Il sistema di elaborazione

Il sistema di elaborazione È un insieme di componenti con diverse tecnologie (elettronica, magnetica, meccanica, ottiche, elettriche, ecc.) che operano fra loro per raggiungere l’obiettivo comune: elaborazione dei dati 2

Schema logico BUS Dispositivi di I/O Unità di controllo Terminale Stampante Unità aritmetico logica (ALU) Registri Memoria centrale Unità disco BUS

Schema logico Il bus è un canale elettrico che serve per inviare dati, indirizzi e comandi La CPU impartisce i comandi a tutte le componenti Nella memoria centrale sono presenti i programmi e i dati attualmente in uso

Schema logico Le memorie di massa hanno grandi capacità e sono di tipo permanente Dispositivi di input permettono l’immissione dei dati dall’esterno Dispositivi di output permettono l’invio dei dati verso l’esterno

Schema a bus Vantaggi Semplicità: unica linea di connessione implica costi ridotti Estendibilità: aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice Standard: regole precise di comunicazione tra dispositivi diversi Svantaggi Lentezza: il bus è utilizzabile solo in mutua esclusione Limitata capacità: al crescere del n. di dispositivi collegati Sovraccarico del processore: la CPU funge infatti da master sul controllo del bus

Porte Sono un mezzo per collegare i dispositivi esterni alla CPU Tipologie: Seriale Parallela USB RGB (video) Audio Ethernet (rete) PS2 (mouse, tastiera) Midi HDMI

Porte Interfaccia Seriale: Interfaccia Parallela: 1 bit per volta velocità massima = 115 Kb/sec per periferiche lente, come mouse e modem esterni. Interfaccia Parallela: 8 bit alla volta velocità massima = 150 KB/sec per stampanti, scanner e unità di backup (nastri, Zip). Universal Serial Bus (USB): Velocità: 12 Mb/s. Collega fino a 127 periferiche in cascata. Alimenta direttamente periferiche a basso consumo (tastiere, mouse) la USB 1.0 del 1996 arriva fino a 1,5 Mbps. la USB 1.1 del 1998 arriva fino a 12 Mbps. la USB 2.0 del 1999 arriva fino a 480 Mbps. la USB 3.0 del 2008 arriva fino a 4800 Mbps.

La memoria centrale È un dispositivo elettronico (una scheda con più chip) usato per memorizzare istruzioni e dati codificati in forma binaria

La memoria centrale Fino all’inizio degli anno ‘90 la memoria veniva prodotta, acquistata ed installata su chip singoli Oggi si monta un gruppo di chip, tipicamente 8 o 16, su una piccola scheda stampata SIMM (Single Inline Memory Module): la fila di connettori si trova da un solo lato della scheda DIMM (Dual Inline Memory Module): i connettori si trovano su ambedue i lati della scheda SIMM e DIMM sono spesso dotate di un codice di rilevazione o correzione degli errori.

La memoria centrale Unità di misura della capacità di memoria: bit (binary digit) può assumere valori 0 o 1 Byte = 8 bit – può memorizzare un carattere secondo la codifica ASCII KB (kilo Byte) = 1024 Byte MB (mega B) circa 1 milione di Byte GB (giga B) circa 1 miliardo di Byte TB (tera B) circa 1000 miliardi di Byte PB PetaByte circa 1.000.000 di miliardi di Byte EB ExaByte circa 1.000.000.000 di miliardi di Byte

Codice ASCII a 7 bit (car. Editabili) 010 spc ! “ # $ % & ‘ ( ) * + , - . / 011 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ? 100 @ A B C D E F G H I J K L M N O 101 P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ 110 ` a b c d e f g h i j k l m n o 111 p q r s t u v w x y z { | } ~ del 0000 0010 0001 0100 0011 0110 0101 1000 0111 1010 1001 1011 1101 1110 1111 1100 LSB MSB

Codice ASCII a 7 bit

Codice ISO 8859-n a 8 bit (ASCII + 128 caratteri)

La memoria centrale Indirizzo cella Può essere vista come una sequenza di celle (byte) ciascuna con un proprio indirizzo

La memoria centrale Word: Numero di Byte che vengono letti o registrati contemporaneamente (1, 2, 4, 8, 16 Byte) È un indicatore della velocità di un sistema

La memoria centrale Programma: Una sequenza di istruzioni scritte in un opportuno linguaggio di programmazione (es. Visual Basic) Vengono tradotte in istruzioni macchina Private Sub Ipotenusa() Dim V1, V2, V3 as Double V1 = Range("C1") V2 = Range("C2") V3 = Sqr(V1 ^ 2 + V2 ^ 2) Range("c3") = V3 End Sub

