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INFORMATICA
LEZIONE 3 MARZO
HARDWARE
CPU (Central Processing Unit): fornisce la capacità di elaborazione delle informazioni contenute nella memoria principale. Programma: specifica univoca di una serie di operazioni che l’elaboratore deve svolgere ed è costituito da una sequenza ordinata di istruzioni macchina. Il ruolo del processore è quello di eseguire programmi in linguaggio macchina Le istruzioni del processore sono solo due:
- sommare
- confrontare la CPU è un chip integrato costituito da una piccola lastra di silicio sulla cui superficie sono stati creati milioni di transitor miniaturizzati. La RAM interagisce con la CPU La CPU è costituita da tre sotto unità:
- controllo : esegue operazioni finalizzate al trasferimento dati o al controllo dell’esecuzione dei programmi
- unità logico-aritmetica : esegue operazioni matematiche e logiche sui dati che sono contenute nei registri
- registri : celle interne alla CPU che devono contenere l’istruzione da eseguire L’ UNITA’ DI CONTROLLO si occupa di coordinare le diverse attività che vengono svolte all’interno del processore, che svolge la sua attività in modo ciclico: ad ogni ciclo corrispondono l’esecuzione di una istruzione macchina e ad ogni ciclo vengono svolte diverse attività controllate e coordinate dalla UC chiamate fetch-decode-execute. La frequenza con cui vengono eseguiti i cicli di esecuzione è scandita dal clock. Ad ogni impulso di clock la UC esegue un ciclo di esecuzione di istruzioni macchina. I processori attuali hanno valori di frequenza di clock che variano tra i 500Mhz La frequenza di clock determina quindi la velocità della CPU REGISTRI : il processore contiene al suo interno un certo numero di registri. Le dimensioni di un registro sono di pochi byte (4,8) I registri contengono delle informazioni di necessità immediata UNITA’ LOGICO ARITMETICA (ALU) : costituita da circuiti che sono in grado di svolgere le operazioni di tipo aritmetico e logico. La ALU legge i dati contenuti all’interno dei registri generali, esegue le operazioni e memorizza il risultato.
Vi sono circuiti in grado di eseguire la somma di due numeri binari contenuti in due registri e di depositare il risultato in un registro e circuiti in grado di eseguire il confronto tra due numeri. In alcuni elaboratori oltre alla ALU si può avere un processore specializzato per effettuare operazioni matematiche particolari, il coprocessore matematico Il processore e altri componenti comunicano tramite impulsi elettrici, che viaggiano attraverso piste di rame, che vengono chiamate BUS. Il numero di linee determina l’ampiezza del BUS: I BUS possono essere a 32 o 64 bit Il BUS che collega la CPU agli altri dispositivi, tra cui la RAM, si chiama system bus. In ogni istante di tempo il bus collega due unità funzionali: una trasmette i dati e l’altra li riceve,questo processo viene controllato dall’unita’ centrale di elaborazione. il clock, cioè un orologio interno, scandisce i tempi di operazioni al processore MEMORIA CENTRALE (RAM) : contiene i programmi e i dati che stanno per essere elaborati dalla CPU. Ha alcune caratteristiche: Ha capacità limitate di alcuni GB. È volatile L’accesso all’informazione è molto rapido La memoria centrale è una sequenza di celle di memoria, ciascuna delle quale contiene una parola. La parola è una sequenza di bit. Le parole di uno stesso calcolatore hanno tutte la stessa lunghezza. Calcolatori diversi possono avere parole di lunghezza diverse. Le lunghezze tipiche sono multiple di byte. Ciascuna cella di memoria è identificata da un indirizzo. RANDOM ACCESS MEMORY significa che al processore occorre sempre lo stesso tempo per accedere a una qualsiasi casuale, parte della memoria. La RAM è una memoria veloce e i dati rimangono finché il computer è in funzione. Quando si spegne la RAM si svuota. Esiste una memoria ancora più veloce della RAM: CACHE che contiene le istruzioni effettuate più recentemente. Nello schema di funzionamento di un calcolatore il processore continuamente preleva informazioni ed istruzioni dalla memoria centrale e scrive in essa informazioni. La memoria centrale, il bus ed il processore lavorano a velocità diverse. La velocità complessiva del sistema determinata dal componente più lento MEMORIA CACHE : il processore cerca le informazion prima nelle cache e poi nella memoria centrale. Ci sono tecniche per decidere cosa memorizzare nella cache. MEMORIA DI MASSA : usata per memorizzare grandi quantità di dati e programmi Ha alcune caratteristiche: Non volatile L’accesso all’informazione non è molto rapido Alcuni esempi di memoria di massa sono hard disk, CD-ROM, DVD-ROM, floppy disk
