Architettura dei Sistemi di Elaborazione - Unità 2

Unità di Apprendimento 2, Lezione 1

• L'architettura dei sistemi di elaborazione è l'argomento.
• Il numero della lezione è 1.
• L'argomento della lezione è l'architettura del computer PCTO.

Elementi chiave dell'apprendimento

• Conoscere le architetture dei sistemi di elaborazione.
• Conoscere il modello di Von Neumann e di Harvard
• Riconoscere il ruolo dei componenti di un sistema di elaborazione (CPU, RAM, I/O, BUS).

Tipi di computer

• Il computer è un dispositivo fisico che implementa il funzionamento di una macchina di Turing.
• La Macchina di Turing è un modello ideale che manipola dati su un nastro di lunghezza potenzialmente infinita.
• Esistono computer riprogrammabili dall'utente (general purpose), come un PC, che sono in grado di svolgere più funzioni.
• Esistono anche computer dedicati a una sola applicazione specifica (special purpose), come un microcontrollore.

Accesso alle risorse del computer

• Un computer general purpose può essere monoutent (monotasking o multitasking α) o multiutente (è multitasking e effettua time sharing delle risorse).

Capacità di integrazione

• La scala di integrazione misura quanti transistor sono realizzati all'interno di un unico chip.
• Le scale di integrazione, in ordine crescente di complessità, sono: SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI.
• SSI: meno di 100 transistor.
• MSI: meno di 1000 transistor.
• LSI: meno di 10.000 transistor.
• VLSI: meno di 100.000 transistor.
• ULSI: più di 100.000 transistor.

Legge di Moore

• Nel 1965, Gordon Moore previde che il numero di transistor integrabili in una singola piastrina di silicio raddoppiasse ogni anno.
• Nel 1975, la legge di Moore fu leggermente modificata, affermando che il numero di dispositivi integrabili raddoppia ogni 18-24 mesi.

Macchine virtuali

• Una macchina virtuale (VM) permette di riprodurre il comportamento di altri sistemi operativi su un PC.
• Le VM vengono utilizzate per simulare o testare software senza doverli installare fisicamente.
• Queste macchine consentono di emulare alcuni hardware, pur non riproducendo a volte architetture completamente diverse.
• I vantaggi includono la possibilità di avviare applicazioni su un diverso sistema operativo.
• Gli svantaggi includono la lentezza dovuta all'eccessivo utilizzo della memoria.
• Esempio: Virtual Box.

Architettura di un computer

• Un sistema di elaborazione è composto da hardware e software.
• Il firmware è uno strato intermedio tra hardware e software, costituito da programmi memorizzati direttamente sui circuiti elettronici.

Architettura di un computer (Analisi approfondita)

• L'architettura di un computer studia le tecniche per progettare e unire logicamente i componenti di un sistema di elaborazione.
• L'obiettivo è quello di ottenere le migliori prestazioni possibili dai componenti elettronici, producendo circuiti sempre più veloci ed efficienti.

Componenti elettronici di un computer

• Distinti in porte logiche e generatori di segnali.

Porte logiche

• Sono componenti elettronici fondamentali per realizzare macchine elementari combinatorie e sequenziali.
• I principali tipi di porte logiche includono AND, OR, NOT.

Generatori di segnali

• Sono componenti in grado di produrre segnali periodici utili per la sincronizzazione degli elementi hardware nei computer.

Il modello Von Neumann

• Descrive il comportamento di una macchina stored-program.
• Caratteristiche:
  • CPU.
  • Memoria centrale.
  • Dispositivi di input/output (I/O).
  • I tre tipi di BUS (dati, indirizzi e controllo)
• Le frecce nelle figure, danno il verso delle informazioni nella comunicazione.
• Le comunicazioni unidirezionali indicano una possibilità di scrittura o lettura, mentre quelle bidirezionali indicano entrambe le possibilità.
• Tutte le comunicazioni tra memoria ed I/O devono necessariamente passare per la CPU.

Il computer secondo il modello Von Neumann

• La CPU esegue azioni in modo sequenziale.
• La velocità della CPU dipende dalla frequenza del clock.
• Un GHz corrisponde a 1 miliardo di operazioni al secondo.

Lo stored-program secondo Von Neumann

• Lo stored-program comprende le istruzioni che la CPU deve eseguire memorizzate nella memoria del computer.
• L'insieme delle istruzioni rappresenta il programma.
• Nella memoria sono presenti anche i dati utilizzati dai programmi.

Il modello Harvard

• Dedica memorie separate per dati e istruzioni.
• È una soluzione più efficiente ma più costosa rispetto al modello di Von Neumann.
• È utilizzato in processori specializzati come DSP e microcontrollori (es. PIC).

La memoria

• La memoria centrale (main memory) è di due tipi:
  • RAM (Random Access Memory).
  • ROM (Read-Only Memory).
• La RAM è volatile e ad accesso casuale, usata per dati e programmi temporanei.
• La ROM è permanente e non voltile, usata per dati e programmi non modificabili, come il BIOS.

L'I/O (Input/Output)

• Comprende i dispositivi di input (per acquisire segnali dall'esterno) e di output (per inviare segnali all'esterno).
• I segnali sono rappresentati da bit.

CPU e I/O

• La CPU gestisce la comunicazione con l'I/O in modo asincrono, tramite interrupt (IRQ).
• Spesso l'I/O è rappresentato da semplici interfacce con i dispositivi fisici.

I Bus

• Il BUS dati: consente la trasmissione dei dati tra la CPU e gli altri elementi del computer (bidirezionale).
• Il BUS indirizzi: contiene gli indirizzi delle celle di memoria o dispositivi di I/O (monodirezionale).
• Il BUS di controllo: trasporta gli ordini dalla CPU e restituisce i segnali di stato dai dispositivi (monodirezionale).

La CPU

• Esegue l'elaborazione dei dati nel computer.
• È il componente hardware che rappresenta il microprocessore.
• I programmi sono scritti in un linguaggio evoluto, poi tradotti in linguaggio macchina.

Cenni sul funzionamento di una CPU

• La CPU estrae le istruzioni dalla memoria.
• Le istruzioni sono processate, e i dati vengono elaborati.
• I processi avvengono in modo sincrono tramite il clock.

Questa lezione esplora l'architettura dei sistemi di elaborazione, analizzando il modello di Von Neumann e Harvard. Imparerai a riconoscere i ruoli essenziali dei componenti del computer come CPU, RAM e I/O. Inoltre, verrà discusso il concetto di computer general e special purpose.