Il sistema di elaborazione

1. Il sistema di elaborazione

2. 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

3. Schema logico Dispositivi di I/O Unità di controllo Terminale Stampante Unità aritmetico logica (ALU) Registri Memoria centrale Unità disco BUS

4. 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

5. 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

6. 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 diversi Svantaggi • 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

7. Porte Sono un mezzo per collegare i dispositivi esterni alla CPU Tipologie: • Seriale • Parallela • USB • RGB (video) • Audio • Ethernet (rete) • PS2 (mouse, tastiera) • Midi • HDMI

8. 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.

9. La memoria centrale È un dispositivo elettronico (una scheda con più chip) usato per memorizzare istruzioni e dati codificati in forma binaria

10. 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.

11. 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

12. LSB 0010 0000 0001 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 MSB 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 Codice ASCII a 7 bit (car. Editabili)

13. Codice ASCII a 7 bit

14. Codice ISO 8859-n a 8 bit(ASCII + 128 caratteri)

15. La memoria centrale Indirizzo cella Può essere vista come una sequenza di celle (byte) ciascuna con un proprio indirizzo

16. 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

17. 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") = V3 End Sub

18. 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

19. 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

20. La memoria centrale Bootstrap - Fase di avvio: • Viene controllato il corretto funzionamento dell’hardware • Verifica la presenza del S.O. • Avvio del S.O.

21. LA C.P.U. Central Processing Unit (Unità Centrale di Elaborazione) è il microprocessore che insieme alla memoria centrale costituiscono il “fulcro” del sistema

22. C.P.U. Intel

23. C.P.U. Intel

24. LA C.P.U.

25. LA C.P.U.

26. 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)

27. 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

28. 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

29. 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 programcounter • Decode. Interpreta il codice operativo per determinare il tipo di istruzione corrente • Execute. Esegue l’istruzione.

30. 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 alivello di processori (multiprocessori e multicomputer).

31. 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.

32. 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.

33. LA C.P.U. • Nei Multiprocessori diverse CPUcondividono 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.

34. 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

35. 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)

36. La superficie di un disco è organizzata in tracce e settori come in figura All’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

37. 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

38. 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)

39. 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

40. 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

41. Le memorie di massa Nastri magnetici: • Usati per copie di salvataggio (backup) • Relativamente lenti perché l’accesso è sequenziale • Possibile la smagnetizzazione • Ormai obsoleti

42. 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

43. Le memorie di massa Passaggio da pit a land Passaggio da land a pit I pit appaiono come cunette su una superficie piatta I passaggi pit/land o land/pit indicano un 1, e la loro assenza indica uno 0

44. Le memorie di massa DVD (Digital Versatile Disk): • Caratteristiche simili ai CD • Velocità maggiore dei CD

45. 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)

46. Le memorie di massa • Pen drive (con collegamento USB) • SD e micro SD per PC, fotocamere e cellulari • Flash memory tecnologia obsoleta

47. 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

48. 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 veloce • Con laclassica “pallina” o con un dispositivo ottico (optical mouse) • Anche cordless

49. 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.

50. Le unità di Input Scanner: • Per digitalizzare le immagini e acquisirle come file • Caratteristiche principali sono la risoluzione, la velocità, colore