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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
Memoria centrale
Memoria centrale Unità discoUnità disco
TerminaleTerminale StampanteStampante
Unità di controllo
Unità aritmetico
logica (ALU)
Registri
Dispositivi di I/O
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
diversiSvantaggi 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
Tipologie:SerialeParallelaUSBRGB (video)AudioEthernet (rete)PS2 (mouse, tastiera)MidiHDMI
Sono un mezzo per collegare i dispositivi esterni alla CPU
Porte Interfaccia Seriale:
1 bit per volta velocità massima = 115 Kb/sec per periferiche lente, come mouse e modem esterni.
Interfaccia Parallela: 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
Codice ASCII a 7 bit (car. Editabili)
010 spc ! “ # $ % & ‘ ( ) * + , - . /
011 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ?
100 @ A B C D E F G H I J K L M N O
101 P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _
110 ` a b c d e f g h i j k l m n o
111 p q r s t u v w x y z { | } ~ del
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1
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0
LS
B
MSB
Codice ASCII a 7 bit
Codice ISO 8859-n a 8 bit(ASCII + 128 caratteri)
La memoria centrale
Può essere vista come una sequenza di celle (byte) ciascuna con un proprio indirizzo
Indirizzocella
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
Programma: Una sequenza di
istruzioni scritte in un opportuno linguaggio di programmazione (es. Visual Basic)
Vengono tradotte in istruzioni macchina
Private Sub Ipotenusa()Dim V1, V2, V3 as Double V1 = Range("C1") V2 = Range("C2") V3 = Sqr(V1 ^ 2 + V2 ^ 2) Range("c3") = V3End Sub
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 864 K (PC
Altair)
8086 08/06/1978 29000 16 1 M
8088 01/06/1979 29000 8 (16) 1 M
80286 01/02/1982 134000 1616 M (1 G
virtuale)
80386 DX 17/10/1985 275000 324 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 60-66
22/03/1993 3100000 64 4 G (64 T virtuale)
Pentium 75-166
1994-1996 3200000 64 4 G (64 T virtuale)
P6 150-200 01/11/1995 21000000 6464 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 PentiumPentium
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 (20-100)
100-300 (60-233)
300-? (150-200)
400-? (233-450+)
Transistor 29K 134K 275K 1.2M 3.2M 5.5M 7.5M
LA C.P.U.
Ogni istruzione prevede il ripetersi di 3 fasi o stati della CPU:Fetch. Preleva l’istruzione dalla memoria centrale e incrementa il program counterDecode. 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 figuraAll’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
I pit appaiono come cunette su una superficie piattaI passaggi pit/land o land/pit indicano un 1, e la loro assenza indica uno 0
Passaggio da pit a land
Passaggio da land a pit
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 veloceCon 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
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 caratteriCaratteristiche: risoluzioni fino a 1440 dpi (dots per inch); economiche, silenziose, di buona qualità ma sono lente e le cartucce sono costose.
Stampanti a getto d’inchiostro
Le unità di Output
• 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.
Stampanti laser
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 diagonaleRisoluzione: quantità di punti in cui è suddiviso lo schermo, es. 1024x768), misurata in pixelGamma dei colori: rappresentabiliFrequenza di scansione: numero di volte al secondo in cui l’immagine viene rinnovata, misurata in hertz
Le unità di Output
Altri dispositivi di outputAltoparlanti e cuffie: consentono di riprodurre suoniSintetizzatori vocali: consentono di riprodurre la voce umana per la lettura di testi
Le unità di Output
Altri dispositivi di outputPlotter: 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
TouchscreenTouchscreen: schermo sensibile al tatto, utilizzato per inviare informazioni o comandi
Le unità di I/O
ModemServono 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 oggiIl 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
ModemModulazione di ampiezza
Le unità di I/O
ModemModulazione di frequenza
Le unità di I/O
ModemModulazione di fase
Le unità di I/O
Modem Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)Funziona sul tradizionale doppino telefonicoUsa 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)
