Architettura di un calcolatore
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Architettura di un calcolatore
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Storia
– Joseph Marie Jacquard
– Charles Babbage
– John Von Neumann
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Architettura
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Storia: macchine automatiche
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Concetto di programmazione già presente in
alcuni strumenti in grado di riprodurre
automaticamente motivi musicali, come ad
esempio i carillon (Europa, dal 1700 circa).
– Cilindro con puntine
– Lamelle
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Storia: Joseph Marie Jacquard
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Un contributo indiretto, ma importante,
nell'evoluzione dei calcolatori si deve a
Joseph Marie Jacquard.
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Nel 1804 presentò un sistema a schede
perforate in grado di automatizzare le
lavorazioni dei telai
– Cilindro
– Schede perforate
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Macchina programmabile
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L'idea innovativa che permise di cambiare i
calcolatori in modo radicale rispetto alle macchine
automatiche è legata al concetto di programmazione
– possibilità di fornire in ingresso alla macchina non solo i
dati da elaborare, ma anche la sequenza di operazioni da
eseguire sui dati.
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Il programma guida il funzionamento della macchina
nello svolgimento di attività di calcolo complesse
– la macchina è l'interprete delle istruzioni.
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Storia: Charles Babbage
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L'idea del calcolatore programmabile si
concretizzò nella progettazione della
Macchina Analitica (prima metà del 1800)
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Doveva essere, nei progetti di Babbage,
uno strumento di calcolo "universale" le cui
operazioni possono essere di volta in volta
specificate insieme ai dati da elaborare.
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Storia: Charles Babbage
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la Macchina Analitica, azionata da un motore a
vapore, avrebbe dovuto comporsi di quattro
parti fondamentali:
– la memoria (store)
– un’unità di calcolo (mill)
– la sezione di ingresso (lettore di schede perforate)
– la sezione di uscita (stampa dei risultati)
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Elettricità e calcolatori elettronici
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L’impiego di dispositivi elettrici nell’ambito del calcolo era cominciato
già all’inizio del ‘900, ma solo negli anni ‘30 si compresero appieno le
enormi potenzialità di questa nuova tecnologia per la costruzione dei
calcolatori.
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Il passaggio cruciale tra la tecnologia meccanica e quella elettronica
non è legato semplicemente all’impiego della corrente elettrica, quanto
alla rappresentazione dell’informazione numerica con segnali elettrici.
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L'era del calcolatore elettronico si apre nel momento in cui
l’informazione numerica comincia ad essere rappresentata ed
elaborata mediante segnali elettrici.
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Elettricità e calcolatori elettronici
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Nel 1938, il tedesco Konrad Zuse realizzò il primo
calcolatore programmabile in senso moderno,
denominato Z1.
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Elettricità e calcolatori elettronici
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Nel Regno Unito, inizia la realizzazione nel 1943 di un calcolatore
speciale, denominato Colossus, adibito alla decrittazione dei
messaggi segreti tedeschi generati mediante la macchina Enigma.
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Elettricità e calcolatori elettronici
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Sotto la spinta di esigenze belliche gli Stati Uniti
si impegnarono a incrementare le ricerche per
la realizzazione di calcolatori più veloci.
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A partire dal 1943 finanziarono con ingenti
somme la progettazione e realizzazione di un
grosso calcolatore elettronico.
– ENIAC (Electronic Numerical Integrator And
Computer)
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170 metri quadri
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27 tonnellate
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Storia: Jon Von Neumann
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Nel 1944, John von Neumann cominciò a
collaborare con il gruppo di scienziati impegnati
nella costruzione dell'ENIAC negli USA.
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Von Neumann capì che la programmazione del
computer mediante la riconfigurazione di un
numero enorme di interruttori e di cavi era
lenta, faticosa e poco flessibile.
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Storia: Jon Von Neumann
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Per costruire un vero calcolatore elettronico programmabile
occorreva che il programma non fosse rigidamente
predisposto nell'hardware (tramite interruttori e cavi), e
neppure letto sequenzialmente da nastri o schede perforati
(troppo lenti), ma risiedesse in una memoria scrivibile ad
accesso veloce, assieme ai dati da elaborare e alle costanti
numeriche.
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Il risultato fu il calcolatore ENIAC, completato nel 1946, che
rappresentò il primo grande calcolatore elettronico
programmabile basato sull'uso di valvole termoioniche.
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Architettura di un calcolatore
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Il modo in cui le diverse parti di un calcolatore sono
organizzate viene definito architettura di un calcolatore.
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Si fa spesso riferimento all'architettura introdotta da Von
Neumann nel 1946.
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La macchina di Von Neumann si basa su uno schema
molto semplice composto da pochi elementi:
– Processore
– Memoria centrale
– Linee di connessione
– Input/Output
FdI 2014/2015 GMDN 2015 20Architettura di un calcolatore
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L’architettura base di un calcolatore è rappresentata da:
– Un sistema che acquisisce dati dall’esterno (ingresso/input)
– La CPU (Central Processing Unit), il pocessore che eseguele istruzioni sui
sui dati acquisiti
– La memoria centrale, o RAM (Random Access Memory) che contiene le
istruzioni e i dati necessari alla CPU per eseguire i calcoli
– Un sistema che restituisce i dati elaborati (uscita/output)
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Tutte queste parti sono collegate tra loro attraverso delle linee di
comunicazione chiamate bus
– I bus consentono il trasferimento dei dati di ingresso e in uscita
– La CPU legge/scrive i dati sulla/dalla memoria utilizzando queste linee
FdI 2014/2015 GMDN 2015 21Central Processing Unit (CPU)
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La CPU esegue operazioni elementari
– Calcoli aritmetici
– Confronto tra i valori dei dati
– Scelte in base ai risultati del confronto tra valori
– Aggiornamento dei valori presenti in memoria centrale
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Le operazioni elementari sono “scritte” in un linguaggio che
la CPU è in grado di interpretare
– Il inguaggio “macchina” ha solo due simboli (zero e uno)
– Ogni “parola” corrisponde ad una istruzione o a un dato
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CPU
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All’interno della CPU è presente un clock, una sorta di orologio
interno che sincronizza le operazioni della CPU e regola la frequenza
delle stesse.
