Componenti principali di un
computer
Processore
Memoria
principale
Stampante
Periferiche
del calcolatore
Tasteria e monitor
Periferiche di input/output
Unità centrale
Memoria secondaria
Componenti principali di un
computer
Processore
Memoria
principale
Stampante
Periferiche
del calcolatore
Tasteria e monitor
Periferiche di input/output
Unità centrale
Memoria secondaria
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
Bus Interno
REGISTRI
Unità di
controllo
…
Unità
aritmetico
logica
Memoria
principale
Unità centrale
Program Counter
Registro di Stato
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 del clock 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
Stampante
Periferiche
del calcolatore
Tasteria e monitor
Periferiche di input/output
Unità centrale
Memoria secondaria
Componenti principali di un
computer
Processore
0
1
2
3
4
5
Memoria
principale
Unità centrale
Sequenza di celle
– Ad ogni cella è
associato un indirizzo
(un numero progressivo
a partire da 0)
N
Memoria principale (RAM)
• Conserva i programmi e i dati usati dal
processore
• 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
Memoria principale (RAM)
• 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
0
1
2
3
4
5
N
345
13.200.985
3.890
LOAD 3568 R1
LOAD 56 R1
ADD R1 R2
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 prioprietà 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 inializzazione
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
Cache L1
Processore
ROM
Memoria
principale
Buffer
Componenti principali di un
computer
Processore
Memoria
principale
Stampante
Periferiche
del calcolatore
Tasteria e monitor
Periferiche di input/output
Unità centrale
Memoria secondaria
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
Stampante
Memoria
principale
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
Stampante
Memoria
principale
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
Stampante
Memoria
principale
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
Testina
Blocco
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
0
1
0
0
1
0
0
1
La memoria ottica
1
0
0 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
KB
Mem. cache
MB
Mem. centrale
GB
Dischi magnetici
e/o ottici
>10 GB
Nastri magnetici
100*picosecondi
nanosecondi
10*nanosecondi
microsecondo/
millisecondi
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
Stampante
Periferiche
del calcolatore
Tasteria e monitor
Periferiche di input/output
Unità centrale
Memoria secondaria
I dispositivi di input/output
• Per realizzare l’interazione uomomacchina, 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