Architettura dell’elaboratore Claudia Raibulet raibulet@disco.unimib.it

FISICA Domani giovedi’ 18 maggio FISICA dalle 13:30 alle 15:30 Giovedi’ 25 maggio

Tipi di operazioni della CPU Lettura (normalmente: da una cella di memoria a un registro della CPU) Scrittura (in memoria, dei dati di un registro) Spostamento (di informazioni in memoria) Salto (a un’altra istruzione: PC modificato adeguatamente) Aritmetiche (fra registri) Logiche (confronto, inversione)

Il clock della CPU Le componenti della CPU operano in modo coordinato temporizzando gli eventi attraverso il clock che fornisce la scadenza temporale La frequenza di clock (numero di attivita’ per unita’ di tempo) e’ misurata in MegaHertz (MHz) e indica la velocita di elaborazione della CPU

Le memorie di massa Esempi: hard disk, dischetti, CD-ROM, unita’ a nastro, chiavette USB, … Sono di accesso piu’ lento ma hanno grande capacita’ di memorizzazione Dischi magnetici: la memorizzazione dei dati avviene per mezzo della magnetizzazione della loro superficie mediante un’apposita testina di lettura/scrittura i dati possono essere scritti, cancellati e riscritti per un numero indefinito di volte un forte campo magnetico e’ sufficiente per cancellare l’intero contenuto

Le memorie di massa Esempi di dischi magnetici: Hard Disk Sono contenuti all’interno dei computer Capacita’ di GB Costituito da piu’ piastre circolari, generalmente di alluminio e ricoperte di una sostanza magnetica Dischetti Velocita’ di lettura/scrittura molto bassa rispetto a quella degli altri dischi Capacita’ di MB (massimo 1.44 MB)

Dischi magnetici Traccia = sequenza circolare di bit scritta mentre il disco compie una rotazione la larghezza di una traccia dipende dalla dimensione della testina e dall’accuratezza con cui la si puo’ posizionare la densita’ radiale va da 800 a 2000 tracce per centimetro Settore = parte di una traccia corrispondente ad un settore circolare del disco un settore generalmente contiene 512 byte di dati tra settori consecutivi si trova un piccolo spazio (intersector gap) Formattazione: operazione che predispone tracce e settori per la scrittura di dati

Dischi magnetici Tracce e settori: Schema di un hard disk Da sopra testine di lettura/scrittura Di lato

Hard disk Formati da una base in alluminio leggerissimo, sulla quale è apportato uno strato di materiale magnetico (ossido di ferro). I dati sono registrati come una serie di bit, ognuno dei quali è memorizzato magnetizzando (negativamente o positivamente) il sottile strato di ossido di metallo. Quando l’hard disk riceve le informazioni da conservare, utilizza le testine per memorizzare magneticamente i bit su uno o più piatti. Quando il sistema richiede dati già registrati, le testine si muovono sulla superficie interpretando la polarizzazione dei piatti.

Prestazione dei dischi magnetici Tempo di accesso: - ms (oppure 10-3 secondi) Seek-time La testina deve arrivare alla traccia giusta Dipende dalla meccanica (5-15 ms, 1 per tracce adiacenti) Latency Il disco deve ruotare fino a portare il dato nella posizione giusta Dipende dalla velocita’ di rotazione (5400-10800 RPM – revolution per minute, 2.7-5.4 ms) Transfer rate – MBps Velocita’ di trasferimento del disco Dipende dalla densita’ di registrazione e dalla velocita’ di rotazione

Dischi ottici Dischi su cui la memorizzazione dei dati avviene “bruciando” con un laser la superficie, che da lucida diviene così opaca. Normalmente i dati scritti su un disco ottico non possono più essere cancellati, esistono tuttavia dei dischi particolari (CD riscrivibili) che consentono la cancellazione e la riscrittura per un numero comunque limitato di volte (ad ogni cancellazione la superficie tende a deteriorarsi sempre di più finché non diventa inutilizzabile).

