (store) il valore di C nella cella numero 300 Osserviamo che, in totale, abbiamo 4 istruzioni in assembler. Troppe per i progettisti, secondo la filosofia CISC. Perchè non fare una singola istruzione di moltiplicazione che preveda tutte queste operazioni una volta decodificata dal processore? Se venisse aggiunta nell'ISA del processore, basterebbe scrivere: MUL %300,%230,%100 per impartire l'ordine al processore di salvare il contenuto della memoria nei registri, fare la moltiplicazione e scrivere il risultato nuovamente in memoria. Bel risparmio di mal di testa per i programmatori in assembler! E bel risparmio per la ditta produttrice di software che impiegherà molto meno tempo per correggere eventuali bachi nel programma, portando al pubblico il prodotto finito in tempi più rapidi! ISA (instruction set architecture ) Insieme delle istruzioni assembler che caratterizzano l’architettura del processore

45 RISC VS CISC La vera differenza tra RISC e CISC è la filosofia di funzionamento. In una macchina RISC le uniche operazioni in grado di accedere alla memoria sono le operazioni di LOAD e di STORE, tutte le altre utilizzano solo i registri, mentre in una macchina CISC le operazioni possono accedere ai registri e alla memoria indifferentemente. Questo non è possibile direttamente, quindi una macchina CISC quando un'operazione richiede di accedere alla memoria il processore carica il dato lo salva temporaneamente in un registro (spesso nascosto) esegue le operazioni e poi salva il risultato in memoria. In sostanza: una macchina CISC mette in piedi un teatro illusorio per fornire al programmatore un ambiente comodo; una macchina RISC non fornisce questo teatro illusorio al programmatore dato che questo comunque non programma quasi mai in assembly e dato che queste operazioni nascoste in realtà rallentano il processore nell'eseguire le altre operazioni. Spesso le architetture RISC vengono definite anche architetture load/store per evidenziare la differenza fondamentale con le architetture CISC ed evitare fraintendimenti. MQ

46 STRUTTURA DI UNA MEMORIA CENTRALE
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47 Memoria cache Storicamente le CPU sono sempre state più veloci delle memorie. Man mano che sono migliorate le memorie sono migliorate anche le CPU e quindi si è mantenuta la differenza. Quando la CPU ha inviato una richiesta alla memoria, la parola che serve non arrivera’ se non dopo molti cicli di CPU. Più la memoria e’ lenta, più cicli dovrà aspettare la CPU. PERCHE NON COSTRUIRE MEMORIE VELOCI COME LA CPU? In effetti la tecnologia lo permette, ma esiste un problema: per poter essere veloci come le CPU, queste memorie dovrebbero trovarsi sullo stesso CHIP della CPU (perché la connessione via bus alla memoria è lenta). Tale soluzione inoltre farebbe aumentare il volume del chip (CPU + memorie) e ne farebbe aumentare anche il costo. La soluzione per tale problema e’ un compromesso che prevede la presenza di una piccola memoria veloce nello stesso CHIP che contiene la CPU e una o piu’ memorie lente all’esterno della CPU collegate tramite bus . MQ

48 Memoria cache I Questo tipo di memoria veloce si chiama cache (dal francese cacher che significa nascosto)  di transito tra RAM e CPU, che  velocizza gli accessi ai dati e alle istruzioni. Si tratta di una memoria ad alta velocita’ (alcuni nanosecondi) che puo’ rispondere alle richiesta di lettura oppure filtrare le richieste di scrittura verso la memoria centrale senza imporre stati di attesa al processore. Uno stato di attesa e’ un ciclo di clock durante il quale il processore sospende l’elaborazione e attende il completamento di una richiesta di lettura o scrittura sulla memoria. Pertanto  quando la CPU deve accedere ad un indirizzo di memoria, accede prima alla cache; nel caso in cui questo non sia presente nella cache si verifica un fallimento di accesso,  allora lo preleva dalla memoria centrale e lo ricopia nella memoria cache insieme ad un prefissato numero di locazioni contigue MQ

49 MEMORIA STATICA (LATCH SR)
Circuito sequenziale che ha la capacita’ di memorizzare un bit. S= SET R = RESET S=1 pone Q =1 R=1 pone Q=0 S R Previous Q Current Q Current Q' 0 (non cambia) 1 1 (non cambia) 0 (Restricted, Q and Q' would not be complements) MQ

50 ACCESSO IN MEMORIA Ta = Th*Ph + Tm*(1-Ph)
Ta : Tempo medio di accesso ad un dato in memoria Ta = Th*Ph + Tm*(1-Ph) Th = tempo di accesso ad un dato presente in cache Tm = tempo medio di accesso ad un dato non in cache (funzione della dimensione del blocco) Ph = probabilità di hit(successo) (funzione della dimensione del blocco e della politica di gestione) MQ

51 Memoria cache II Il successo di tale soluzione( Principio di localita’) dipende dal fatto che il più delle volte (tranne nei casi di salto) gli indirizzi di memoria successivamente generati durante l'esecuzione di un programma formano gruppi contigui. -La cache di primo livello o interna: garantisce un flusso continuo all’interno del processore; (La capacità tipica della cache di primo livello è di circa KB). - La cache di secondo livello o esterna che serve per superare la lentezza della memoria centrale (La capacità tipica della cache di secondo livello è di 128K- 2MB). Dimensioni tipiche in un PC-2002 Registri 16,32,64 bit Cache di primo livello 64 KB Cache 512 KB si secondo livello Ram  256MB HD  40GB La memoria cache e’ detta anche SRAM ( RAM STATICA). E’composta da un numero maggiore di transistor ed e’ quindi piu’ voluminosa (a parita’ di numero di byte) MQ

