L’Architettura del Sistema di Elaborazione L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Modello di Von Neumann (Parte 2)

Argomenti trattati Funzionamento della macchina di Von Neumann Esecuzione di un programma Ciclo fondamentale della CPU Dispositivi di I/O Periferiche principali Interfacce e porte di comunicazione L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Esecuzione di un programma Le istruzioni vengono eseguite una alla volta secondo l'ordine specificato nel programma Quando si incontra un’istruzione di controllo, si altera il flusso sequenziale stabilendo il numero d’ordine della successiva istruzione da eseguire L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Ciclo fondamentale della CPU L'unità centrale di elaborazione accede alle informazioni contenute nella memoria centrale: estrae le istruzioni del programma eseguibile a partire da quella il cui indirizzo si trova nel registro contatore di programma (PC) le decodifica le esegue Le tre fasi che vengono ripetute per ogni istruzione fino a quando viene eseguita l'istruzione halt sono dette di fetch, decode ed execute L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Ciclo fondamentale della CPU PC ¬ 1° istruzione MAR ¬ PC MDR ¬ Mem[MAR] fetch IR ¬ MDR PC ¬ PC+1 decode DECODE execute HALT ? EXEC no si L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Ciclo fondamentale della CPU Acquisizione dell’istruzione (fetch) quattro sottopassi (micro operazioni) 0010 0000 0001 0000 PC 00 0000 0000 MAR 00 0000 0000 MDR 0010 0000 0001 0000 IR 0010 0000 0001 0000 Memoria centrale Interpretazione o decodifica (decode) Incremento del PC Codice operativo (leggi) L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Ciclo fondamentale della CPU Esecuzione (execute): un numero variabile di micro operazioni sequenze molto diverse Indirizzo dell’operando Valore letto dalla periferica R2 IR 0010 0000 0001 0000 0010 0000 0001 1111 MAR 00 0001 0000 0010 0000 0001 1111 MDR 16 0010 0000 0001 1111 Memoria centrale L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Funzionamento della macchina di Von Neumann Il modello della Macchina di Von Neumann anche se ha ormai quasi cinquanta anni di vita è tuttora adottato dalla maggior parte degli elaboratori Caratteristiche della Macchina di Von Neumann: il programma è registrato in memoria (stored program computer) insieme ai dati Il programma è considerato dall'esecutore a sua volta come se fosse un dato Il suo principale limite è che tutte le operazioni vengono eseguite in stretta sequenza Modelli più evoluti prevedono di introdurre varie forme di parallelismo L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Elementi del modello di Von Neumann: Dispositivi di I/O Memoria Centrale L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Elementi del modello di Von Neumann: Dispositivi di I/O I dispositivi di input/output permettono la comunicazione e quindi il trasferimento dei dati tra calcolatore e unità periferiche e viceversa Le unità periferiche principali sono: le unità di memoria secondaria o di massa tastiera, mouse, video e stampante i lettori magnetici e ottici i plotter … Le unità periferiche vere e proprie, anche se sono componenti essenziali di un sistema informatico, non fanno parte della macchina di Von Neumann L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Memoria secondaria 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, es. 100 GB) 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 L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Memoria secondaria Collabora per aumentare la capacità della memoria primaria (swap sul disco) Una memoria secondaria è solitamente formata da uno o più hard disk (dispositivi magnetici) Parametri caratteristici di un hard disk: Velocità di rotazione = 1200 – 10000 rpm (rotations per minute) Tempo di accesso = 5 – 200 ms Velocità di trasferimento = 1 – 15 Mbps per testina Capacità = 10 – 50 GB L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Hard Disk L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Approfondimenti: Controller