OPERANDI oppure INDIRIZZI DEGLI OPERANDI La memoria centrale Istruzione macchina. Comprende: Codice operativo: indica il tipo di operazione (es. somma, sottrazione, if, spostamento, ecc. ) Operandi: Dati o la posizione in memoria dei dati sui quali effettuare l’operazione CODICE OPERATIVO OPERANDI oppure INDIRIZZI DEGLI OPERANDI

La memoria centrale RAM è la memoria utilizzata dai programmi utente o dal Sistema Operativo (S.O.) => Contenuto variabile ROM è la memoria che contiene il programma (dal costruttore) utilizzato nella fase di avvio (bootstrap) => Contenuto non modificabile

La memoria centrale Bootstrap - Fase di avvio: Viene controllato il corretto funzionamento dell’hardware Verifica la presenza del S.O. Avvio del S.O.

LA C.P.U. Central Processing Unit (Unità Centrale di Elaborazione) è il microprocessore che insieme alla memoria centrale costituiscono il “fulcro” del sistema

C.P.U. Intel Nome Anno N° Transistor Data Bus Spazio indir. 8080 01/04/1974 6000 8 64 K (PC Altair) 8086 08/06/1978 29000 16 1 M 8088 01/06/1979 8 (16) 80286 01/02/1982 134000 16 M (1 G virtuale) 80386 DX 17/10/1985 275000 32 4 G (64 T virtuale) 80386 SX 16/06/1988 16 (32)

C.P.U. Intel Nome Anno N° Transistor Data Bus Spazio indir. 80486 DX 10/04/1989 1200000 32 4 G (64 T virtuale) 80486 SX 22/04/1991 1185000 80486 DX2 03/03/1992 80486 DX4 07/03/1994 1600000 Pentium 60-66 22/03/1993 3100000 64 Pentium 75-166 1994-1996 3200000 P6 150-200 01/11/1995 21000000 64 G (64 T virtuale)

LA C.P.U.

LA C.P.U.

LA C.P.U. Componenti principali: Unità di Controllo: invia dati e comandi a tutte le componenti del sistema Unità Logica Aritmetica: esegue le operazioni aritmetiche e logiche (IF, and, or, not, ecc.) Registri: memorie di piccola capacità per memorizzare i dati o istruzioni che la CPU sta utilizzando. Ad esempio: program counter (PC), che indica l’indirizzo dell’istruzione successiva, l’instruction register (IR), che indica l’istruzione che si sta eseguendo, lo stack pointer (SP)

LA C.P.U. Lo stato della CPU evolve ad ogni impulso di clock Il numero di impulsi in 1 secondo (Hz) rappresenta la frequenza del clock ovvero l’indicatore della velocità della CPU Le attuali CPU viaggiano nell’ordine dei GHz

LA C.P.U. Un altro modo per misurare la velocità della CPU è il MIPS (milioni di istruzioni per secondi) però è legato al tipo di istruzione scelto per il test e quindi non è una misura obiettiva 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium II Anno 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 MIPS (Mhz) <1 (4.77) 1-2 (6-16) 6-12 (16-33) 20-40 (20-100) 100-300 (60-233) 300-? (150-200) 400-? (233-450+) Transistor 29K 134K 275K 1.2M 3.2M 5.5M 7.5M

LA C.P.U. Fetch Decode Execute Ogni istruzione prevede il ripetersi di 3 fasi o stati della CPU: Fetch. Preleva l’istruzione dalla memoria centrale e incrementa il program counter Decode. Interpreta il codice operativo per determinare il tipo di istruzione corrente Execute. Esegue l’istruzione.

LA C.P.U. Il parallelismo permette di migliorare le prestazioni senza modificare la frequenza di clock. Esistono due forme di parallelismo: parallelismo a livello delle istruzioni (architetture pipeline e superscalari) parallelismo a livello di processori (multiprocessori e multicomputer).

LA C.P.U. Architettura pipeline: la CPU è organizzata come una “catena di montaggio” la CPU viene suddivisa in stadi, ognuno dedicato all’esecuzione di un compito specifico l’esecuzione di una istruzione richiede il passaggio attraverso tutti o alcuni degli stadi della pipeline in un certo istante, ogni stadio esegue la parte di istruzione di sua “competenza” in un certo istante esistono diverse istruzioni contemporaneamente in esecuzione, una per stadio.