52 La memoria secondaria La memoria principale non può essere troppo grande a causa del suo costo elevato . Non consente la memorizzazione permanente dei dati (volatilità) Per questi motivi sono stati introdotti due tipi di memoria: Memoria principale veloce, volatile, di dimensioni relativamente piccole; Memoria secondaria, più lenta e meno costosa, con capacità di memorizzazione maggiore ed in grado di memorizzare i dati in modo permanente

53 La memoria secondaria La memoria secondaria viene utilizzata per mantenere tutti i programmi e tutti i dati che possono essere utilizzati dal computer La memoria secondaria viene anche detta memoria di massa Quando si vuole eseguire un certo programma, questo dovrà essere copiato dalla memoria di massa a quella principale (caricamento)

54 La memoria secondaria La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua realizzazione si utilizzano tecnologie basate sul magnetismo (dischi e nastri magnetici) o tecnologie basate sull'uso dei raggi laser (dischi ottici) Nel primo caso si sfrutta l’esistenza di sostanze che possono essere magnetizzate.

55 La memoria secondaria La magnetizzazione è permanente fino a quando non viene modificata per effetto di un agente esterno. I due diversi tipi di magnetizzazione corrispondono alle due unità fondamentali di informazione (bit). Le tecnologie dei dischi ottici sono completamente differenti e sono basate sull'uso di raggi laser. Il raggio laser è un particolare tipo di raggio luminoso estremamente focalizzato che può essere emesso in fasci di dimensioni molto ridotte.

56 Caratteristiche dei vari tipi di memoria secondaria
I supporti di memoria di massa sono molto più lenti rispetto alla memoria principale (presenza di dispositivi meccanici). Le memorie di massa hanno capacità di memorizzazione (dimensioni) molto maggiori di quelle delle tipiche memorie principali Il processore non può utilizzare direttamente la memoria di massa per l'elaborazione dei dati Il programma in esecuzione deve essere in memoria principale e quindi le informazioni devono essere trasferite dalla memoria secondaria a quella principale ogni volta che servono

57 Caratteristiche dei vari tipi di memoria secondaria
Nel caso della memoria principale si ha sempre l'accesso diretto ai dati, nel caso della memoria secondaria solo alcuni supporti consentono l'accesso diretto mentre altri supporti permettono solo l'accesso sequenziale. La memoria principale consente di indirizzare il singolo byte di informazione, nelle memorie di massa le informazioni sono organizzate in blocchi di dimensioni più grandi, di solito da 1 KByte in su.

58 I dischi magnetici I dischi magnetici sono i dispositivi di memoria secondaria più diffusi Sono dei supporti di plastica o vinile, su cui è depositato del materiale magnetizzabile 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 Entrambi i lati di un disco possono essere sfruttati per memorizzare le informazioni

59 I dischi magnetici I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e settori, ogni settore è una frazione di traccia. I settori suddividono ogni traccia in porzioni di circonferenza dette blocchi (o record fisici). Piu’ settori rappresentano un cluster.

60 I dischi magnetici La suddivisione della superficie di un disco in tracce e settori viene detta formattazione Il blocco (o il cluster) è dunque la minima unità indirizzabile in un disco magnetico e il suo indirizzo è dato da una coppia di numeri che rappresentano il numero della traccia e il numero del settore ( o del cluster). I dischi magnetici consentono l'accesso diretto in quanto è possibile posizionare direttamente la testina su un qualunque blocco senza dover leggere quelli precedenti

61 Struttura di un settore
preambolo dati dati ECC Codici correttori di errore : dati in più per accorgersi se la lettura è andata bene Permette alla testina di capire che sta iniziando un nuovo settore, fornisce il numero del cilindro, traccia,settore ,etc MQ

62 I dischi magnetici Per effettuare un'operazione di lettura (scrittura) su un blocco è necessario che la testina raggiunga l'indirizzo desiderato (cilindro,traccia,settore) Il tempo di accesso alle informazioni sul disco è dato dalla somma di tre tempi dovuti a: Tempo di posizionamento(seek time) : spostamento della testina in senso radiale fino a raggiungere il cilindro e quindi la traccia interessata (seek time); I valori di seek time variano in funzione della traccia di partenza e quella di destinazione; per questo motivo il costruttore dovrebbe fornire il tempo minimo e il tempo medio di posizionamento; I valori di seek time minimo e medio dipendono dalla qualita’ elettromeccanica del dispositivo . Esempio: Disco per portatili seek time minimo= 1,0 ms seek time medio = 9,5 ms Disco SCSI rpm seek time minimo = 0,3 ms seek time medio = 3,6 ms

63 I dischi magnetici (cont.)
Tempo di latenza :attesa che il settore desiderato si trovi a passare sotto la testina; tale tempo dipende dalla velocità di rotazione del disco: Latency time = Esiste anche un tempo di overhead del controller, ovvero il tempo che intercorre tra la richiesta al controller e l’inizio della esecuzione del comando da parte del controller. Questo tempo è di circa 0,2 millisecondi Per esempio: se un disco effettua giri al minuto, il suo tempo di latenza e’ = 60/(2*12000) secondi ovvero 2,5 millisecondi.