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La frequenza di clock indica quante operazioni elementari la CPU
può eseguire in un secondo.
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CPU e prestazioni del calcolatore
– la potenza di un calcolatore si misura anche in base alla sua frequenza di
clock
– Una CPU con una frequenza di clock di 1GHz può compiere un miliardo di
operazioni elementari in un secondo
FdI 2014/2015 GMDN 2015 24Random Access Memory (RAM)
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Spesso la CPU viene indicata come il cervello del calcolatore,
ma così non si considera l’importanza della memoria centrale
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La memoria centrale è indicata con la sigla RAM, che sta per
Random Access Memory, memoria ad accesso casuale
– Il termine casuale è fuorviante, in realtà non indica che l’accesso è
fatto casualmente, ma che non è fatto in modo sequenziale.
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La memoria centrale infatti contiene
– Le istruzioni che la CPU esegue
– I dati da elaborare
– I risultati delle elaborazioni
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RAM
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La memoria centrale rappresenta le
informazioni sotto forma di sequenze di bit
– La memoria centrale può essere scomposta in celle
– Ogni cella contiene un bit, ovvero valori 0 e 1
– Le celle sono raggruppate in byte o multipli di byte
– A ogni gruppo di celle è associato un indirizzo, che
permette alla CPU di sapere “dove” leggere e
scrivere i dati
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Memoria e prestazioni del calcolatore
– Maggiore è dimensione della memoria maggiore è la
quantità di dati a cui la CPU può accedere
– Una memoria di grandi dimensioni può contenere anche
molte istruzioni per il funzionamento della CPU
– La dimensione della memoria si misura in multipli di byte
– Una memoria di Gigabyte è in grado di contenere circa un
miliardo di byte (ovvero potrebbe contenere un romanzo
di circa 100 milioni di parole scritto come solo testo)
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Memoria secondaria (o di massa)
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La memoria di massa è costituita da dispositivi di memorizzazione in
grado di mantenere l’informazione per lungo tempo, anche a
calcolatore spento (non è una memoria volatile)
– E’ formata da hard-diski, CD, DVD, chiavette USB, ...
– Come la memoria centrale contiene istruzioni (programmi) e dati
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La CPU non accede direttamente alla memoria di massa
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I dati contenuti nella memoria secondaria devono essere caricati in
memoria centrale.
– L’accesso alla memoria di massa è molto più lento dell’accesso alla memoria
centrale
FdI 2014/2015 GMDN 2015 28Memoria secondaria (o di massa)
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Nei moderni sistemi avviene un continuo scambio
di dati tra memoria centrale e memoria di massa
– La memoria di massa può contenere anche le
informazioni in uso dalla CPU nel caso di mancanza di
spazio in memoria centrale
– I sistemi con poca RAM utilizzano spesso anche la
memoria di massa, diminuendo le prestazioni del
calcolatore
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Hard Disk
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HD vs SSD (Solid State Drive)
FdI 2014/2015 GMDN 2015 32CD, DVD, Blu-ray
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CD, DVD, Blu-ray
FdI 2014/2015 GMDN 2015 34Lunghezza d'onda dei laser
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USB key
FdI 2014/2015 GMDN 2015 36“Caricare” i programmi in memoria
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Tutte le informazioni vengono memorizzate nella
memoria secondaria,
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Quando si vuole utilizzare uno specifico programma
oppure un insieme di dati, il programma e/o i dati
devono essere copiati dalla memoria secondaria alla
memoria principale.
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Questa attività, detta di caricamento di un programma
e/o di un insieme di dati in memoria principale, viene
svolta, in risposta ad una richiesta d’utente, dal
sistema operativo.
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Avvio del calcolatore
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Quando si avvia il computer, quali dati legge la
CPU?
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Il ritardo che si verifica tra il momento in cui si
accende il computer e il momento in cui si può
iniziare a lavorare, cioè quando il sistema operativo
è pronto
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Esiste una memoria Read-Only Memory (ROM)
– Memoria a sola lettura non volatile
– Non è né la RAM né la memoria secondaria
FdI 2014/2015 GMDN 2015 38Read Only Memory (ROM)
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ROM: contiene una serie di programmi incorporati nel
computer che eseguono le operazioni di base, Basic
Input/Output System (BIOS), di supervisione per il
computer.
– Alcuni programmi della ROM vengono usati solo in fase di
accensione del computer e servono per inizializzare e
controllare tutti i componenti hardware presenti
– Altri programmi forniscono un controllo preciso e dettagliato
delle varie componenti del computer, incluse le periferiche
di Input/Output come le unità disco, le cui operazioni
devono essere testate accuratamente
FdI 2014/2015 GMDN 2015 39Puoi anche leggere