LA C.P.U. Un esempio: pipeline a 5 stadi: S1. lettura istruzioni dalla memoria e loro caricamento in un apposito buffer S2. decodifica dell’istruzione per determinarne il tipo e gli operandi richiesti S3. individuazione e recupero degli operandi dai registri o dalla memoria S4. esecuzione dell’istruzione S5. invio dei risultati all’apposito registro.

LA C.P.U. Nei Multiprocessori diverse CPU condividono una memoria comune. Le CPU devono coordinarsi per accedere alla memoria (es. Dual Core) Nei Multicalcolatori si utilizzano più calcolatori, ognuno dei quali dotato di una memoria privata.

Le memorie di massa Sono dispositivi di grandi capacità e conservano dati e programmi in modo permanente Sono archiviati dati e programmi anche per un utilizzo futuro che all’occorrenza saranno caricati in memoria centrale

Le memorie di massa Le tecnologie utilizzate sono: Magnetiche (floppy disk, hard disk, nastri); Ottiche (CD, DVD); Elettroniche (Pen drive, SD, micro SD, flash memory)

Le memorie di massa La superficie di un disco è organizzata in tracce e settori come in figura All’incrocio fra una traccia e un settore si individua un blocco o zona ovvero una sequenza di byte che viene letta o scritta contemporaneamente

Le memorie di massa La formattazione è un’operazione che inizializza i dischi affinché possano essere utilizzati dal S.O. Il drive è il meccanismo di trascinamento del disco La testina è quella parte del sistema che ha lo scopo di leggere o scrivere i dati

Le memorie di massa Tempo di accesso: è il tempo che intercorre fra il momento in cui viene richiesto il dato e quello in cui è disponibile Velocità di trasferimento: quantità di dati (byte o multipli) trasferiti nell’unità di tempo (1 secondo)

Le memorie di massa Floppy Disk: Memorie magnetiche Capacità ridotta: 1,44 MB Estraibile Velocità ridotta (il disco si ferma quando non è operativo, l’avvio della rotazione comporta un ritardo di ½ secondo) Possibile la smagnetizzazione

Le memorie di massa Hard Disk: Disco non rimovibile (in generale) Grandi capacità (attualmente 1 TB) Possibile la smagnetizzazione Registrazione rapida (on-line) Velocità elevata

Le memorie di massa Nastri magnetici: Usati per copie di salvataggio (backup) Relativamente lenti perché l’accesso è sequenziale Possibile la smagnetizzazione Ormai obsoleti

Le memorie di massa CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) proposto nel 1980 da Philips e Sony: Lettura ottica basata sulla riflessione (o sulla mancata riflessione) di un raggio laser sul supporto Capacità 700 MB (80 minuti) È necessaria la masterizzazione Quelli riscrivibili (CD-RW) possono essere riformattati e riutilizzati Non è possibile la smagnetizzazione

Le memorie di massa Passaggio da pit a land Passaggio da land a pit I pit appaiono come cunette su una superficie piatta I passaggi pit/land o land/pit indicano un 1, e la loro assenza indica uno 0

Le memorie di massa DVD (Digital Versatile Disk): Caratteristiche simili ai CD Velocità maggiore dei CD

Le memorie di massa Pit più piccoli, spirale più serrata, utilizzo del laser rosso Caratteristiche dei DVD: capacità di 4.7 GB = 133 minuti di video ad alta risoluzione, con colonna sonora in 8 lingue e sottotitoli in 32 lingue Diversi formati di DVD: lato unico strato unico (4.7 GB) lato unico strato doppio (8.5 GB) due lati strato unico (9.4 GB) due lati strato doppio (17 GB)

Le memorie di massa Pen drive (con collegamento USB) SD e micro SD per PC, fotocamere e cellulari Flash memory tecnologia obsoleta

Le unità di Input Tastiera: Completa di 102 tasti (tastierino numerico + tasti funzione + tasti direzionali) Attraverso i tasti Shift, Control, Alternative, Alternative Gr aumentano le combinazioni utili

Le unità di Input Mouse Dispositivo di puntamento che consente di spostare un puntatore sullo schermo : Con 2 o 3 tasti (sinistro per selezionare, aprire e trascinare, destro per aprire il menu contestuale o speed menu) Con la rotella per scorrimento veloce Con laclassica “pallina” o con un dispositivo ottico (optical mouse) Anche cordless

Le unità di Input Sostituti del mouse: Trackball: sfera incastrata in posizione fissa, che viene fatta ruotare con la mano per muovere il puntatore. Touchpad: superficie piana sensibile al tatto; facendo scorrere il polpastrello su di essa si determina il movimento del puntatore.

