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Introduzione al Calcolatore e al Modello di Von Neumann, Appunti di Informatica Industriale

Università degli Studi di Napoli Federico II (UNINA)Informatica Industriale

Una introduzione alla struttura e alle caratteristiche di un calcolatore, con un focus particolare sul modello di Von Neumann. le funzionalità di CPU, memoria, processo e processore, e descrive le differenze tra memorie a voce e memorie a byte. Inoltre, vengono presentate le operazioni sulla memoria e il funzionamento di una memoria. Il documento termina con una descrizione del modello di Von Neumann e dei suoi componenti.

Tipologia: Appunti

2020/2021

Caricato il 01/07/2021

ilariaspinci
ilariaspinci 🇮🇹

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Il calcolatore è una macchina che in maniera automatica esegue operazioni “elementari” ad altissima
velocità, non ha nessuna capacità decisionale o discrezionale, ma si limita a compiere determinate azioni
secondo procedure prestabilite dall’algoritmo
algoritmo: successione di azioni che vengono effettuate nel tempo da un esecutore
processo: lavoro svolto eseguendo l’algoritmo, cioè l’elenco delle azioni effettivamente svolte come si
susseguono nel tempo
processore: esecutore dell’algoritmo
Tra le caratteristiche del modello troviamo anche:
Velocità: milioni di istruzioni svolte dalla CPU in un secondo
Affidabilità nella esecuzione degli algoritmi: un computer non commette mai errori di algoritmo poiché è
un esecutore obbediente dell’algoritmo stesso
Capacità di memoria: la capacità è la misura del numero di informazioni immagazzinabili nella memoria,
essa varia in base al tipo di memoria usato
MEMORIA
Insieme di contenitori fisici di dimensioni finite e fissate, detti registri
La posizione di un registro nell’insieme si chiama indirizzo di memoria
La dimensione di un registro si misura in numero di bit
LEZIONE 19/04
Modello di Von Neumann
I calcolatori moderni hanno in comune un modello fondamentale di macchina
chiamato modello di Von Neumann. Questo modello di macchina è nato nel
1946 e fu ideato da John Von Neumann.
CPU (Central Processing Unit) coordina l’esecuzione delle operazioni
fondamentali
Memoria contiene l’algoritmo con le operazioni da eseguire e i dati
su cui opera
Unità di input consente l’inserimento di algoritmo e dati in memoria
(es. tastiera, mouse, penna ottica, tavoletta grafica, scanner)
Unità di output permette di presentare i risultati dell’attività della
CPU ▪ Monitor, plotter, stampanti
i dispositivi di input e output sono le interfacce della CPU nei confronti
del mondo esterno
Memorie a voce
Memorie con registri più grandi (16, 32,…)
Memorie a byte o caratteri Memorie con
registri di 8 bit
I calcolatori moderni sono dotati di memorie a byte
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Scarica Introduzione al Calcolatore e al Modello di Von Neumann e più Appunti in PDF di Informatica Industriale solo su Docsity!

Il calcolatore è una macchina che in maniera automatica esegue operazioni “elementari” ad altissima velocità, non ha nessuna capacità decisionale o discrezionale, ma si limita a compiere determinate azioni secondo procedure prestabilite dall’algoritmo algoritmo: successione di azioni che vengono effettuate nel tempo da un esecutore processo: lavoro svolto eseguendo l’algoritmo, cioè l’elenco delle azioni effettivamente svolte come si susseguono nel tempo processore: esecutore dell’algoritmo

Tra le caratteristiche del modello troviamo anche:

Velocità: milioni di istruzioni svolte dalla CPU in un secondo Affidabilità nella esecuzione degli algoritmi: un computer non commette mai errori di algoritmo poiché è un esecutore obbediente dell’algoritmo stesso Capacità di memoria: la capacità è la misura del numero di informazioni immagazzinabili nella memoria, essa varia in base al tipo di memoria usato

MEMORIA

Insieme di contenitori fisici di dimensioni finite e fissate, detti registri La posizione di un registro nell’insieme si chiama indirizzo di memoria La dimensione di un registro si misura in numero di bit

LEZIONE 19/

Modello di Von Neumann

I calcolatori moderni hanno in comune un modello fondamentale di macchina chiamato modello di Von Neumann. Questo modello di macchina è nato nel 1946 e fu ideato da John Von Neumann.  CPU (Central Processing Unit) coordina l’esecuzione delle operazioni fondamentali  Memoria contiene l’algoritmo con le operazioni da eseguire e i dati su cui opera  Unità di input consente l’inserimento di algoritmo e dati in memoria (es. tastiera, mouse, penna ottica, tavoletta grafica, scanner)  Unità di output permette di presentare i risultati dell’attività della CPU ▪ Monitor, plotter, stampanti i dispositivi di input e output sono le interfacce della CPU nei confronti del mondo esterno

Memorie a voce

Memorie con registri più grandi (16, 32,…)