64 I dischi magnetici (cont.)
Tempo di trasmissione di un blocco: Il tempo necessario affinchè un blocco cercato transiti sotto la testina dipende dalla velocita’ di rotazione del disco, dalla densita’ di registrazione e dalla dimensione in byte del blocco: Esiste anche un tempo di overhead del controller, ovvero il tempo che intercorre tra la richiesta al controller e l’inizio della esecuzione del comando da parte del controller. Questo tempo è di circa 0,2 millisecondi

65 Transfer Time (cont.) Tempo di trasferimento : Se conosciamo il numero di byte ( b) da trasferire Il tempo necessario per il trasferimento e’: Dove T = tempo di trasferimento b = numero di byte da trasmettere N = numero di byte in una traccia r = numero di rotazioni al secondo Esiste anche un tempo di overhead del controller, ovvero il tempo che intercorre tra la richiesta al controller e l’inizio della esecuzione del comando da parte del controller. Questo tempo è di circa 0,2 millisecondi Esiste anche un tempo di overhead del controller, ovvero il tempo che intercorre tra la richiesta al controller e l’inizio della esecuzione del comando da parte del controller. Questo tempo è di circa 0,2 millisecondi e spesso si trascura nei calcoli.

66 I dischi magnetici (cont.)
Esempio Conoscendo la velocita’ di rotazione di un disco VRPM ( giri al minuto ) Conoscendo la quantita’ di byte per settore Bps Conoscendo il numero di settori in una traccia NSpt Calcolando il numero di byte per traccia NBpt Possiamo calcolare il tempo necessario per la lettura di X byte nell’ ipotesi che si trovino tutti su settori consecutivi e su tracce adiacenti. Conviene trasformare VRPM ( giri al minuto) in giri al secondo VRPs = (VRPM /60) Nel caso di VRPM = VRPs =10000/60  166 giri/sec Bps = 512 NSpt = NBpt X = 300K = byte otteniamo il valore di 12 ms (millisecondi) per leggere 300K byte Esiste anche un tempo di overhead del controller, ovvero il tempo che intercorre tra la richiesta al controller e l’inizio della esecuzione del comando da parte del controller. Questo tempo è di circa 0,2 millisecondi NOTA: trascuriamo, per semplificare, il tempo di passaggio da una traccia all’altra consecutiva.

67 I dischi magnetici (cont.)
Le testine dei dischi rigidi volano vicinissime alle superfici dei piatti ( altezza di volo  0,1 m dove 1 m = 10-6metri). [Un capello umano , per un raffronto ha un diametro di circa 100 m ] Sono generalmente racchiusi in contenitori sigillati in modo da evitare qualunque contatto con la polvere I dischi rigidi hanno capacità di memorizzazione elevata, ordine di decine di Gbyte Il tempo di accesso ad un disco è dell’ordine dei millisecondi (10-3sec).

68 Difficolta’ costruttive di un Hard Disk
L'altezza di volo della testina è strettamente connessa alla densità di registrazione: minore è la distanza, migliore è la possibilità di rilevare le variazioni di campo magnetico, maggiore è la densità possibile. MQ

69 Registrazione di un bit sul disco rigido
Fino al 2005 circa la memorizzazione di un bit veniva effettuata tramite un campo magnetico di intensità adeguata per poter allineare, in senso longitudinale, i domini magnetici del materiale magnetizzabile. Una nuova tecnica chiamata Perpendicular recording permette di magnetizzare il supporto di registrazione in senso perpendicolare. Questa tecnica è in grado di aumentare fino a dieci volte la capacità di memorizzazione di un hard disk. MQ

70 Memorie a stato solido(ssd)
SSD dal termine inglese Solid-State Drive Negli ultimi anni sono andate sempre più diffondendosi le memorie a stato solido o flash memory come supporto di memoria secondaria. Questo tipo di memoria è usato per implementare la memoria di massa nei dispositivi mobili, come gli smart phone e i tablet . Più di recente, le memorie flash vengono anche usate nei computer, ad integrazione (ed anche in sostituzione) del disco rigido. SSD=Solid-Dtate Drive MQ

71 Memorie a stato solido (..)
- Tecnicamente, sono particolari tipi di EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory): possono non solo essere lette, ma anche riscritte. Tuttavia, la riscrittura avviene a livello di interi blocchi di dati, ossia anche i dati non modificati del blocco vanno riscritti. - Sono memorie permanenti ma con una limitazione circa il numero di riscritture per blocco (attualmente si parla di riscritture ma tale valore tende ad aumentare grazie ai progressi tecnologici) - Prima di essere riscritto, il blocco deve essere cancellato (appunto con un processo di “flashing”, da cui il nome delle memorie). Questo rende le memorie flash più lente in scrittura che in lettura. MQ

