Fondamenti di Informatica: architettura dei calcolatori e modelli di Von Neumann

Architettura di un Calcolatore e sue Caratteristiche

RATIC
STUD
DIUM
SA
Università degli Studi di Salerno
CdL: Scienze della Comunicazione
Fondamenti di Informatica
Prof. Giuseppe GuarinoArchitettura di un Calcolatore e alle
sue principali caratteristiche tecniche
e tecnologiche
Prima Parte
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
2Architettura di un Calcolatore e alle sue principali caratteristiche
tecniche e tecnologiche
.

Modello di Von Neumann e Componenti PC

Il modello di Von Neumann
Principali componenti di un personal computer:
Unità centrale di elaborazione (CPU)
Gerarchia e tipi di memoria
Dispositivi comuni di input/output
"Tipologie di calcolatori
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
3Modello di Von Neumann [1]
Verso la metà del secolo scorso, sotto
l'impulso dello sforzo bellico dovuto alla
seconda guerra mondiale, gli sviluppi
dell'elettronica hanno reso possibile
costruire dispositivi che sono
particolarmente adatti ed efficienti per la
memorizzazione e la successiva
elaborazione di stringhe di bit.
La disponibilità di una macchina in grado di elaborare l'informazione in formato
binario e di farlo in maniera "programmata" sono la base dell'architettura dei
moderni calcolatori elettronici.
I computer che utilizziamo oggi hanno tutti una
struttura che può essere descritta mediante un
modello che ha preso il nome da un
matematico ungherese
John Von Neumann
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
4Modello di Von Neumann [2]
" Utilizzando la codifica universale fornita dal codice binario, l'idea fu quella
di memorizzare nella macchina non solo i dati, ma anche le istruzioni che
le occorrevano per svolgere determinate operazioni.
Ciò rendeva la macchina "programmabile", cioè non era più necessario
reinserire le istruzioni a ogni esecuzione ottenendo un minor spreco di
tempo ed una maggiore velocità di operazione
" Lo scopo originale di queste macchine era quello di calcolare a grandissima
velocità le complesse tabelle numeriche che occorrevano per i calcoli balistici
relativi alle traiettorie dei proiettili (da qui il nome di "calcolatori").
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
5Modello di Von Neumann [3]
La struttura descritta dal Modello di Von Neumann comprende 6 unità fondamentali:
L'Unità di Controllo (CU) si occupa di
controllare tutte le operazioni del
calcolatore, interpretare le istruzioni
prelevate dalla memoria e inviare alle
altre unità i segnali per l'esecuzione
delle operazioni.
L'Unità aritmetico-logica, detta ALU
(Arithmetic & Logic Unit), fornisce la
capacità di effettuare operazioni
aritmetiche di base
CU
Memoria
BUS
Input
ALU
CPU
Output
Sono spesso integrate in una Unità di Elaborazione Centrale - Central Processing Unit
(CPU)
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
6Modello di Von Neumann [4]
La Memoria: ha lo scopo di conservare le
istruzioni e i dati da elaborare e i risultati
ottenuti dalle elaborazioni;
L'Unità di ingresso (Input): immette le
informazioni nel calcolatore per farle
elaborare;
L'Unità di uscita (Output): riceve le
informazioni dalla memoria del calcolatore
per renderle pronte all'uso;
Il Bus: canale di comunicazione che
consente ai dati di transitare fra diversi
componenti del calcolatore.
Le unità di ingresso e uscita sono
anche dette periferiche.
CU
Memoria
BUS
Input
ALU
Output
CPU
Come lavora un Calcolatore Elettronico basato sul Modello di VonNeumann?
Ipotesi di partenza: sia le istruzioni che i dati sono disponibili in memoria
(sono state opportunamente "caricate" usando l'unità di input).
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
7Modello di Von Neumann [5]
Per ogni istruzione del programma la CPU,
tramite la sua parte Controllo, ordina:

• il prelevamento di una istruzione dalla
  Memoria;
• la decodifica, cioè la interpreta
  capendo quali azioni comporta;
• la esegue utilizzando le opportune unità
  coinvolte.

FETCH-DECODE-EXECUTE
Durante l'esecuzione può, di volta in volta:

• usare la ALU;
• effettuare altri accessi in Memoria per
  leggere o scrivere dati
• effettuare operazioni di ingresso (es. leggi un
  dato dalla tastiera) o di uscita (es. visualizza
  il risultato sul video).