Esempi di dischi ottici CD-ROM (Compact Disk): sono esattamente gli stessi CD usati per la musica, la sigla ROM (Read Only Memory) indica il fatto che i dati, una volta scritti su CD, sono indelebili e potranno essere soltanto letti capacità tipica è di 650 MByte (che nei CD audio corrisponde a 74 minuti di registrazione), ma esistono anche modelli più capienti. Mini CD: CD con diametro ridotto (8 cm) e capacità di 180 MB compatibili con i normali lettori CD (eccetto quelli in cui il CD va inserito attraverso una fessura) esistono anche le CD Card, dischetti di forma rettangolare grandi all’incirca come una carta di credito e con capacità da 30 a 80 MByte. DVD (Digital Video Disk/Digital Versatile Disk) esteriormente sono simili ai CD-ROM, ma possono contenere da 9 a 17 GByte (cioè fino a 25 volte la capacità di un normale CD) per leggere i DVD occorre un lettore CD appropriato (i normali drive per CD non sono in grado di farlo) il lettore DVD è invece sempre in grado di leggere anche i normali CD-ROM.

Funzionamento di un lettore CD In un CD-ROM i dati sono memorizzati su di un'unica spirale che parte dal centro del disco e si allarga verso l'esterno. La superficie del CD è costellata di microfori chiamati pit e di zone non modificate chiamate land che insieme rappresentano le informazioni. Lettura di un CD: 1) Il Laser della testina di lettura (B) proietta un fascio di luce infrarossa che viene messo a fuoco da una lente di focalizzazione (C); 2) Il raggio laser penetra lo strato di plastica protettiva che ricopre il disco (A) e colpisce la superficie di alluminio riflettente; 3) La luce che cade su una parte non modificata della superficie del disco viene riflessa verso il rivelatore nella testina di lettura, attraversando un prisma che la deflette convogliandola su un diodo fotosensibile. I pit, che non riflettono alcun segnale luminoso, vengono interpretati come segnali di off; i pit e i land rappresentano gruppi di segnali di on e off (gruppi di bit) che verranno convertiti in byte leggibili dal computer Il metodo usato si basa sull'alternarsi di lands e pits. Quando il CD rileva una transizione da land a pit o viceversa, fa partire un timer: alla successiva transizione il valore del timer è proporzionale al numero di bit rappresentato dal pit o land in questione. Ogni transizione da land a pit corrisponde ad un 1 (uno), altrimenti si ha uno 0 (zero).

Memoria di massa Nastri magnetici Schede vengono usati dagli amministratori di grandi sistemi per creare periodicamente copie di Backup del contenuto degli hard disk, in modo da salvare i dati qualora se ne guastasse uno. La lettura/scrittura è però molto lenta (può richiedere alcune ore). DAT (Digital Audio Tape): può contenere alcune decine di GByte. È a forma di cassetta, un po’ più grande di una cassetta audio. Il nome deriva dall'utilizzo originario del supporto, usato negli studi di registrazione professionali per l'audio digitale di alta qualità. Schede sono cadute completamente in disuso già da alcuni decenni. Si trattava di cartoncini o nastri di carta sui quali i bit venivano rappresentati con fori presenti/assenti

Riassunto tipi di memoria

Caratteristiche tipi di memoria

Il bus dell’elaboratore Logicamente è suddiviso in: Bus Dati: costituisce il percorso per trasferire i dati tra le componenti dell’elaboratore. Il numero di linee che lo compongono specifica la dimensione del bus Bus Indirizzi: indica la sorgente o la destinazione dei dati che transitano sul bus dati Bus di Controllo: è usato per controllare l’uso e l’accesso al bus dati ed al bus indirizzi

Bus: operazioni – caso 1 Una componente A invia dei dati ad una componente B: A attraverso il bus di controllo acquisisce il diritto all’uso del bus A scrive nel bus di controllo il codice del comando A scrive nel bus dati il dato da inviare a B A scrive nel bus indirizzi l’identificativo di B e la posizione in B dove scrivere i dati

Bus: operazioni – caso 2 Una componente A richiede dei dati di una componente B: A attraverso il bus di controllo acquisisce il diritto all’uso del bus A scrive nel bus di controllo il codice del comando A scrive nel bus indirizzi l’identificativo di B e la posizione in B dove si trovano i dati da ricevere A si mette in attesa dei dati

Periferiche Dispositivi di Input/Output (I/O) Funzione: Realizzano interazione fra uomo e macchina o fra macchine Sono controllate dal sistema operativo attraverso i Driver Componente del Sistema Operativo (programma) che interagisce direttamente con una periferica (Driver fisico) maschera il funzionamento della periferica (Driver logico) Lavorano in modalità asincrona rispetto al processore

Tipi di periferiche Unità di Input Unità di Output tastiera, mouse, scanner Unità di Output video, stampante Unità di Input/Output dispositivi di trasmissione: modem, scheda di rete, scheda audio