72 Vantaggi per gli ssd I vantaggi di un SSD, nei confronti di un HDD sono: -Maggiore Velocità: Non c'è paragone, gli SSD risultano essere molto più veloci degli HDD. I tempi di accesso alle informazioni sono notevolmente minori e le velocità di lettura e scrittura passano da circa MB/s (HDD) a MB/s (SSD). In questa maniera i tempi di accensione di un computer e di avvio dei programmi si dimezzano, in molti casi i risultati sono anche migliori. -Silenziosità: Non avendo parti meccaniche gli SSD non generano affatto rumori. -Consumi: Consumano pochissimi Watt a differenza delle decine di Watt consumati dagli HDD. MQ

73 Vantaggi per gli ssd .. -Minore produzione di calore: Dovuta all'assenza di parti in movimento e al ridotto consumo elettrico. -Maggiore robustezza: Dovuta all'assenza di parti meccaniche. -Insensibilità alla frammentazione dei dati: Il tempo di accesso a un blocco di memoria è uguale ovunque esso sia, negli Hard Disk, invece, se i blocchi di uno stesso file sono distanti tra loro la testina impiega più tempo per raggiungerli. Per questo motivo è importante, quando si utilizza un SSD, disabilitare la deframmentazione che sarebbe inutile e inoltre dannosa perché sprecherebbe parecchi cicli di riscrittura (leggere gli svantaggi). MQ

74 SSD e HD Una memoria a Stato Solido UN hard disk classico MQ

75 Svantaggi per gli ssd -Costo maggiore: A parità di capienza un SSD costa molto più di un HDD, anche 10 volte di più. -Limite di scritture delle memorie flash: Le celle delle memorie Flash possono essere riscritte solo un numero limitato di volte, che va da a un 1 milione di cicli di scrittura, che comunque garantiscono decine di anni di vita con un utilizzo normale. L'utilizzo di nuovi materiali sta permettendo di aumentare notevolmente il numero di cicli di riscrittura a disposizione. MQ

76 DIFFERENZA TRA MEMORIA SECONDARIE E MEMORIE CENTRALI
Una memoria secondaria ha le seguenti caratteristiche fondamentali, che la differenziano dalla memoria centrale: Non volatilità: i dati memorizzati non vengono persi allo spegnimento del calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica e non elettronica Grande capacità :una unità di memoria secondaria ha capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale Bassi costi: il costo per bit di una memoria secondaria è minore (di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale MQ

77 DIFFERENZA TRA MEMORIA SECONDARIE E MEMORIE CENTRALI (2)
Altre caratteristiche delle memorie secondarie rispetto alle memorie centrali. Minore velocita’ di accesso. I tempi di accesso a una memoria secondaria sono maggiori (millisecondi ) rispetto alla memoria principale (nanosecondi). I dati di una memoria secondaria per essere acceduti dal processore devono comunque transitare nella memoria centrale MQ

78 I dischi magnetici-FLOPPY
I floppy disk (dischetti flessibili) sono supporti rimovibili non rigidi di materiale plastico e ricoperti da un piccolo strato di sostanza magnetizzabile. Hanno tempi di accesso di circa 500ms ( la testina tocca la superficie , questo crea problemi di surriscaldamento) Velocita’ di rotazione : circa 300 rpm ( tenere presente che i floppy sono soggetti a continue variazioni di velocita’ poiche’ si fermano quando la trasmissione dati finisce) I comuni floppy disk da 3.5" hanno capacità di memorizzazione di 1.4 Mbyte ( 80 tracce 18 settori per traccia su ogni faccia) settore=512 bytes

79 I dischi ottici I dischi ottici sono basati sull’uso di un raggio laser per le operazioni di lettura; Quasi tutte le unità per dischi ottici consentono solamente operazioni di lettura poiché la scrittura è un'operazione complicata, che richiede delle modifiche fisiche del disco. Quando le unità consentono la scrittura, i dischi ottici generalmente possono essere scritti una sola volta perché le modifiche fisiche che avvengono durante la fase di scrittura sono irreversibili

80 DISCO OTTICO MQ

81 I dischi ottici I dischi ottici vengono usati solitamente per la distribuzione dei programmi e come archivi di informazioni che non devono essere modificate; Le dimensioni tipiche per i dischi ottici utilizzati oggi vanno dai 500 MByte in su, fino a uno o più GByte I dischi ottici hanno costo inferiore e sono molto più affidabili e difficili da rovinare.

82 I dischi ottici (…continua)
Il dispositivo è costituito da un piatto rigido su cui viene proiettato un raggio laser la cui potenza (ordine dei milliwatt) dipende dal tipo di operazione effettuata (lettura, scrittura, cancellazione per riscrittura). La riflessione cambia quando si incontrano piccole depressioni nel substrato (PIT < 1m) rispetto alla superficie (LAND). ATTENZIONE! Non bisogna identificate il PIT con 0 e il LAND con Il valore digitale 1 viene associato ad una variazione tra PIT e LAND oppure tra LAND e PIT, mentre il valore 0 significa nessuna variazione. MQ

83 MQ

84 I dischi ottici (…continua)
Le possibili organizzazioni sono fondalmente due: CD (Compact Disc) L’informazione è memorizzata in un’unica traccia a spirale lungo la quale la densità di scrittura è costante (1,66/micron pari a 42 kbit/pollice), in questo modo la superficie è sfruttata al massimo. La distanza tra 2 giri successivi della spirale(track pitch) e’ di 1,6 micron. Il disco ruota a velocita’ lineare costante (CLV). A seconda della posizione dei dati da leggere la velocita’ di rotazione varia da 200 a 500 giri al minuto (1x velocita’ di base ,2 m/s).Tale velocita’ e’ determinata dal bit rate necessario per la riproduzione dei brani musicali (~150KB/sec). Ma per applicazioni digitali tale velocita’ risulta troppo bassa. Sono presenti ormai da molti anni dispositivi con velocita’ multipla indicati con 2X, 4X,.. 30X..40X.. MQ