Ipotesi di partenza: sia le istruzioni che i dati sono
disponibili in memoria (sono state
opportunamente "caricate" usando l'unità di input).
CU
ALU
CPU
I
Memoria
BUS
Input
Output
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
8Modello di Harvard [1]
. Il modello Harvard
dedica due memorie
distinte per i dati e per le
istruzioni
. E' usato sui processori
specializzati, ad
esempio i DSP (Digital
Signal Processor)
oppure i microntrollori
(PIC)
Data BUS
Program
memory
CPU
Data
memory
Program memory BUS
Input
/
output
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
9Principali componenti di un personal computer [1]
Nota di colore: inizialmente gli elaboratori elettronici erano degli scatoloni dal design poco
accattivante che custodivano dei circuiti elettrici per l'elaborazione di dati, con il passare del
tempo si è sviluppato un vero e proprio culto per il computer, tanto che le case produttrici sono
in continua competizione nella realizzazione di macchine dal design futuristico tale da renderle
anche oggetti di arredo.
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
10Principali componenti di un personal computer [2]
Tutti i moderni calcolatori, anche se con design e funzioni diverse, hanno la stessa architettura
di base, che riprende quella del modello di Von Neumann. Ovvero:
" un'unità centrale di elaborazione (CPU) che effettua e controlla le operazioni, elabora e
smista i dati di ingresso e di uscita;
" una memoria centrale che registra le istruzioni di un programma e i dati
" le unità periferiche di input/output che svolgono funzioni di comunicazione tra l'utente ed il
calcolatore;
" I bus necessari per scambiare dati tra le varie componenti.
Nei PC contemporanei possiamo sempre ritrovare alcune
componenti fisiche. Ad esempio:
La CPU ovvero il processore;
Le Memorie: Rom, Ram, hardisk;
❑
I dispositivi di input/output
Il Modello di Von Neumann deve essere realizzato nella
pratica con opportune componenti. Proviamo a capire la
corrispondenza tra le componenti fisiche ed il Modello.
...
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
11La CPU [1]
O Il vero e proprio cuore del PC è il
microprocessore.
corrisponde a quella che nel Modello di
Von Neumann veniva chiamata CPU
O la CPU, acronimo di Central Processing Unit, è
l'unità centrale di elaborazione.
Prende il nome di processore poiché svolge
sistematicamente precise operazioni, elabora
dunque un "processo" ovvero legge le istruzioni
e i dati dalla memoria ed esegue le istruzioni.
Tra le più famose industri costruttrici si
annoverano: Intel, Motorola, IBM, AMD
AMD
AMD
AMD Atilor & Processor
AMD
Athlon
AMDA
64
Athlon
AMDA
64
Athlon
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
12La CPU [2]
Un moderno microprocessore è realizzato
come un unico componente elettronico
integrato (anche detto microchip o, più
semplicemente, chip) ed è composto da:
Una Unità di Controllo (CU) che
interpreta le istruzioni da eseguire e
coordina le azioni delle altre
componenti del calcolatore;
Una Unità Aritmetico-Logica (ALU) che
esegue le operazioni matematiche;
Zone di immagazzinamento (cioè
piccole memorie) dove vengono
custoditi i dati in fase di elaborazione;
Un bus "interno" tra le componenti
della CPU
cache dati
Unità di Controllo
Unità Aritmetico-Logica
(ALU)
cache istruzioni
bus
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
13La CPU [3]
Una caratteristica fondamentale del
processore è la sua velocità, cioè la capacità di
eseguire uno o più operazioni al secondo.
Questa velocità viene regolata da un orologio,
detto "clock". La cosiddetta velocità di clock
viene espressa in Hertz o cicli al secondo.
Il legame tra la velocità di clock e la capacità
elaborativa del processore è molto complesso.
Si può affermare che maggiore è la velocità di
esecuzione delle singole operazioni maggiore è
la potenza del processore.
CPU
0
ASUS
LATO PIEDINI DE
UN PROCESSORE
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
14Gerarchia e tipi di memoria [1]
Il nostro PC lavora elaborando dati ed
eseguendo istruzioni che sono conservate in
una memoria.
Le memorie possono essere distinte (già
nell'originale Modello di Von Neumann):
O memoria di lavoro, o Memoria Centrale
(MC), necessaria per l'accensione del pc,
permette di caricare il sistema operativo e di
lavorare con i programmi e i dati.
O memoria di archiviazione, o Memoria di
Massa (MM), utilizzata per registrare e
conservare il sistema operativo, i dati e i
programmi nel tempo.
Le componenti fondamentali di un
moderno calcolatore elettronico
CPU
Memoria
centrale
BUS
Periferiche
Memoria
di massa
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
15Gerarchia e tipi di memoria [2]
Le memorie possono essere classificate secondo numerosi parametri:
Capacità, ovvero la quantità di informazione che possono contenere, tipicamente espressa in
multipli del byte (8 bit = 1 Byte);
Velocità, ovvero il tempo necessario per leggere o scrivere una informazione, tipicamente
espressa in bit al secondo;
Volatilità, ovvero la proprietà di conservare le informazioni nel tempo anche in assenza di
alimentazione elettrica;
Costo per unità di memorizzazione, tipicamente espresso in €/bit;
Modalità di Accesso, che lega il tempo di accesso con la posizione delle informazioni nella memoria:

• diretta o casuale: Il tempo di accesso è indipendente dalla posizione del dato nella memoria
• sequenziale-associativa: Il dato viene identificato mediante una etichetta e la memoria risponde
  indicando l'eventuale presenza del dato al suo interno; Il tempo di accesso è dipendente dalla
  posizione del dato nella memoria
• mista: combinazione dei due casi precedenti

Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
16Modalità di accesso alla memoria
ACCESSO
DIRETTO vs SEQUENZIALE
Si ha accesso diretto (o
casuale) quando si può
raggiungere l'informazione,
ovunque essa sia localizzata,
immediatamente e senza
dover attraversare un percorso
Si ha accesso sequenziale
quando, per raggiungere
l'informazione, è necessario
scorrere tutte le informazioni
presenti prima di essa fino a
posizionarsi sul punto richiesto.
Es: memoria RAM, dispositivi a
disco quali Dischi Fissi, Floppy,
Zip, CD, JAZ, ecc ..
Es: dispositivi a nastro quali
DAT, Videocassette,
Musicassette, ecc ..
testina
nastro
Fondamenti di Informatica
-
Prof. Giuseppe Guarino
17