dell’Hard Disk Dispositivi che si occupano della corretta gestione dell’hard disk (indirizzamento, ricerca, lettura e scrittura). La CPU è liberata da questi compiti ed emette solo dei comandi verso questi dispositivi: EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics): Offre buone prestazioni (dischi fino a 7200 rpm) Supporta DMA (Direct Memory Access) Consente anche collegamento CDROM, DVD, Masterizzatori, … SCSI (Small Computer System Interface): Offre ottime prestazioni (dischi 10000 rpm) Velocità 80-160 MBps Attività parallela e gestione dischi RAID Costo elevato Consente anche collegamento di molti altri dispositivi sia interni che esterni L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Memoria di archiviazione Serve per memorizzare in modo permanente i programmi e i dati (backup, scambio con altre persone, acquisto/vendita programmi, ecc…) Consente operazioni di lettura e scrittura Alcuni tipi: Floppy 1.44 MB (per i dati) CDROM 700 MB (per i programmi / dati) Nastro 4 GB (per il backup dei dati) DVD 4,5 GB (contenuti multimediali) L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Monitor CRT (tubo a raggi catodici) o LCD (display a cristalli liquidi) Alcune definzioni: PIXEL (picture element) un singolo puntino dello schermo PIXMAP o BITMAP l’insieme dei pixel (disposti in righe e colonne) Risoluzione quantità di pixel presenti su uno schermo (640x480, 1024x768, 1600x1280, …) Dot pitch spazio tra i singoli pixel (0.28 mm) Frequenza di refresh frequenza con cui viene rinnovata l’immagine sullo schermo (50 Hz, 75 Hz, 100 Hz) Bit plane numero di bit che sono assegnati ad ogni pixel (es 8 per 256 colori, 24 per 16 milioni di colori, …) Nei moderni PC, il compito di gestire l’immagine sullo schermo e’ della scheda grafica. La scheda possiede una piccola unità di elaborazione che esegue un programma (driver della scheda grafica). La scheda grafica: garantisce un corretto refresh dell’immagine controlla l’uso della memoria dello schermo (frame buffer) su cui la CPU “scrive” le informazioni consente diverse modalità di funzionamento a diverse risoluzioni e con diversi piani colore può avere hardware dedicato per visualizzare grafici 3D (schede OpenGL o DirectX) con alte prestazioni L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Stampanti Sono dispositivi che permettono di trascrivere i risultati delle elaborazioni su un supporto cartaceo Alcune definizioni: Dot un singolo puntino di stampa (simile al pixel) DPI (Dots Per Inch) numero di dot che possono essere stampati in un pollice (2.54 cm) CPS (Characters Per Second) numero di caratteri alfanumerici che possono essere stampati in un secondo PPM (Pages Per Minute) numero di pagine che possono essere stampati in un minuto Stampanti ad aghi: PREGI Versatili, consentono stampe su moduli vari (anche carta carbone). Velocità da160 a 500 cps, risoluzione fino a 300 dpi. DIFETTI Qualità di stampa mediocre, rumorose, stampe solo B/W, sostituzione frequente del nastro Stampanti a getto di inchiostro: Buona qualità di stampa (sia a colori che in B/W), risoluzione fino a 720 dpi, velocità 300 cps, economicità. Gli stampati si deteriorano velocemente, le testine si otturano facilmente, resa del nero non buona (sistema CMY), no CC. Stampanti laser: Ottima qualità di stampa (B/W), molto veloci (4-12 ppm), risoluzione da 300 dpi a 1200 dpi, consentono grafica vettoriale, silenziose. Costose, no moduli continui, meno affidabili, le stampanti a colori non hanno una buona resa. Stampanti a trasferimento termico: Elevatissima qualità di stampa (sia a colori che in B/W), risoluzione quasi fotografica, silenziose. Costosissime, uso di fogli speciali (tipo carta fotografica) costosi, lente (0.1-0.2 ppm), no moduli continui, no CC L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)

Interfacce e porte di comunicazione Un’interfaccia è un componente hardware che serve a collegare fra loro i componenti di un sistema informatico Una porta di comunicazione è un’interfaccia tra il computer ed il mondo esterno L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 2)