1 Corso di Informatica (Programmazione) Lezione 4 (24 ottobre 2008) Architettura del calcolatore: la macchina di Von Neumann

2 Il calcolatore Calcolatore (sistema informatico): macchina in grado di eseguire programmi (dal portatile al calcolatore multi-utente)

3 Il calcolatore Indipendentemente dalla complessità del sistema, un calcolatore è composto da: HARDWARE (componenti fisiche) SOFTWARE (programmi eseguiti dal sistema)

4 Il calcolatore: HARDWARE Un calcolatore è composto da: Central Processing Unit (CPU) Random Access Memory (RAM) Memoria di massa Periferiche Bus di sistema

5 HARDWARE: CPU Central Processing Unit (CPU) esegue le istruzioni di cui sono composti i programmi e: compie elaborazioni coordina il trasferimento delle informazioni allinterno del sistema

6 HARDWARE: RAM Random Access Memory (RAM) è la memoria centrale del sistema e: memorizza i dati memorizza i programmi è di capacità limitata è volatile è ad accesso rapido

7 HARDWARE: Memoria di massa Memoria di massa è la memoria secondaria del sistema e: memorizza grandi quantità di dati memorizza i programmi è di grande capacità è persistente

8 HARDWARE: Periferiche Periferiche per comunicare con lesterno: terminali video mouse tastiera stampante etc.

9 HARDWARE: Bus di sistema Bus di sistema è il dispositivo che collega le unità funzionali del calcolatore (CPU, RAM, memoria di massa e periferiche) permettendo lo scambio di informazioni tra di esse

10 HARDWARE: tipi di calcolatore Personal Computer (PC): lutente è unico CPU, RAM e memoria di massa sono contenute in un box le periferiche sono esterne e sono collegate al box tramite cavi la memoria di massa è costituita da: hard disk (disco fisso) di elevata capacità compact disk (CD) di ridotta capacità chiave USB di media capacità

11 Personal Computer (PC): le informazioni sulla memoria di massa sono organizzate in files è possibile collegare altre periferiche tramite porta USB Workstation: il processore (o CPU) è di elevate prestazioni serve decine di utenti HARDWARE: tipi di calcolatore

12 Mainframe: è multiprocessore la memoria di massa è molto grande serve centinaia di utenti Server: offre servizi attraverso la rete linterfaccia utente è molto limitata HARDWARE: tipi di calcolatore

13 Il calcolatore: SOFTWARE Insieme dei programmi che risiedono sul calcolatore e che lo fanno funzionare: software di base dedicato alla gestione del calcolatore software applicativo dedicato alle esigenze dellutente

14 Il calcolatore: SOFTWARE Software di base: Sistema Operativo: software che gestisce le risorse hardware Windows Linux etc.

15 Il calcolatore: SOFTWARE Software applicativo: Word Excel PowerPoint Outlook etc.

16 La macchina di Von Neumann Un modello di calcolatore è fornito dalla macchina di Von Neumann CPURAM Memoria di massa Periferica Bus di sistema

17 La macchina di Von Neumann Lidea di base è di collegare le componenti fisiche del calcolatore attraverso un insieme di 3 linee (bus di sistema) in quanto: il progetto è semplice i costi sono contenuti laggiunta di un nuovo componente è semplice

18 La macchina di Von Neumann Fondamentalmente il funzionamento di un calcolatore avviene nel seguente modo: La CPU estrae le istruzioni dalla RAM: le decodifica le esegue Un clock di sistema scandisce le fasi di elaborazione in modo sincrono

19 La RAM in dettaglio La RAM è un insieme di celle ciascuna contenente una word, ossia una sequenza di n bit (8, 16, 32, etc.) Cella 0 Cella 1 Cella 2 Cella 3 Cella 4 …

20 La RAM in dettaglio Lindirizzo di una cella di RAM è la posizione rispetto alla prima cella (a indirizzo 0) La RAM può essere indirizzata una cella può essere selezionata direttamente tramite il suo indirizzo Lindirizzamento avviene tramite il registro indirizzi della CPU