85 I dischi ottici CAV (…continua)
Il disco ruota a velocita’ angolare costante CAV(Constant Angular Velocity ) La superficie del disco e’ suddivisa in settori , separati tra loro da gap Il numero di bit per settore è costante, quindi la densita’ di scrittura e’ maggiore in corrispondenza del centro del disco. Naturalmente la superficie esterna risulta sotto utilizzata. MQ

86 I CD-Recordable Sono CD registrabili solo una volta. Due strati di policarbonato racchiudono un sottilissimo foglio dorato ricoperto di pittura traslucida che si comporta come la parte LAND dei CD. La registrazione consiste nel bruciare punti nello strato di pittura. E’ possibile effettuare registrazioni in piu’ sessioni, anche se le sessioni sono separate da spazi detti GAP, che sprecano tuttavia una grande quantita’ di spazio. MQ

87 I CD-RW (rewritable) Sono CD cancellabili e riscrivibili. Usano la tecnologia del phase change( con potenze laser differenti 8 o 18 milliwatt si trasforma una zona da cristallina ad amorfa e viceversa). La lettura avviene proiettando un raggio laser di bassa potenza che viene riflesso in modo diverso a seconda che il punto si trovi in uno stato cristallino o amorfo. MQ

88 DVD DVD (Digital Versatile Disk) o (Digital Video Disk)
Capacità attuale di ~5GB I PIT sono piu’ piccoli ( 0.4m) Possono essere a due strati e a due facce. DVD-R scrivibili solo una volta DVD-RAM leggibili e scrivibili ( hanno bisogno di un supporto in cui sono inseriti) Possono impiegare dispositivi sia CAV che CLV MQ

89 IL DISPOSITIVO DVD the CD laser and the DVD laser are different. The light from a DVD laser has a wavelength of 640 nanometers where the light from a CD laser is 780 nanometers. The smaller DVD laser wavelength allows it to focus on the smaller pits in the DVD disk. Thus, accounting for the increase in storage capacity. MQ

90 confronto DVD E CD-ROM DVD CD Diametro del disco 120 mm 120 mm
Spessore del disco mm (0.6 mm x 2) mm Numero di superfici or Numero di strati or Dimensione min.piazzole micron micron Larghezza traccia micron micron Vel. media di trasf Mbyte/sec Mbyte/sec Capacità (1 strato,1 sup.) 5 Gbyte Gbyte Capacità (2 strati, 2 sup.) 17 Gbyte Laser wavelength nanometri nanometri MQ

91 Prestazioni memoria Tipo Dimensioni Tempo MB/sec
Registro < 1KB < 0,5ns ~ Cache < 2MB < 10ns 5000 ~ RAM < 4GB < 50ns 1000 ~ 5000 EEprom G GB < 100ns ~ 1000 Dischi > 50GB < 10ms 20 ~ 80 Nastri >10GB ~ 100ms ~ 1 MQ

92 DISPOSITIVI DI I/O MQ

93 I dispositivi di I/O I dispositivi di I/O rappresentano l’interfaccia del calcolatore verso l’ambiente esterno Possiamo classificare i dispositivi esterni in tre grandi categorie: 1) DISPOSIT. DECIFRABILI DALL’UOMO: adatti alla comunicazione con l’utente del calcolatore (es: terminali e stampanti) 2) DISPOSIT. DECIFRABILI DALLA MACCHINA: : adatti alla comunicazione con le apparecchiature (es: dischi, nastri, sensori, attuatori etc..) 3) DISPOSITIVI DI COMUNICAZIONE: adatti alla comunicazione con i dispositivi remoti. (es. schede di rete, disp wireless, infrarossi etc..) Anche la memoria secondaria viene considerata come un dispositivo di I/O. Da un punto di vista funzionale i dischi fanno parte della gerarchia di memoria, ma da un punto di vista strutturale sono controllati da moduli di Input/Output. Ogni periferica è costituita da 3 componenti: 1 - Una componente visibile, il dispositivo in senso lato detto device 2 - Una componente elettronica di controllo chiamato device controller 3 - Una componente software device driver MQ

94 Funzioni del modulo I/O
Controllo & Temporizzazione Comunicazione con CPU Comunicazione con i dispositivi Buffering dei dati Rilevazione degli errori MQ

95 Passi di I/O (versione semplificata)
• CPU interroga il modulo I/O sullo stato del dispositivo connesso • Il modulo I/O restituisce lo stato del dispositivo • Se dispositivo pronto a trasmettere, CPU richiede il trasferimento dei dati, tramite comando a modulo I/O Il modulo I/O ottiene una unità di dati dal dispositivo esterno Il modulo I/O trasferisce i dati alla CPU MQ

96 MODULO DI I/O MQ

97 Il CONTROLLER Riceve gli ordini dal microprocessore e li impartisce al dispositivo fisico; Risiede su un circuito stampato ed è solitamente esterno all’unità periferica ed all’interno dello chassis; Il collegamento tra il controller e la periferica avviene attraverso opportuni connettori. MQ