Porte Collegano un dispositivo esterno (periferica o alto elaboratore) e la mettono in comunicazione con l’elaboratore Tipi di Porte: Seriali: trasmettono un bit alla volta Parallele: trasmettono piu’ bit “in parallelo” SCSI: connessione di molti dispositivi in cascata o di un due dispositivi complessi (es. connessione audio e video tra TV e PC) USB (Universal Serial Bus): Collega apparecchiature che vengono automaticamente riconosciute dal computer acceso

Tastiera - Input Possiede 101 (o 104) tasti divisi in 4 gruppi: Tasti funzione Esc, F1, F2, … Servono per impartire comandi; la loro funzione dipende dal programma che e’ attivo in quel momento Tasti alfanumerici Lettere, numeri, simboli, punteggiatura I tasti modificatori CTRL (Control) e ALT (Alternate) che assieme al tasto per le maiuscole, servono per modificare la funzione degli altri tasti Tastierino numerico Tasti su lato destro Sono una semplice replica dei tasti numerici disposti come in una calcolatrice Tasti cursore Servono per lo spostamento del cursore e lo scorimento delle pagine

Mouse - Input Introdotto assieme ai sistemi operativi di tipo grafico (Windows, Macintosh, …) per simplificare l’ invio dei comandi alla macchina Lo spostamento del mouse controlla il movimento di un puntattore sullo schermo mentre i tasti inviano il comando I mouse per Macintosh possiedono un unico tasto

Video – Input/Output Display, oppure monitor E’ l’interfaccia principale fra l’ utente e l’attivita’ del computer Tipi Tubo Catodico (CRT Cathod Ray Tube): materiale fluoroscente colpito da fascio di elettroni Cristalli Liquidi (LCD): matrice di elettrodi e strato di metallo, opaco in assenza di carica, trasparente con elettrodi carichi (basso consumo, immagine ferma, visione frontale) Matrice Attiva: migliori prestazioni dei LCD, migliore visione angolata

Video - caratteristiche Dimensioni: 14, 15, 17, 21” (pollici) - la misura dello schermo in diagonale Frequenza: numero di volte in cui viene ridisegnata l’immagine a video Per alte frequenze (>=70 Hertz) si ha un immagine più stabile Per basse frequenze si ha un effetto di tremolio Risoluzione: precisione dei dettagli – quantità di Pixel 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024 Colori: la ricchezza della “tavolozza” CGA, EGA, VGA (16 colori, 640x480) SVGA (Super VGA, 256) 16 colori, 256, 65536, …, 16 milioni

Scanner - Input Legge un oggetto (disegno o testo) e ne genera un’immagine elettronica (file) Legge anche diapositive o negativi fotografici Tipi “bianco e nero” o “colori” Risoluzione: definizione dell’immagine

Stampanti - Output Tre principali categorie: ad aghi: laser: stampanti di vecchio tipo, ormai obsolete perché rumorose, molto lente e producono stampe di bassissima qualità. Usano una testina ad aghi che batte su un nastro inchiostrato, come nelle vecchie macchine per scrivere. laser: usano una tecnologia simile a quella delle fotocopiatrici, sono adatte per grossi volumi di lavoro perché riescono a stampare molto velocemente e silenziosamente, offrendo inoltre la migliore qualità di stampa. a getto d’inchiostro: stampe di qualità leggermente inferiore rispetto alle stampanti laser, sono generalmente più lente, ma anche più economiche e di dimensioni più contenute. La stampa avviene spruzzando sulla carta un sottilissimo getto d’inchiostro liquido. Contrariamente alla stampa laser, la stampa a getto d'inchiostro è solubile in acqua.

Masterizzatori – Input/Output Dispositivi usati per la scrittura su CD (il disco deve essere tale da consentire la scrittura, altrimenti il masterizzatore non funziona). Funzionano anche come normali lettori di CD. Tipicamente sono inseriti all’interno del computer e presentano uno sportello come i lettori CD, ma esistono anche dei modelli esterni che si collegano al computer con un cavo.

