Architettura dell’elaboratore

Concetti iniziali

Distinzione fra Hardware e Software

Un sistema informatico è l’insieme di molte parti che cooperano per memorizzare e manipolare l’informazione. Studiare l’architettura di un sistema informatico significa individuarne le varie parti, comprenderne il principio generale di funzionamento ed intuire come le singole parti interagiscono fra di loro.

Distinzione fra Hardware e Software

Con il termine hardware si intende l’insieme delle componenti fisiche, in particolare circuiti elettronici, che eseguono operazioni elementari

il software è l’insieme dei programmi che vengono eseguiti dal sistema.

Tipologia di elaboratori

Con il termine elaboratore elettronico si designano sistemi informatici con un medesimo modello teorico, ma caratteristiche ed utilizzi molto diversi.

Un laptop o notebook computer è un sistema ad utente singolo di ridotte dimensione; i primi posti in commercio avevano la dimensione di una valigetta, mentre adesso sono grandi quanto un’agenda e hanno un peso di pochi chili. Il loro processo di riduzione ha quasi raggiunto il limite inferiore perché ulteriori diminuzioni non consentirebbero una tastiera ed uno schermo funzionali ed efficaci.

Tipologia di elaboratori

Un personal computer (PC) è un piccolo sistema indipendente in termini di risorse e dedicato ad un unico utente. Normalmente è formato da un corpo centrale (che contiene il processore e la memoria), da un monitor, da un mouse e da una tastiera.

I network computer sono degli elaboratori costituiti da un processore, memoria RAM e ROM e da circuiti per collegarsi ad una rete locale o ad Internet. Quando vengono accesi si collegano immediatamente alla rete per sfruttare le risorse di quest’ultima, i vantaggi che presentano sono il basso costo, la semplicità nelle funzioni e la minor probabilità di guasti.

Tipologia di elaboratori

Simile al personal è la workstation, che ne mantiene la struttura base, ma è potenziata in tutte le sue componenti; il monitor risulta essere di notevoli dimensioni per visualizzare anche immagini ad alta definizione, mentre uno o più processori consentono di trattare una grosse mole di dati (di solito di natura grafica). Negli ultimi tempi, grazie al continuo progresso, risulta difficile workstation distinguere un PC di fascia alta da una workstation.

Tipologia di elaboratori

Un sistema di più grandi dimensioni che controlla, in modo interattivo, diverse centinaia di terminali si definisce, invece, mainframe. Per soddisfare le esigenze dei suoi molti utenti mette a disposizione le sue enormi memorie di massa e i suoi molti processori. Anche questa tipologia di sistema informativo è messa in discussione dall’avvento delle reti che consentono di ottenere gli stessi risultati a costi normemente inferiori.

In testa alla classificazione stanno supercomputer, sistemi che sfruttano le tecnologie più moderne e costose (ad esempio la superconduttività alle basse temperature) per poter elaborare supercomputer

Componenti di base di un personal computer

La parte hardware di un Personal Computer è composta da alcuni elementi funzionali interagenti e cooperanti che colloquiano tramite linee dedicate dette bus.

Il processore o CPU (Central Processing Unit) è il modulo che svolge effettivamente le elaborazioni e coordina il flusso dei dati all’interno del computer. Compito principale di questa unità di elaborazione è quello di far girare i programmi, interpretando ed eseguendo le singole istruzioni che li

compongono.

Componenti di base di un personal computer

La memoria centrale è utilizzata per memorizzare il programma (o i programmi) in esecuzione sulla macchina e i dati utili al loro funzionamento. La sua capacità di memorizzazione è relativamente limitata e, normalmente, è volatile (le informazioni vengono perse in caso di mancata alimentazione del PC). La sua caratteristica principale è quella di poter accedere molto velocemente alle informazioni in essa contenute (tempi di accesso minimi).

Componenti di base di un personal computer

La memoria secondaria (o di massa) consente, invece, lo stoccaggio di enormi quantità di dati in modo permanente sfruttando fenomeni magnetici od ottici; lo svantaggio dell’utilizzo di tali tecnologie di realizzazione risiede nel tempo di accesso, notevolmente maggiore rispetto a quello della memoria centrale.

In un Personal Computer tutte le componenti sopra elencate trovano normalmente posto in un unico contenitore detto box o case.

Le unità periferiche sono dispositivi utilizzati per fornire i dati da elaborare al computer e per ottenere da esso i risultati; esse fungono quindi da interfaccia fisica tra l’elaboratore e l’utilizzatore. Si dividono in periferiche d’ingresso, come tastiera e mouse, e periferiche d’uscita, come monitor e stampante.

Processore

Il processore è la “mente” del sistema informatico, la parte cioè che controlla il flusso dei programmi ed esegue le singole istruzioni. A livello fisico la CPU è un circuito elettronico formato da alcuni milioni di transistor che attualmente trovano posto in un singolo chip (circuito integrato) della dimensione di pochi centimetri quadrati. Si parla in questo caso di microprocessore.

Compiti del processore sono:– lo spostamento dei dati (ad esempio reperisce dati

dall’unità di input ed accede alle informazioni necessarie all’elaborazione, caricate solitamente in memoria centrale),

– le operazioni di tipo aritmetico e logico ed – il controllo del flusso delle istruzioni.

