Cos'é l'Hardware e come funziona, Dispense di Elementi di Informatica

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HARDWARE

Informatica - Prof. SALZA Massimo 8383

Hardware Software

Computer

HARDWARE E SOFTWARE

Informatica - Prof. SALZA Massimo 8484 Dopo oltre 50 anni e nonostante l'evoluzione della tecnologia, l'elaboratore elettronico è ancora la cosiddetta "Macchina di Von Neumann" definita verso la fine degli anni '40 all'Istituto di studi avanzati di Princeton. L'idea di base è di memorizzare nella macchina non solo i dati, ma anche le istruzioni. Questo rende la macchina automatica e soprattutto generale (all-purpose) nel senso che l'elaborazione da eseguire non è predeterminata, ma dipende dal programma che inseriremo e utilizzeremo. La struttura della macchina è molto semplice: Elaboration Unit Memory INPUT OUTPUT

Architettura del calcolatore

Informatica - Prof. SALZA Massimo 8585 In realtà la struttura teorica è stata implementata tecnologicamente in quello che oggi costituisce l’unità centrale: Central Processing Unit RAM – Cache – ROM Control Unit Arithmetic & Logic Unit (^) Output Interf. I/O

Architettura del calcolatore

Input Questa struttura permette l’implementazione e l’ampliamento del calcolatore sulla base delle esigenze dell’utente.

Informatica - Prof. SALZA Massimo 8888

 CPU o Processore

esegue i programmi da ROM o RAM

 RAM o memoria volatile

contiene dati e i programmi da eseguire

 ROM (BIOS)

contiene i programmi di avvio

 Interfacce o Controller I/O

circuiti che controllano le periferiche (possono essere integrati nella mother- board o schede da aggiungere negli slot)

cpu

ram

B U S Disco Stampante

rom

contr. dischi

interf. video

int. parallela

Video contr. tastiera

Disco Tastiera

Struttura logica

Informatica - Prof. SALZA Massimo 8989

CHIPSET

Circuiti elettronici

d’interfaccia tra il

microprocessore e le

periferiche.

Northbridge: sistema

di collegamento con i

dispositivi “veloci”

Southbridge: sistema

di collegamento con i

dispositivi “lenti”

Struttura logica

Informatica - Prof. SALZA Massimo 9090

Struttura logica

Chipset Informatica - Prof. SALZA Massimo 9191 slot AGP slot PCI porta USB porta parallela IDE floppy

 CPU

 RAM

 BIOS

 Controller

integrati

 SLOT per

controller

aggiuntivi

Scheda madre

Informatica - Prof. SALZA Massimo 9494

Processore

Unità centrale

Processore Stampante Periferiche di input/output Memoria secondaria Memoria principale Input/Output Tastiera e monitor

Periferiche

del calcolatore

Informatica - Prof. SALZA Massimo 9595

CPU

CPU , acronimo di C entral P rocessing U nit (unità centrale di elaborazione) è il dispositivo che esegue materialmente tutte le operazioni logiche, matematiche e di trasferimento dei dati da elaborare secondo l’algoritmo richiesto ed è costituita da una unità di elaborazione detta ALU ( A rithmetic L ogic U nit) e da una unità di controllo o CU ( C ontrol U nit) che stabilisce quali operazioni eseguire e con che scansione temporale. L’unità di controllo invia, infatti, dei segnali all’ ALU in tempi stabiliti ed in sincronia con un timer ( clock ). La frequenza con cui questi segnali vengono inviati indica la velocità con cui le operazioni vengono eseguite. Maggiore è il valore, in MHz, maggiore sarà la capacità o “potenza” del calcolatore anche se, in realtà, alcune istruzioni possono essere svolte in un ciclo unico altre in più cicli, per cui la velocità espressa in istruzioni al secondo ( MIPS – M illions I nstructions P er S econd) sarà inferiore a quella di clock. Per uso comune è con la frequenza che si stabilisce la velocità o “potenza” del calcolatore.

Informatica - Prof. SALZA Massimo 9696

Microprocessore

Informatica - Prof. SALZA Massimo 9797 Funzioni logiche

Per svolgere le complesse operazioni della CPU, sono stati

realizzati “interruttori” che possono essere aperti o chiusi in modo

automatico.

Una descrizione sistematica di questi modi è possibile tramite due

funzioni logiche fondamentali, la funzione AND (E) e la funzione

OR (O), che operano nel seguente modo:

 il risultato della funzione AND, con un numero qualsiasi di valori

binari, è VERO se tutti i valori sono veri altrimenti è FALSO (in

gene si attribuisce alla cifra 1 il significato di vero ed alla cifra 0

quello di falso);

 il risultato della funzione OR, con un numero qualsiasi di valori

binari, è VERO se uno o più valori sono veri, altrimenti è falso.