Memorie a byte o caratteri Memorie con

registri di 8 bit I calcolatori moderni sono dotati di memorie a byte

Operazioni sulla memoria

  • Load (lettura): si preleva l'informazione contenuta nel registro senza però distruggerla
  • Store (scrittura): si inserisce una informazione nel registro eliminando quella precedente. Per comprendere il funzionamento di un registro di memoria si può pensare ad una lavagna il cui uso può essere così esemplificato:
    • leggere informazioni a patto che vi siano state scritte;
    • la lettura non cancella quanto scritto;
  • la scrittura di nuove informazioni obbliga a cancellare quelle precedenti che pertanto vengono perse. Buffer è un’area di transito dei dati dalla CPU alla memoria e viceversa Funzionamento di una Memoria
    1. La CPU indica l’indirizzo del registro interessato dall’operazione
    2. La memoria decodifica l’indirizzo abilitando solo il registro ad esso corrispondente affinché: -Per una operazione STORE copi il dato del buffer nel registro -Per una operazione LOAD copi il dato del registro nel buffer Le operazioni di load e store richiedono tempi di attuazione che dipendono dalle tecnologie usate per la costruzione delle memorie e dalle modalità di accesso:
  • Nel caso di load, il tempo di accesso misura il tempo che trascorre tra la selezione del registro di memoria e la disponibilità del suo contenuto nel registro di buffer.
  • l tempo di accesso nel caso dello store misura invece il tempo necessario alla selezione del registro e il deposito del contenuto del registro di buffer in esso Diversi tipi di memoria Memoria ad accesso casuale ,il tempo di accesso non dipende dalla posizione, sono dette RAM Memoria ad accesso sequenziale, il tempo di accesso dipende dalla posizione Alcune memorie vengono realizzate in modo che sia possibile una sola scrittura di informazioni, tali memorie vengono dette a sola lettura o ROM (da Read Only Memory, l'uso di queste memorie è necessario quando si desidera che alcune istruzioni o dati non siano mai alterati o persi). Memorie volatili , perdono le informazioni in esse registrate quando il sistema viene spento, esempi: RAM e memorie elettroniche in generale. Memorie permanenti, memorie che conservano le informazioni in esse registrate anche quando il sistema viene spento, esempi: memorie di tipo magnetico, ottico, a stato solido (SSD) e tutti i tipi di ROM. Memorie di Massa

del registro di memoria che contiene la prima istruzione da eseguire

2. Fetch =un’istruzione viene prelevata dalla memoria centrale, decodificata e memorizzata in un registro interno 3. Operand Assembly =i dati vengono prelevati dalla memoria (se servono all’istruzione) 4. Execute= l’istruzione viene eseguita  Unità Logico Aritmetica (ALU), esegue operazioni aritmetiche, di confronto obitwise sui dati della memoria centrale o dei registri interni, l’esito dei suoi calcoli viene segnalato da appositi bitin un registro chiamato Condition Code. A seconda dei processori l’ALU può essere molto complessa nei sistemi attuali l’ALU viene affiancata da processori dedicati alle operazioni sui numeri in virgola mobile detti processori matematici  Registri interni, durante le sue elaborazioni la CU può depositare informazioni nei suoi registri interni sono più facilmente individuabili e hanno tempi di accesso inferiori a quelli dei registri della memoria centrale il numero e tipo di tali registri varia a seconda dell’architettura della CPU. La CPU è anche detta processore BUS Canale di comunicazione condiviso da più utilizzatori, permette alla CPU di comunicare con la memoria e tutti i dispositivi di input ed output. Tipologie di bus  Bus di Controllo (Control Bus) = serve alla CU per indicare ai dispositivi cosa devono fare, tipici segnali del Control Bus sono quelli di read e write usati dalla CU per indicare ai dispositivi se devono leggere un dato dal Data Bus (read) o scriverlo su di esso (write)  Bus Dati (Data Bus) = permette ai dati di fluire tra CPU e registro di memoria selezionato per operazioni di STORE e LOAD  Bus Indirizzi (Address Bus) = serve alla CU per comunicare l’indirizzo del dispositivo interessato da una operazione di lettura o scrittura BUS SERIALE E PARALLELO

PRINCIPALI REGISTRI INTERNI

REGOLE SCAMBIO INFORMAZIONI IL CLOCK Le attività di tutti i dispositivi vengono sincronizzate tra loro mediante un orologio interno che scandisce i ritmi di lavoro. Il clock è un segnale periodico di periodo fisso, un’onda quadra caratterizzata da un periodo T (detto ciclo) e da una frequenza f (f=1/T) misurata in Hertz (Hz). La velocità di elaborazione di una CPU dipende dalla frequenza del suo clock, più accelerato è il battito del clock maggiore è la velocità di esecuzione. Alla frequenza del clock è legato il numero di operazioni elementari che vengono eseguite nell’unità di tempo dalla CU. La frequenza dei clock presenti nei moderni sistemi spazia dai MHz (1 MHz corrisponde a un milione di battiti al secondo) ai GHz (1 GHz corrisponde a un miliardo di battiti al secondo). L'esecuzione di una operazione può richiedere più cicli di clock o per la complessità delle operazioni o per la lentezza dei dispositivi collegati alla CPU