98 Il device driver della periferica
• Componente sw necessaria per la gestione della periferica • Ogni periferica ha un proprio driver che viene consegnato su un disco all’atto dell’acquisto della periferica • Prima di utilizzare la periferica è necessario installare il driver corrispondente MQ

99 Porte Le periferiche sono collegate fisicamente al computer attraverso opportune prese (porte). La modalità di collegamento può essere seriale (trasferito un bit alla volta) oppure parallela (trasferito più di un bit alla volta). MQ

100 Porte tipi • Seriale: serve per il modem o alcuni tipi
di stampanti che non richiedono una elevata velocità di trasmissione. I cavi possono avere lunghezza anche di 300 m. • Parallela: per stampanti e alcuni dispositivi di memoria di massa. La lunghezza massima consentita ai cavi è di 30 m MQ

101 Porte tipi SCSI (Small Computer Standard Interface)
Permettono di collegare più componenti alla stessa porta Garantiscono una elevata velocità di trasmissione Utilizzate per disco fisso, lettore CD-ROM, scanner. USB (Universal Serial Bus, a modalità di trasmissione seriale) Trasmissione molto più veloce rispetto alla seriale (RS232) Utilizzano cavi sottili facilitando così i collegamenti. Permettono il collegamento in serie di dispositivi diversi (fino a 127 dispositivi) Distribuiscono la corrente (per dispositivi a basso consumo ) Permettono di aggiungere e rimuovere dispositivi a computer acceso (hot plugging) MQ

102 Porte tipi Firewire Hanno le stesse caratteristiche di base delle USB
Sono però più affidabili delle USB1 e usb2, ma anche più costose Collegamento a raggi infrarossi. Lo scambio di dati avviene in assenza di fili (wireless) attraverso un raggio infrarosso emesso dall’unità La traiettoria del raggio è una retta e quindi le porte dei dispositivi devono essere perfettamente allineate. Il raggio infrarosso non può essere interrotto, quindi non ci devono essere ostacoli tra le due porte. MQ

103 PORTE Collegamento radio (wireless)
Lo scambio di dati avviene in assenza di fili (wireless) attraverso onde radio emesse dall’unità La traiettoria delle onde è a 360°, quindi le porte wireless dei dispositivi non devono necessariamente essere allineate. MQ

104 I dispositivi di input/output
Una caratteristica comune a tutti i dispositivi di I/O è quella di operare in modo asincrono rispetto al processore Consideriamo una tastiera che produce dei dati di input. Il processore non è in grado di prevedere e di controllare il momento in cui un dato di input sarà a disposizione Allo stesso modo, il processore non può prevedere il momento in cui un dispositivo in output avrà terminato di produrre i dati in uscita Sono pertanto necessarie delle forme di sincronizzazione tra i dispositivi e il processore

105 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 Le operazioni di sincronizzazione delle attività sono fondamentali nell'interazione tra il processore e i dispositivi I dispositivi che hanno terminato un'operazione inviano al processore un segnale, detto interrupt, per richiedere l'attenzione del processore stesso

106 I dispositivi di input/output
Ad ogni ciclo di clock, l'unità di controllo, prima di iniziare l'esecuzione della prossima istruzione del programma in corso, verifica se è arrivato un segnale di interrupt da parte di qualche dispositivo Se non c'è nessun segnale di interrupt il processore prosegue normalmente, altrimenti puo’ decidere di sospendere l'esecuzione del programma attivo ed eseguire le operazioni richieste dal dispositivo ( interrupt routine)

107 I dispositivi di input/output:
Il terminale è il più comune strumento di interazione tra l'uomo e la macchina È costituito da due dispositivi indipendenti: uno di input, la tastiera, e uno di output, il video La tastiera è il principale dispositivo di input nei moderni sistemi di elaborazione I tasti possono essere così raggruppati : tasti alfanumerici; tasti speciali (il tasto ENTER, il tasto BACK SPACE, il tasto LINE FEED ecc.); frecce direzionali; tasti funzione

108 I dispositivi di input/output: tastiera
La tastiera non ha capacità di elaborazione, l'unica cosa che è in grado di fare è di avvertire il processore ogni volta che un carattere è disponibile in ingresso; Si tratta quindi di un dispositivo di ingresso a carattere; È compito del sistema quello di prelevare il carattere, depositarlo in una memoria temporanea ed infine, al termine dell'immissione, passare i dati di input raccolti nella memoria temporanea al programma cui erano destinati

109 LA TASTIERA MQ

110 I dispositivi di input/output: tastiera
La tastiera è un dispositivo di input cieco, nel senso che l'utente non può vedere i dati immessi nel calcolatore Per questa ragione la tastiera è utilizzata insieme ad un dispositivo di output su cui vengono visualizzate le informazioni fornite tramite tastiera La tastiera e il video non sono direttamente collegati tra loro: è compito del processore riprodurre sul video tutte le informazioni fornite in input tramite la tastiera

111 I dispositivi di input/output: il terminale
Dal punto di vista fisico, un video può essere visto come una matrice di punti illuminati con diversa intensità Ogni punto sullo schermo prende il nome di pixel e un'immagine viene quindi composta accendendo o spegnendo i pixel sullo schermo Ci sono video in bianco e nero o a colori e inoltre si deve distinguere tra video a carattere, e video grafici