Nati per l’esigenza di riprodurre su supporto digitale interi film DISPOSITIVI DI INPUT/OUTPUT: Permettono di realizzare l’interazione tra l’uomo e la macchina. La loro funzione primaria è quella di consentire l’immissione dei dati all’interno dell’elaboratore (input) o l’uscita dei dati dall’elaboratore (output). MOUSE : Mouse meccanici: la rotazione di una sfera viene trasmessa tramite sensori interni al processore. Molto economici ma si sporcano facilmente. Mouse ottici: inizialmente utilizzavano un LED e un trasduttore otticoelettrico (fotodiodo) per rilevare il movimento relativo alla superficie d'appoggio (utilizzabili solo su speciali superfici metalliche con una rete di sottili linee blu e grigie). Oggi incorporano un chip per l'elaborazione dell'immagine, in modo da poter essere utilizzati su un maggior numero di superfici comuni. Mouse laser: sono essenzialmente mouse ottici che utilizzano un laser al posto di un LED per l'illuminazione del piano d'appoggio. Come conseguenza si ha una maggiore risoluzione nell'acquisizione dell'immagine, che si traduce in migliore precisione e sensibilità di movimento. ROM È una memoria di sola lettura che si trova nella scheda madre. A volte si aggiornano i BIOS, che vengono scritti su questa lettura. Ogni volta che viene acceso, il computer esegue un piccolo programma contenuto nella ROM che: Identifica il processore Controlla la quantità di RAM e ne verifica il funzionamento Esamina l’hard disk Legge il settore dell’hard disk in cui sono contenute istruzioni per l’avvio del sistema Legge il kernel (traccia 0) La parte della ROM che avvia il sistema è detto BIOS (basic Input/Output System). In fase di avvio del PC il programma di boostrap presente nel BIOS Effettua test diagnostici di base e controlla lo stato delle periferiche collegate, per permettere il caricamento del sistema operativo Carica nella memoria principale la parte principale del sistema operativo (kernel) SCHEDA MADRE Supporto che permette di combinare tutte le varie parti della macchina tramite una serie di circuiti (chipset, cache, BIOS). È una grande scheda master, a forma di un grande circuito stampato, che ha dei connettori per le schede di estensione, per la RAM, processore, ecc. Ci sono inoltre le prese per il collegamento dell’hard disk e dei drive per i dischi mobili.
La struttura attuale delle schede di sistema dei computer è il frutto di un’evoluzione tecnologica che ha portato a definire un’architettura di sistema valida, in linea di massima, per tutti i sistemi di classe personal computer o di potenza. L’architettura: tipologia di progettazione adottata dalla scheda madre per scambiare i dati tra CPU e le periferiche inserite L’architettura può essere Parallela : (parallelismo spaziale) in un unico calcolatore diverse operazioni vengono eseguite simultaneamente da più processori Pipeline : (parallelismo temporale) le operazioni vengono suddivise in stadi successivi da più componenti hardware Seriale : la CPU esegue un’operazione alla volta COMPONENTI SCHEDA MADRE SOCKET : è una parte fondamentale della MB che accoglie la CPU. Nelle schede embedded (o in quelle vecchie e molto economiche) è assente, e il processore è saldato direttamente sullo stampato. Il socket ha una serie di piedini (pin) che permettono il passaggio dati tra CPU e MB. SLOT : per la RAM che possono essere di diversi tipi quanti sono i tipi di RAM. CHIPSET: l'insieme di chip che si occupano di smistare e dirigere il traffico di informazioni passante attraverso il Bus di sistema, fra CPU, RAM e controller delle periferiche di input/output ROM: è la piccola memoria presente su tutti i personal computer, che in alcuni casi può essere riprogrammata, (può essere PROM, EEPROM, flash o altro) contenente il BIOS della scheda madre. Il BIOS è un tipo di firmware CMOS: piccola memoria RAM, in cui sono memorizzate le impostazioni del BIOS. Il CMOS è un semiconduttore che richiede pochissima energia per funzionare. Quando il Personal Computer viene spento, per mantenere memorizzate le impostazioni del BIOS, utilizza una piccola batteria al litio IL BUS DI ESPANSIONE: Si tratta di un collegamento dati generico puntomultipunto, progettato per permettere di collegare alla scheda madre delle altre schede di espansione alloggiate su connettori (slot), che ne estendono le capacità (schede video aggiuntive, schede audio professionali, schede acquisizione dati, unità di calcolo specializzate, scheda video, ecc…). MODEM MODulatore-DEModulatore. Dispositivo per la trasmissione e la ricezione in forma analogica o digitale. Un modem prende le informazioni digitali contenute in un computer e le converte sotto forma di suoni analogici, che possono essere inviati attraverso una linea telefonica analogica convenzionale. I modem possono anche riconvertire in informazioni digitali i suoni analogici in arrivo. Il primo procedimento è noto come modulazione e il secondo come demodulazione; da qui il termine modem.