Memoria

Esistono diverse tecniche per far “ricordare” ad un mezzo fisico un informazione di tipo binario (uno 0 o un 1) che producono memorie molto diverse tra di loro in termini di velocità (tempo medio necessario per recuperare l’informazione) e di costo. Per il fenomeno fisico alla base del processo di memorizzazione, vengono distinte diverse categorie di memorie:

– Memorie a semiconduttore: il metodo è elettronico e si fonda sulla conservazione di una carica elettrica all’interno di un piccolo conduttore. Si tratta di una memoria di piccole dimensioni fisiche e molto veloce; per contro il costo è elevato. L’informazione può essere memorizzata in modo non permanente e si parla di memoria volatile (il contenuto viene perso se cessa l’alimentazione del sistema), oppure l’informazione viene stabilita in fase di creazione, non è modificabile, e la memoria si dice non volatile.

Memoria

– Memorie magnetiche: la tecnica utilizza la caratteristica di alcuni materiali (le sostanze ferromagnetiche) di assumere e mantenere una direzione di magnetizzazione. Il costo non è elevato e la memorizzazione è permanente (fino ad una successiva sovrascrittura); per contro la velocità non è notevole e viene richiesto un dispositivo di lettura elettro-meccanico (con conseguente possibilità di usura).

– Memorie ottiche: il principio usato è la possibilità di un raggio laser di causare e poi riconoscere modifiche nella struttura della materia (riflettività, polarizzazione). I vantaggi e gli svantaggi sono simili a quelli delle memorie magnetiche, ma vengono migliorati i parametri costo e velocità; per questa ragione, fra breve, le memorie di tipo ottico sostituiranno quelle magnetiche.

Gerarchie di memorie

L’uso di gerarchie di memoria dalla velocità e dai costi via via crescenti serve ad ottimizzare la memoria disponibile in termini di prestazioni e spesa relativa. L’ideale dal punto di vista delle prestazioni sarebbe implementare tutta la memoria come registri interni del processore o con tecnologie a semiconduttore consentendo un accesso quasi istantaneo alle informazioni; d’altra parte, per aver memorie in grado di contenere una elevata quantità di dati, senza spendere cifre astronomiche, sarebbe opportuno scegliere memorie dal basso costo per unità di memoria. Il compromesso fra le due esigenze ha fatto nascere una gerarchia a tre livelli (i registri interni del processore non vengono considerati memoria vera e propria):

– 1. Memoria cache (memoria molto veloce, di piccolo dimensioni e costosa)

– 2. Memoria centrale (memoria veloce, di medie dimensioni e abbastanza costosa)

– 3. Memoria secondaria (memoria lenta, di notevoli dimensioni ed economica).

Memoria centrale

Caratteristica fondamentale della memoria centrale è la capacità di permettere l’accesso alle informazioni in modo “diretto” e in tempi molto brevi. A tale scopo la memoria centrale è del tipo a semiconduttore. Dal punto di vista logico essa può essere vista come una grande matrice monodimensionale formata da celle o locazioni caratterizzate da un indirizzo e da un contenuto. Il processore accede al contenuto (in lettura o in scrittura) della cella per mezzo del suo indirizzo.

Memoria centrale

Il tempo di accesso è il tempo necessario per leggere un dato in una qualsiasi locazione di memoria; attualmente i tempi di accesso alla memoria centrale sono dell’ordine delle decine di nanosecondi (1 ns = 1 miliardesimo di secondo).

La memoria centrale è costituita da memoria di tipo ROM (Read Only Memory - memoria a sola lettura) e da memoria di tipo RAM (Random Access Memory - memoria ad accesso casuale);

Memoria centrale : tipologia

la memoria RAM è cancellabile e riscrivibile ed è adatta a contenere il/i programma/i in esecuzione e tutti i dati necessari al suo/loro funzionamento; le dimensioni di tale tipo di memoria influenzano pesantemente la grandezza dei programmi che possono essere fatti girare sulla macchina.

la memoria ROM, non cancellabile e non riscrivibile, meno costosa della RAM in quanto realizzata con circuiti molto più semplici, viene usata in tutti quei casi in cui non serva modificare il contenuto della memoria, che viene stabilito all’atto della costruzione; tipicamente contiene le istruzioni che consentono di impostare le condizioni ottimali di funzionamento della macchina ed effettuare i vari test di controllo, ossia di realizzare l’inizializzazione o bootstrap del sistema

Memoria di massa

La memoria secondaria o di massa è una memoria di supporto che contiene programmi e dati che possono essere sfruttati solo indirettamente dal processore, visto che l’unica memoria con cui il processore è collegato risulta essere quella centrale.

I vari dispositivi di memorizzazione attualmente in uso si differenziano per la quantità di dati memorizzabili, per la loro velocità di fornirli alla memoria interna e per il loro costo per unità di memoria.

Date le caratteristiche richieste, si utilizzano allo scopo memorie di tipo magnetico e ottico che coniugano in maniera ottimale i tre parametri sopra descritti. Per le caratteristiche costruttive e per il metodo di memorizzazione dei dati sono venute a crearsi numerose famiglie di dispositivi per lo stoccaggio dei dati. I dispositivi più importanti attualmente in commercio sono il floppy disk, l’hard disk, lo zip disk, il data cartridge, il CD-RW e il DVD.

Sitografia

http://csit.uniud.it/fileadmin/immagini_generali/servizi/alfabetizzazione/documenti_pdf/Modulo1.pdf