Architettura dell’elaboratore
Claudia Raibulet
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FISICA
 Domani
giovedi’ 18 maggio
• FISICA dalle 13:30 alle 15:30
 Giovedi’ 25 maggio
• FISICA dalle 13:30 alle 15:30
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
o Sono contenuti all’interno dei computer
o Capacita’ di GB
o Costituito da piu’ piastre circolari, generalmente
di alluminio e ricoperte di una sostanza
magnetica
• Dischetti
o Velocita’ di lettura/scrittura molto bassa rispetto
a quella degli altri dischi
o 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:
Da sopra
Schema di un hard disk
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
o La testina deve arrivare alla traccia giusta
o Dipende dalla meccanica (5-15 ms, 1 per tracce
adiacenti)
• Latency
o Il disco deve ruotare fino a portare il dato nella
posizione giusta
o 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 CDROM.
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
• 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
o
o

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
• 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
o
o
Esc, F1, F2, …
Servono per impartire comandi; la loro funzione dipende dal
programma che e’ attivo in quel momento
• Tasti alfanumerici
o
o
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
o
o
Tasti su lato destro
Sono una semplice replica dei tasti numerici disposti come in una
calcolatrice
• Tasti cursore
o
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
•
•

Risoluzione: precisione dei dettagli – quantità di Pixel
•

Per alte frequenze (>=70 Hertz) si ha un immagine più stabile
Per basse frequenze si ha un effetto di tremolio
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:
• 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)
Dati alfanumerici
Immagini
Istruzioni
-> Aritmetica binaria
-> Codici
-> Bitmap
-> 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