Le unità di Input Scanner: Per digitalizzare le immagini e acquisirle come file Caratteristiche principali sono la risoluzione, la velocità, colore

Le unità di Input Scanner: Standard Twain OCR (Optical Character Recognition), programmi di riconoscimento dei caratteri, che permettono di trasformare l’immagine del testo in una sequenza di caratteri da trattare con un programma di elaborazione testi

Le unità di Input Microfono: usato per registrare suoni, impartire comandi vocali, creare testi tramite dettatura Fotocamera digitale: macchina fotografica digitale Webcam: piccola telecamera

Le unità di Input Lettore di codici a barre: penna ottica Joystick: usato nei giochi per muoversi ed effettuare delle azioni Tavoletta grafica: usata per produrre disegni da memorizzare o elaborare a computer

Le unità di Output Stampante: Caratteristiche principali sono la risoluzione, la velocità, colore Comunicano tramite porta parallela, USB, Ethernet e wireless

Le unità di Output Stampanti ad aghi Funzionamento: la testina di stampa contiene fino a 24 aghi, e ogni ago è azionato da un’elettrocalamita; mentre la testina si muove, l’azione combinata degli aghi compone i caratteri Caratteristiche: sono economiche e affidabili, ma lente, rumorose e con grafica di bassa qualità.

Stampanti a getto d’inchiostro Le unità di Output Stampanti a getto d’inchiostro Funzionamento: al posto degli aghi ci sono ugelli collegati a serbatoi di inchiostro di diversi colori; mentre la testina si muove, gli ugelli spruzzano gocce di inchiostro per comporre i caratteri Caratteristiche: risoluzioni fino a 1440 dpi (dots per inch); economiche, silenziose, di buona qualità ma sono lente e le cartucce sono costose.

Le unità di Output Stampanti laser Funzionamento: il tamburo viene caricato fino a 1000 volt, ed un raggio laser scorre sul tamburo producendo una configurazione di punti chiari e scuri; il tamburo ricoperto di toner viene premuto sulla carta e trasferisce la polvere nera sulla carta. Il toner viene poi fissato facendo scorrere la carta attraverso rulli riscaldati Caratteristiche: alta qualità e flessibilità, buona velocità e costi contenuti; utilizzano una tecnologia simile a quella delle fotocopiatrici.

Le unità di Output Monitor CRT (Cathode Ray Tube): un “cannone” spara un raggio di elettroni contro uno schermo fosforescente; il raggio viene deflesso per coprire tutti i punti dello schermo, una riga per volta un’immagine viene completata 30/60 volte al sec. (refresh rate) LCD (Liquid Crystal display) piatti e leggeri, composti di due lastre parallele di vetro nella cui intercapedine sono contenuti i cristalli liquidi, illuminati da una luce situata dietro lo schermo un campo elettrico modifica l’allineamento molecolare dei cristalli e quindi le proprietà ottiche.

Le unità di Output Parametri dei monitor: Dimensione: espressa in pollici e misurata lungo la diagonale Risoluzione: quantità di punti in cui è suddiviso lo schermo, es. 1024x768), misurata in pixel Gamma dei colori: rappresentabili Frequenza di scansione: numero di volte al secondo in cui l’immagine viene rinnovata, misurata in hertz

Le unità di Output Altri dispositivi di output Altoparlanti e cuffie: consentono di riprodurre suoni Sintetizzatori vocali: consentono di riprodurre la voce umana per la lettura di testi

Le unità di Output Altri dispositivi di output Plotter: dispositivo per disegno tecnico, costituito da penne di diversi colori che vengono pilotate dal computer per comporre disegni su un foglio di carta

Le unità di I/O Touchscreen: schermo sensibile al tatto, utilizzato per inviare informazioni o comandi

Le unità di I/O Modem Servono ad effettuare una connessione di calcolatori attraverso la normale linea telefonica (analogica) Dal 1980 le velocità sono via via aumentate, fino ai 56 Kbit/sec di oggi Il modem effettua una modulazione della portante analogica della linea telefonica per trasmettere un segnale digitale (modulazione di ampiezza, frequenza o fase).

Le unità di I/O Modem Modulazione di ampiezza

Le unità di I/O Modem Modulazione di frequenza

Le unità di I/O Modem Modulazione di fase

Le unità di I/O Funziona sul tradizionale doppino telefonico Modem Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Funziona sul tradizionale doppino telefonico Usa tre canali diversi sulla stessa linea: Plain Old Telephone System (POTS) Upstream (64-640 KBps) Downstream (1.5-6.1 MBps) Appartiene alla famiglia dei protocolli xDSL diverse velocità di download (fino a 52 Mbit/sec) e upload (fino a 2 Mbit/sec)