21 La CPU in dettaglio PC INTR CIR SR A B Registri di lavoro CU DRAR clock ALU

22 La CPU in dettaglio Control Unit (CU) gestisce le attività della CPU preleva e decodifica le istruzioni dalla RAM invia i segnali di controllo (attravesro il bus controlli) per lesecuzione delle istruzioni Clock di sistema sincronizza le operazioni rispetto ad una data frequenza

23 La CPU in dettaglio Arithmetic Logic Unit (ALU) esegue le operazioni aritmetiche e logiche Data Register (DR) registro che memorizza il dato letto da RAM o da scrivere su RAM Address Register (AR) registro che memorizza lindirizzo della cella di RAM da cui leggere o su cui scrivere

24 La CPU in dettaglio Current Instruction Register (CIR) registro che contiene istante per istante la codifica binaria dellistruzione che la CPU deve eseguire Program Counter (PC) registro che memorizza lindirizzo della cella della RAM che contiene listruzione che la CPU deve eseguire

25 La CPU in dettaglio Interrupt Register (INTR) fornisce informazioni sullo stato delle periferiche Registri A e B registri per memorizzare operandi e risultato di una operazione svolta dalla ALU

26 La CPU in dettaglio Registri di lavoro registri per memorizzare i risultati intermedi delle elaborazioni Status Register (SR) fornisce informazioni sulle operazioni svolte da ALU (ad esempio per il riporto, il segno del risultato, per overflow, etc.)

27 Il Bus di sistema in dettaglio Il bus di sistema è un insieme di linee di trasferimento dellinformazione In ogni istante il bus collega due unità funzionali del calcolatore (una master che trasmette e una slave che riceve)

28 Il Bus di sistema in dettaglio Le 3 categorie di linee sono: Bus dati trasferimento bidirezionale di dati dalla CPU alla memoria (e viceversa) Bus indirizzi trasferimento monodirezionale del contenuto del registro indirizzi dalla CPU alla memoria (ad esempio in un operazione di lettura dalla RAM)

29 Il Bus di sistema in dettaglio Le 3 categorie di linee sono: Bus controlli coordinamento delle attività di sistema per evitare conflitti e collisioni

30 Operazione di lettura dalla RAM Lettura dalla RAM: copia del contenuto di una cella della RAM nel registro dati (DR) della CPU 8 Cella 2 RAM 2 8 AR DR CPU

31 Operazione di lettura dalla RAM Fasi della lettura dalla RAM: 1.La CPU carica in AR lindirizzo della cella da cui leggere 2.La CPU trasmette il contenuto di AR alla RAM tramite il bus indirizzi 3.La CPU richiede unoperazione di lettura tramite il bus controlli

32 Operazione di lettura dalla RAM Fasi della lettura dalla RAM: 4.Viene eseguita unoperazione di lettura e il dato letto viene spostato in DR della CPU attraverso il bus dati 5.Viene inviato alla CPU un segnale di completamento delloperazione attraverso il bus controlli

33 Operazione di scrittura dalla RAM Scrittura sulla RAM: copia del contenuto del registro dati (DR) della CPU in una cella di memoria della RAM 8 Cella 2 RAM 2 8 AR DR CPU

34 Operazione di scrittura sulla RAM Fasi della scrittura sulla RAM: 1.La CPU carica in AR lindirizzo della cella in cui scrivere 2.La CPU trasmette il contenuto di AR alla RAM tramite il bus indirizzi 3.La CPU carica in DR il dato da scrivere

35 Operazione di lettura dalla RAM Fasi della scrittura sulla RAM: 4.La CPU richiede unoperazione di scrittura tramite il bus controlli. 5.Viene eseguita unoperazione di scrittura e il dato in DR viene spostato nella cella della RAM attraverso il bus dati

36 Operazione di lettura dalla RAM Fasi della scrittura sulla RAM: 6.Viene inviato alla CPU un segnale di completamento delloperazione attraverso il bus controlli