112 I dispositivi di input/output: il terminale
Oggi sono comuni video con un numero di colori che vanno da 256 (8 bit) fino a 16 milioni(24 bit). Esistono video a diversi livelli di risoluzione, cioè con diverse densità di pixel; nei personal sono oggi comuni video con risoluzioni che vanno da 640X480 fino a 4096X3300 pixel (altissima risoluzione) La dimensione di un video viene misurata in pollici e fa riferimento alla lunghezza della diagonale Ad esempio, quando si parla di un video a 14 pollici, indicati come 14", si intende un video con una diagonale lunga 14 pollici (1 pollice vale circa 2,54 cm )

113 I dispositivi di input/output: il mouse
Oggi quasi tutti i computer hanno un dispositivo di puntamento detto mouse . Benche’ i mouse si possano organizzare in vari modi, quello più diffuso è un dispositivo che invia 3 byte ( a volte 6) al calcolatore ogni volta che si sposta di una distanza minima ( per esempio 0,01 pollici detta michey) . Il primo byte consiste in un numero che definisce di quante unita’ il mouse si e’ spostato nella direzione dell’asse x negli ultimi 100 millisecondi; il secondo byte e’ la stessa informazione per lo spostamento y; il terzo byte contiene informazioni sullo stato dei pulsanti del mouse. Il software di controllo (device driver) sovrintende alla comunicazione con l’unita’ centrale.

114 Mouse Ottico La microcamera in un mouse ottico che ha il compito di "fotografare" la superficie sottostante piu’ di 1500 volte al secondo. In questo tipo di Mouse non c'è praticamente nessuno dei componenti del mouse elettromeccanico, e tutto il lavoro viene svolto da una luce a infrarossi che viene emessa e che rimbalzando sulla superficie di appoggio del mouse viene catturata da un sensore. Il sensore invia i dati ad un DSP ( Digital Signal Processor ) che costruisce l'immagine della superficie sottostante. Compiendo questa operazione migliaia di volte al secondo (più di 1500!), il DPS riesce a capire mediante il confronto delle immagine inviate dal sensore i movimenti fatti e ad inviare le relative coordinate al PC.

115 I dispositivi di input/output: le stampanti
La stampante è un dispositivo di output che consente la stampa su carta delle informazioni La velocità di stampa, che viene solitamente misurata in linee al minuto o in caratteri al secondo, e la risoluzione (qualità) di stampa, che indica quanto precisa è la riproduzione dei simboli, sono parametri in base ai quali si valutano le prestazioni di una stampante

116 I dispositivi di input/output: le stampanti
Esistono diversi tipi di stampanti; i più comuni sono: Stampanti a margherita o a testina rotante Stampanti a catena ( in disuso) Stampanti ad aghi Stampanti a getto di inchiostro. Stampanti laser

117 FUNZIONAMENTO DI UNA STAMPANTE LASER
Il tamburo viene caricato elettricamente (circa 1000V) Una luce laser riflessa su uno specchietto rotante viene fatta scorrere su tutta la lunghezza del tamburo. Il raggio di luce viene modulato per produrre una configurazione di punti chiari e scuri. I punti colpiti dal raggio perdono la loro carica elettrica. Dopo aver eseguito la scansione su una riga il tamburo ruota di una frazione di grado per poter esporre la linea seguente . Infine la prima riga di punti raggiunge il toner. Il toner viene attirato dai puntini che sono ancora carichi e così si forma un’immagine della riga. Un po’ più avanti nel percorso, il tamburo ricoperto di toner viene premuto contro il foglio di carta e ne trasferisce il toner. La carta viene poi fatta passare attraverso dei rulli riscaldati che fissano permanentemente il toner sulla carta. Più avanti nella rotazione, il rullo viene scaricato e ripulito di eventuali residui. MQ

118 BUS UN BUS E’ UN CANALE DI COMUNICAZIONE CONDIVISO FRA PIU’ PERIFERICHE I COMPONENTI DI UN COMPUTER (CPU, memorie, dispositivi di I/O) COMUNICANO TRA LORO MEDIANTE UNO O PIU’ BUS. LE PRESTAZIONI DEI BUS INFLUENZANO IN MANIERA DETERMINANTE LE PRESTAZIONI DEL SISTEMA. Protocolli, interfaccia( in nota) BUS = Un insieme di segnali conforme a determinati standard che definiscono le connessioni fisiche e i connettori. INTERFACCIA: e’ un modulo hardware che codifica i dati digitali in forma elettrica o, talvolta, ottica, e anch’essa conforme a standard che ne definiscono caratteristiche fisiche elettriche e funzionali. Un PROTOCOLLO: e’ una descizione di piu’ alto livello, di come il software( o il firmware) deve trattare i dati dell’interfaccia. MQ

119 GRANDEZZE caratteristiche di un BUS
LARGHEZZA: Numero di bit del bus dati ( ex: ISA 16 bit ; PCI 32/64 bit) VELOCITA’: Frequenza di lavoro del bus Numero di byte per ciclo di clock TRANSFER RATE: Numero di byte trasmessi sul bus in MB/sec (esempio Bus PCI a 32 bit a 66MHz e’ in grado di reggere trasferimenti pari a 264 MB/sec. MQ