Modem – Input/Output Trasmissione e ricezione di dati attraverso la linea telefonica ed in particolare connessione ad Internet. I modem possono essere esterni al computer (collegati con un cavo) oppure interni (in forma di scheda di espansione), ma in quest'ultimo caso presentano spesso problemi di incompatibilità col resto dell'hardware. La velocità con cui i modem sono in grado di scambiare i dati si misura in Kbit/secondo (Kbps) ovvero il numero di bit che il modem riesce a trasferire in un secondo. Modem: trasforma l’informazione binaria (100101) del computer in onde modulate che fluiscono sui cavi telefonici che collegano altri elaboratori (lontani?) Modem: trasforma gli impulsi telefonici in informazioni binarie (demodulate) comprensibili al computer

Modem quattro tipi principali, a seconda del tipo di linea telefonica disponibile: standard - per la normale linea telefonica. trasferiscono dati alla velocità di 56 Kbps (kilo bit per secondo), che rappresenta comunque la capacità massima della linea (un flusso di dati maggiore non riuscirebbe a passare). Quando il modem è collegato la linea è occupata e non è possibile usare il telefono (di fatto, il collegamento alla rete tramite modem costituisce a tutti gli effetti una normale telefonata). ISDN (Integrated Services Digital Network) è una linea telefonica particolare che può raggiungere i 128 Kbps. consente anche l'uso del telefono mentre il modem è collegato (cosa impossibile con la linea normale) sacrificando però metà della velocità (64 Kbps); altrimenti si può scegliere di dedicare l'intera linea al modem. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) è una linea telefonica particolare che può raggiungere i 640 Kbps. costituisce un collegamento permanente 24 ore su 24 con la rete e non interferisce in nessun modo col telefono (l'ADSL non effettua telefonate, ma mantiene un collegamento fisso), però si tratta di un servizio ancora piuttosto caro GSM - i collegamenti tramite cellulare. non non si esiste ancora uno standard, ogni marca di telefoni cellulari produce un modem (di solito in forma di scheda) compatibile coi propri modelli di telefonino.

Connessione di rete Per collegare più computer in rete Schede di connessione Rete Ethernet Reti Wireless InfraRed Ray (es. tel cellulare) BlueTooth Wireless LAN

Rappresentazione delle informazioni Codifica binaria dell’informazione

Rappresentazione delle informazioni Unita’ di informazione di base: BIT Sia i dati che le istruzioni (cioe’ tutte le informazioni) vengono espresse mediante (sequenze di) bit Osservazione: il funzionamento del computer si basa sulla presenza/assenza di segnale elettrico all’ interno dei circuiti; tutti i dispositivi di memoria sono basati su questa bipolarita’ del segnale (presente/assente, acceso/spento, 0/1)

Problema della rappresentazione Deve essere effettuata attraverso un insieme finito di simboli Il numero di simboli disponibili e’ inferiore al numero di valori da rappresentare => CODIFICA La rappresentazione associa a ciascun valore una sequenza (stringa) di simboli La corrispondenza fra valori e stringhe di simboli e’ biunivoca

Rappresentazione delle informazioni Quante sono le sequenze binarie distinte di n>1 bit? Numero sequenze di n bit => 2n Esempio: n=8 => 2n = 28 = 256 Codificare: associare simboli (significanti) alle sequenze binarie Codice: una particolare associazione (corrispondenza) tra sequenze binarie e simboli

Rappresentazione delle informazioni Rappresentazione dei numeri -> Aritmetica binaria Rappresentazione dei caratteri -> Sistemi di codifica (ASCII) Rappresentazione di dati strutturati -> basata sulla rappresentazione di dati semplici La rappresentazione e’ legata al tipo di dato: Dati numerici (numeri) -> Aritmetica binaria Dati alfanumerici -> Codici Immagini -> Bitmap Istruzioni -> Codici linguaggio macchina

Rappresentazione di caratteri ASCII American Standard Code for Information Interchange Ogni carattere e’ rappresentato da una sequenza di 7 bit, 128 parole di codice Codice ASCII esteso: ogni carattere è rappresentato da una sequenza di 8 bit, 256 parole di codice caratteri alfabetici (maius. e minus.) cifre decimali (1, 2, 3,  segni di interpunzione (!, ?, “, ‘, ) simboli speciali (£, $, #, @, ) caratteri di controllo (fine file, ritorno carrello, )

Tabella ASCII

Rappresentazione di numeri I sistemi di numerazione definiscono: L’insieme dei simboli base (CIFRE) L’insieme di regole che permettono di definire la rappresentazione di un numero mediante una stringa di cifre L’insieme di operazioni Il numero di simboli utilizzati nel sistema di numerazione è detto la base del sistema Lo stesso numero è rappresentato da numerali diversi in diversi sistemi: Esempio: 156 nel sistema decimale –> CLVI in cifre romane