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
Schema logico
Dispositivi di I/O
Unità di
controllo
Terminale
Unità
aritmetico
logica (ALU)
Registri
Memoria
centrale
Stampante
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.
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
0100
1010
1011
1100
1101
“
#
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0110
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0011
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MSB
0101
0010
010 spc
0000
0001
LSB
Codice ASCII a 7 bit (car. Editabili)
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
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
Programma:
 Una sequenza di
istruzioni scritte in un
opportuno
linguaggio di
programmazione
(es. Visual Basic)
 Vengono tradotte in
istruzioni macchina
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
1M
8088
01/06/1979
29000
8 (16)
1M
80286
01/02/1982
134000
16
16 M (1 G
virtuale)
80386 DX
17/10/1985
275000
32
4 G (64 T
virtuale)
80386 SX
16/06/1988
275000
16 (32)
4 G (64 T
virtuale)
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
32
4 G (64 T virtuale)
80486 DX2
03/03/1992
1200000
32
4 G (64 T virtuale)
80486 DX4
07/03/1994
1600000
32
4 G (64 T virtuale)
Pentium 6066
22/03/1993
3100000
64
4 G (64 T virtuale)
Pentium 75166
1994-1996
3200000
64
4 G (64 T virtuale)
P6 150-200
01/11/1995
21000000
64
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
(20100)
100-300
(60-233)
300-?
(150-200)
400-?
(233-450+)
29K
134K
275K
1.2M
3.2M
5.5M
7.5M
Transistor
LA C.P.U.
Fetch
Execute
Decode
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.
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
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)