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

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

I programmi I programmi: sequenze di istruzioni per l’elaborazione delle informazione Istruzioni macchina operazioni elementari (somma dei numeri, confronta due numeri, leggi/scrivi dalla memoria, ecc.) Le operazione più complesse: sequenze di operazioni elementari Una sequenza di tali istruzioni: un programma in linguaggio macchina Il processore: esegue programmi in linguaggio macchina

Componenti principali di un computer Processore Memoria principale Unità centrale 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

Componenti del processore Il bus permette la comunicazione tra i vari componenti dell’elaboratore I registri sono usate per mantenere le informazioni di necessità immediata per il processore L’Unità di controllo: Esegue le istruzioni dei programmi Coordina le attività del processore Controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la memoria L’Unità aritmetico logica si occupa di eseguire le operazioni di tipo aritmetico/logico Somme, sottrazioni, …, confronti, …

Clock Abbiamo visto che il processore svolga la sua attività in modo ciclico Ad ogni ciclo corrisponde l’esecuzione di un’operazione elementare (un’istruzione macchina) Il clock fornisce una cadenza temporale per l’esecuzione delle operazioni elementari

Clock Consideriamo una ipotesi semplificata in cui ogni battito di clock corrisponde esattamente l’esecuzione di una sola istruzione macchina La frequenza del clock indica il numero di operazioni elementari che vengono eseguite nell’unità di tempo Per tutti i computer del tipo PC, il clock ha circa 66 milione battiti per secondo Nell’ipotesi simplificata: un PC può eseguire circa 66 milione operazioni per secondo

Clock In realtà, questa ipotesi non è sempre vero L’esecuzione di una istruzione può richiedere più battiti di clock Oppure nello stesso ciclo di clock si possono eseguire di istruzioni diverse Depende dal tipo di processore Per esempio: Il processore Intel 80286 rechiede 20 battiti del clock per calcolare la moltiplicazione di due numeri Il processore Intel 80486 può calcolare la moltiplicazione di due numeri usando solo un battito del clock

Clock La frequenza si misura in: MHz (1 MHz corrisponde circa a un milione di istruzioni elementari/battiti al secondo) GHz (1 GHz corrisponde circa a un miliardo di istruzioni elemntari/battiti al secondo) Per esempio: se aquisate un calcolatore e vi dicono che ha un processore a 1 GHz Vuol dire che il processore è in grado di eseguire (circa) 1 miliardo di istruzioni al secondo

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

Componenti principali di un computer Processore Memoria principale Unità centrale 1 2 3 4 5 N Sequenza di celle Ad ogni cella è associato un indirizzo (un numero progressivo a partire da 0) Conserva i programmi e i dati usati dal processore

Memoria principale (RAM) Perchè si chiama RAM (Random Access Memory)? È possibile effettuare l’accesso diretto (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 indica proprio il fatto che non vi sono differenze nell’accesso alle varie celle della memoria

Memoria principale (RAM) 345 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 un’istruzione 1 13.200.985 2 3.890 LOAD 3568 R1 3 LOAD 56 R1 4 5 ADD R1 R2 N

Memoria principale (RAM) Le unità di misura della memoria RAM variano a seconda del tipo di calcolatore e vengono espresse in MB Nei PC generalmente si va dai 128MB ai 512MB Alcune server hanno 1-2 GB di RAM

Memoria principale (RAM) Alcune proprietà della memoria principale Veloce: per leggere/scrivere una cella ci vuole un tempo di accesso dell’ordine di poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = 10-9 sec.) Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo l’alimentazione si perde tutto Costosa

L’Unità centrale: altri tipi di memoria Memoria di sola lettura (ROM) Memoria cache Buffer

Memoria di sola lettura (ROM) Non può essere modificata A differenza della RAM non è volatile Veloce quasi come la RAM Contiene le informazioni di inizializzazione usate ogni volta che si accende l’elaboratore (bootstrap)

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)

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

Buffer Piccole parti di RAM con funzioni di memoria temporanea Usati per il passaggio delle informazioni da un programma o dispositivo ad un altro In Windows si parla di Clipboard, memoria temporanea usata per esempio per le operazioni di Copia e Incolla

Componenti principali di un computer Cache L2 ROM Processore Cache L1 Memoria principale Buffer

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

L’uso dell’informazione Un computer deve: memorizzare l’informazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria elaborare l’informazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) fare l’input/output dell’informazione usando i dispositivi di input/output

L’uso dell’informazione Un computer deve: memorizzare l’informazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria elaborare l’informazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) fare l’input/output dell’informazione usando i dispositivi di input/output

Memoria secondaria Più lenta e meno costosa che la memoria principale In grado di memorizzare i programmi e i dati in modo permanente Quando si “lancia” un programma questo viene copiato dalla memoria secondaria (di solito un hard disk) nella memoria principale: caricamento del programma

Caricamento del programma I programmi e i dati risiedono nel memoria secondaria Processore Memoria principale Stampante Memoria secondaria