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Funzione AND

OFF o FALSO = 0 OFF o FALSO = 0

OFF o FALSO = 0 ON o VERO = 1

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Funzione OR

OFF o FALSO = 0

ON o VERO = 1

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I Circuiti Integrati

Combinando opportunamente le funzioni logiche fondamentali, si possono implementare funzioni di complessità maggiore … sommatori, sottrattori, ecc… Grazie all’introduzione dei transistor integrati, circuiti molto complessi possono essere miniaturizzati in componenti di minimo ingombro. Così accade anche per il Processore. Informatica - Prof. SALZA Massimo 103103

Componenti del processore (CPU)

La CPU non è un unico componente ma è costituita da

componenti diversi che svolgono compiti specifici.

Unità di Controllo Reg. Generali BUS ALU Reg. Speciali E. U. B. I. U. Reg. Instr.

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All’interno di un computer esistono più

BUS (Indirizzi, Dati, Controllo) che

rendono possibile il transito delle

informazioni dalle periferiche alla

memoria, dalla memoria al processore,

dal processore alle periferiche.

Vi è poi un BUS interno alla CPU che

collega tutti i componenti tra loro.

CPU

RAM

ROM

PCI

USB

FDC

IDE

I BUS

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Registri

I registri sono delle unità di memoria

estremamente veloci

Sono usate per mantenere le informazioni di

necessità immediata con cui il processore lavora

Le dimensioni dei registri variano da 16, 32, 64 bit

 Sono una parte fondamentale del processore

Possono essere di due tipi:

 Generali

 Speciali

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Registri Speciali

Per esempio: Program Counter

 L’indirizzo della “prossima” istruzione da

eseguire è memorizzato nel registro Program

Counter

Per esempio: Registro Istruzioni

 Contiene l’istruzione in esecuzione da parte

della CPU

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Registri Generali

Sono locazioni di memoria che contengono i dati con i quali sta lavorando la CPU. A seconda della CPU possono essere:  pochi, da 8 a 16; oppure  tanti, fino a 128.

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Unità di controllo

Svolge la sua attività in modo ciclico

 Preleva dalla memoria principale la

“prossima” istruzione da eseguire

 Preleva gli operandi specificati nell’istruzione

 Decodifica ed esegue l’istruzione

 Ricomincia

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Unità di controllo

L’esecuzione comporta l’invio di comandi opportuni all’unità relativa

 Calcoli  Unità aritmetico logica

 Lettura/scrittura dati  Memoria

 Acquisizione/stampa  Dispositivi di I/O

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Istruzioni macchina

I programmi: sequenze di istruzioni elementari

(somma due numeri, confronta due numeri, leggi/scrivi

dalla memoria, ecc.)

Per ogni tipo di processore è definito un insieme di

istruzioni, chiamate istruzioni macchina

 Ognuna delle quali corrisponde ad un’operazione elementare  Le operazione più complesse possono essere realizzate mediante sequenze di operazioni elementari

Il ruolo del processore:

 Eseguire programmi in linguaggio macchina Informatica - Prof. SALZA Massimo 115115

I programmi e i processori

 Ogni tipo di processore è in grado di eseguire un

numero limitato di istruzioni

 Combinando in modo diverso sequenze anche

molto lunghe di istruzioni si possono far svolgere

al computer molti compiti diversi

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Clock

 In realtà, questa ipotesi non è sempre vera

 L’esecuzione di una istruzione può richiedere più

colpi di clock

 Oppure nello stesso ciclo di clock si possono

eseguire (parti) di istruzioni diverse

 Dipende dal tipo di processore

 Per esempio:

 Il processore Intel 80286 richiede 20 colpi del clock

per calcolare la moltiplicazione di due numeri

 Il processore Intel 80486 può calcolare la

moltiplicazione di due numeri usando solo un colpo di

clock

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Clock

 La frequenza del clock si misura in:

 MHz (1 MHz corrisponde circa a un milione di

istruzioni elementari/battiti al secondo)

 GHz (1 GHz corrisponde circa a un miliardo di

istruzioni elementari/battiti al secondo)

 Per esempio: se acquistate un calcolatore e vi dicono che ha un processore a 3 GHz

 Vuol dire che il processore è in grado di

eseguire (circa) 3 miliardi di istruzioni al

secondo

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Clock

In realtà la situazione è molto più complessa:

Il ciclo istruzioni

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Il Processore: le prestazioni

Esistono diversi criteri per valutare la performance di un processore.

Velocità di clock (MHz)

Mips (millions instructions per second)

Flops (floating-point operations per second)

iCOMP, iCOMP 2.0 (Intel COmparative Microprocessor

Performance)

P-rating, SPECint, SPECfp (real-world benchmarks)