Eseguono un solo programma alla volta in modo sequenziale. In un’esecuzione sequenziale, mentre il processo attivo è bloccato in attesa di eventi esterni, il processore rimane inattivo, in uno stato chiamato idle, e risulta pertanto sottoutilizzato SISTEMI MULTI-TASKING Più programmi vengono eseguiti contemporaneamente sullo stesso processore. Il numero di processi attivi viene detto grado di multiprogrammazione del sistema Dal punto di vista del processore, in ogni istante vi è un solo processo in esecuzione Se l'alternanza tra i processi è frequente (ad esempio ogni 10 millisecondi), l'utente ha l'impressione che l'esecuzione dei programmi sia veramente simultanea Un processo può trovarsi in tre stati diversi: In esecuzione: quando sta utilizzando il processore In attesa: quando è in attesa del verificarsi di un evento esterno Pronto: potenzialmente in condizione di poter utilizzare il processore che è occupato da un altro processore Il multi-tasking funziona efficacemente se il SO è in grado di offrire alcune assicurazioni: Il cambio di contesto deve essere invisibile al processo Il servizio viene ripreso esattamente nel punto in cui era stato interrotto Ogni n secondi sospende il servizio che sta effettuando e passa a servire un altro processo GESTORE DELLA RAM La memoria RAM essendo volatile perde i dati in caso di system failure. Il SO è responsabile di: Tenere traccia delle aree di memoria correntemente utilizzate e dei rispettivi utenti Decidere quale processo caricare in memoria quando dello spazio si rende disponibile Allocare o liberare spazio in memoria, a seconda delle richieste GESTORE DI MEMORIA SECONDARIA Poiché la memoria principale è volatile e troppo piccola per contenere tutti dati ed i programmi permanentemente, il calcolatore deve prevedere anche una memoria secondaria, di supporto a quella principale. La maggior parte dei calcolatori utilizza dischi come supporti di memoria secondaria, per memorizzare sia dati che programmi. Il SO è responsabile delle seguenti attività per gestire i dischi: gestione dello spazio libero allocazione dello spazio schedulazione dei dischi. GESTORE DEL SISTEMA I/O
Gestisce le periferiche tramite: un sistema di memoria a buffer (area di memoria dedicata all’ingresso e all’uscita di memoria). L’interfaccia per il gestore del dispositivo di I/O I driver GESTORE DEI FILES Un file è inteso come una collezione di informazioni correlate, cioè un insieme di byte che codificano una certa entità logica (testo, immagine, suono, programma, etc), organizzati secondo un certo formato, memorizzati su supporti di memoria secondaria. Comunemente rappresentano programmi e dati. Organizza i files in memoria. Il SO è responsabile delle seguenti cose: Creazione e cancellazione di files Creazione e cancellazione di directory Supporto di primitive per la gestione di files e directory Allocazione dei files in memoria secondaria Salvataggio di dati su supporti non volatili FILE SYSTEM È quella parte del SO che si occupa di gestire e strutturare le informazioni memorizzate su supporti permanenti. Deve fornire una visione astratta dei file su disco e l’utente deve avere la possibilità di: Identificare ogni file con un nome astraendo completamente dalla sua memorizzazione fisica Avere un insieme di operazioni per lavorare sui file: creare o rimuovere file, copiarlo, cambiargli nome, inserire informazioni in un file. effettuare l'accesso alle informazioni mediante operazioni ad alto livello, che non tengono conto del tipo di memorizzazione (accedere ad un file memorizzato sul disco rigido oppure su un CD-ROM allo stesso modo) avere la possibilità di strutturare un insieme di file, organizzandoli in sottoinsiemi secondo le loro caratteristiche, per avere una visione ordinata e strutturata delle informazioni sul disco in un sistema multi-utente, inoltre l'utente deve avere dei meccanismi per proteggere i propri file, ossia per impedire ad altri di leggerli, scriverli o cancellarli LEZIONE 10 MARZO ORGANIZZAZIONE GERARCHICA Tutti i sistemi operativi forniscono operazioni per creare delle directory Una directory è costituita da un insieme di file I nomi dei file sono locali alle directory In questo modo l’indice conterrà due tipi di oggetti:
Per poter funzionare correttamente, ogni dispositivo deve avere il suo particolare driver registrato dal sistema operativo I driver vengono istallati sul computer attraverso un software di installazione automatica che viene fornito assieme ai dispositivi stessi Windows possiede una funzione detta Plug and Play che all’accensione del computer verifica la presenza di nuovi componenti hardware, ricercando automaticamente il driver adatto.