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 Processore Memoria principale Stampante Memoria secondaria

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 Memoria principale Stampante Memoria secondaria

Memoria secondaria La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua si utilizzano tecnologie basate: sul magnetismo dischi magnetici (hard disk e floppy disk) nastri magnetici sull’uso dei raggi laser dischi ottici (CD-ROM, DVD)

Caratteristiche della memoria secondaria 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) Non tutti i supporti di memoria secondaria permettono l’accesso diretto ai dati Alcuni permettono solo un acesso sequenziale (per esempio, nastri magnetici)

Caratteristiche della memoria secondaria La memoria principale permette di indirizzare ogni singolo byte 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

La memoria magnetica Sfrutta il fenomeno fisico della polarizzazione 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

I dischi magnetici Sono i supporti di memoria secondaria 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

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 Traccia Blocco Testina Settore

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

I dischi magnetici I dischi magnetici consentono l’accesso diretto È possibile posizionare direttamente la testina su un qualunque blocco Per effettuare un’operazione di lettura/scrittura la testina deve “raggiungere” il blocco desiderato Il disco gira; la testina sposta solo in senso radiale

I dischi magnetici Hard disk: sono dei dischi che vengono utilizzati come supporto di memoria secondaria fisso all’interno del computer vari GB di memoria Floppy disk: sono supporti rimovibili Ogni computer è dotato di almeno una unità di lettura/scrittura Oggi sono comuni floppy disk da 3,5 pollici di diametro, capacità 1,44 MB

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 L’informazione viene letta guardando la riflessione del raggio laser

La memoria ottica 1 1 1 1

La memoria ottica 1 1

I dischi ottici Quasi tutte le unità per dischi ottici consentono solamente operazioni di lettura (CD-ROM ovvero Compact Disk Read Only Memory) Poiché la scrittura è un’operazione che richiede delle modifiche fisiche del disco Quando le unità consentono la scrittura, i dischi ottichi generalmente possono essere scritti una sola volta

I dischi ottici Vengono usati solitamente per la distribuzione dei programmi e come archivi di informazioni che non devono essere modificate Hanno un capacità di memorizzazione superiore rispetto ai dischi magnetici Le dimensione tipiche per i dischi ottici utilizzati oggi vanno dai 500 MB in su, fino a uno o più GB Hanno costo inferiore, sono più affidabili e difficili da rovinare

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

L’uso dell’informazione Un computer deve: memorizzare l’informazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria elaborare l’informazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) fare l’input/output dell’informazione usando i dispositivi di input/output

L’uso dell’informazione Un computer deve: memorizzare l’informazione usando la memoria principale (RAM) usando la memoria secondaria elaborare l’informazione usando il processore (Central Processing Unit - CPU) fare l’input/output dell’informazione usando i dispositivi di input/output

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

I dispositivi di input/output Per realizzare l’interazione uomo-macchina, sono necessari i dispositivi di input/output La loro funzione primaria è quella di consentire l’immissione dei dati all’interno del computer (input) o l’uscita dei dati dal computer (output)

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

I dispositivi di input/output Operano in modo asincrono rispetto al processore (ne sono “schiavi”) (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

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

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 l’attenzione Se non sono arrivati dei segnali, il processore continua ad eseguire il programma corrente

I dispositivi di input La tastiera: il principale strumento di input Ogni volta che l’utente digita un tasto, la tastiera “avverte” il processore che un carattere è disponibile Non ha capacità di elaborazione Un dispositivo di input cieco, nel senso che l’utente non può vedere i dati immessi La tastiera è utilizzata insieme ad un dispositivo di output su cui vengono visualizzate le informazioni fornite tramite tastiera La tastiera e il dispositivo di output non sono direttamente collegati tra loro

I dispositivi di input Il mouse: un dispositivo di puntamento Una freccia indica la posizione del mouse sul video e lo spostamento del mouse sul tavolo viene comunicato al processore, che produce lo spostamento corrispondente della freccia sul video Una volta raggiunta la posizione desiderata, premendo uno dei pulsanti del mouse si genera un segnale in input che può corrispondere a diverse funzioni

I dispositivi di input Altri dispositivi di input: Scanner Lettori di codici a barre Microfono Macchina fotografica e telecamera digitale

I dispositivi di output Il video: visualizza i dati che l’utente inserisce in input e i risultati delle elaborazioni del calcolatore Un video può essere visto come una matrice di punti (pixel) illuminati con diversa intensità La dimensione del video viene misurata in pollici (lunghezza della diagonale del video) Portatile: 12 ai 15 pollici Desktop: 15 ai 17 pollici Professionali: 17 ai 21 pollici

I dispositivi di output Il video:ci sono due tipi di monitor Cathode ray tube Liquid crystal display L’immagine che vediamo sul video, opportunamente codificata, viene memorizzata in una memoria specializzata detta memoria video (VRAM)

I dispositivi di output Altri dispositivi di output Stampante Schede audio