120 BUS VANTAGGI VERSATILITA’: COSTI CONTENUTI:
Nuovi dispositivi possono essere aggiunti facilmente Le periferiche possono essere spostate facilmente da un computer a un altro se utilizzano lo stesso tipo di BUS COSTI CONTENUTI: Un singolo insieme di “fili” viene usato per collegare piu’ periferiche Numero di byte per ciclo di clock Possibilita’ di realizzare dispositivi compatti Si riduce drasticamente la complessita’ della rete di interconnessione tra periferiche. MQ

121 BUS SVANTAGGI Possono diventare il collo di bottiglia delle comunicazioni ( La banda di un bus limita i trasferimenti di INPUT/OUTPUT) La velocita’ massima e’ limitata da: La lunghezza del Bus Il numero di dispositivi sul Bus La necessita’ di poter gestire dispositivi con prestazioni e velocita’ di trasferimento fra loro diverse( ex: dischi veloci, lettori CD, scheda video etc.) MQ

122 GERARCHIA DEI BUS I Bus di un computer sono organizzati gerarchicamente come la memoria In un Personal computer troviamo: Processor Bus Cache Bus Memory Bus Local I/O Bus Bus di espansione MQ

123 MQ

124 I BUS PIU’ DIFFUSI ISA = Industry Standard Architecture | USB = Universal Serial Bus | IDE= Integrated Device Electronics EISA = Extended ISA | VESA = Video Electronics Standards Association PCI = Peripheral component interconnect | SCSI= Small Computer Standard Interface AGP= Accelerated Graphics Port | PCMCIA = Personal Computer Memory Card International Association MQ

125 ARCHITETTURA DI UN PC MODERNO
MQ

126 BUS SINCRONI E ASINCRONI (NOTA
I Bus sincroni prevedono una linea che trasporta il segnale di sincronismo (clock). Il segnale e’ costituito da un’onda quadra con frequenza che va da pochi MHz ad alcune decine . Tutte le attivita’ del bus avvengono in un numero intero di cicli e tutti i dispositivi connessi al bus operano in un numero intero di cicli, anche se certe attivita’ possono richiedere solo frazioni di ciclo. Questi tipi di bus sono tecnologicamente piu’ semplici, dal punto di vista costruttivo, rispetto a quelli asincroni, ma hanno la limitazione legata al fatto che tutti i dispositivi sono legati al rispetto della durata prevista per i cicli. Cio’ nonostante, i bus piu’ diffusi tra i PC ed i Macintosh sono di questo tipo TRASMISSIONE SINCRONA: Se l’unita’ A1 stabilisce in un certo istante la fine dell’operazione richiesta all’unita’ A2, l’operazione si dice SINCRONA TRASMISSIONE SINCRONA: Se l’unita’ A1 stabilisce in un certo istante la fine dell’operazione richiesta all’unita’ A2, l’operazione si dice SINCRONA MQ

127 BUS SINCRONI e ASINCRONI(NOTA)
I Bus asincroni non prevedono un clock e i cicli possono essere di lunghezza arbitraria e diversa tra dispositivi diversi. Questi tipi di bus, a costo di una maggiore complessita’ progettuale, ovviano al problema del vincolo della velocita’ di ciascun dispositivo alla frequenza di temporarizzazione del bus. Tutte le attivita’ del bus asincrono si svolgono tramite segnali tra la parte richiedente (MASTER) e la parte servente (SLAVE), senza dipendere dal ritmo imposto da qualche dispositivo di riferimento. Se l’unita’ A1 deve fornire informazioni all’unita’ A2, nel caso in cui quest’ultima(A2) segnala alla precedente (A1) la fine della operazione, allora si dira’ che l’operazione si e’ svolta in maniera ASINCRONA Se l’unita’ A1 deve fornire informazioni all’unita’ A2, nel caso in cui quest’ultima(A2) segnala alla precedente (A1) la fine della operazione, allora si dira’ che l’operazione si e’ svolta in maniera ASINCRONA MQ

128 MQ

129 GERARCHIA DELLE MEMORIE
MQ

130 MQ

131 Sommario memorie CD-ROM 650 MB 10 ms ca No CD-RW DVD 17 GB 10 ms ca No
(Digital Versatile Disc) MQ

132 MQ

133 MQ

134 ESERCIZIO MQ

135 PRESTAZIONI Il processore • Dati 2 processori con lo stesso linguaggio
macchina, risulterà più veloce quello con frequenza di clock maggiore • Non è possibile dire nulla su processori con linguaggi macchina diversi come ad esempio Pentium e PowerPC MQ

136 PRESTAZIONI Esempio • 2 calcolatori A e B, il clock di A è 500MHz, quello di B 400MHz. Il linguaggio macchina di A richiede che A esegua 10 operazioni elementari per ogni istruzione, quello di B, 6 operazioni elementari per ogni istruzione. Supponiamo che entrambi debbano eseguire un programma di 100M istruzioni di linguaggio macchina. A impiegherà 2s B impiegherà 1,5s Caso A(500Mhz) 10^8 istruzioni corrispondono a 10^8*10 = 10^9 op.elem = 2sec Caso B(400Mhz) 10^8 istruzioni corrispondono a 10^8*6 op.elem = 6/4 sec = 1,5sec La frequenza di clock non è quindi un indice assoluto per quanto riguarda la bontà di un microprocessore. MQ


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