Dispensa di Fondamenti di Informatica. Architettura di un calcolatore

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1 Dispensa di Fondamenti di Informatica Architettura di un calcolatore

2 Hardware e software La prima decomposizione di un calcolatore è relativa ai seguenti macro-componenti hardware la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici software l insieme dei programmi che consentono all hardware di svolgere dei compiti utili il software comprende il software di base (tra cui il sistema operativo) e il software applicativo

3 Macchina di Von Neumann L architettura dell hardware di un calcolatore reale è molto complessa viene introdotta la macchina di Von Neumann, che è un modello semplificato dei calcolatori moderni Von Neumann è stato il progettista (intorno al 1950) del primo calcolatore in cui i programmi potevano essere memorizzati anziché codificati mediante cavi e interruttori

4 Elementi della macchina di Von Neumann La macchina di Von Neumann è composta da quattro tipologie di componenti funzionali fondamentali unità centrale di elaborazione (CPU) componente in grado di eseguire istruzioni per l elaborazione dei dati svolge anche funzioni di controllo (ovvero, di coordinamento) delle altre componenti funzionali memoria centrale memorizza e fornisce l accesso a dati e programmi interfacce di ingresso e uscita componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore (considerate esterne al calcolatore), che consentono lo scambio di dati tra calcolatore e utente bus svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali

5 Architettura della macchina di Von Neumann tastiera mouse schermo memoria secondaria interfaccia i/o interfaccia i/o interfaccia i/o interfaccia i/o bus memoria centrale CPU unità centrale di elaborazione macchina di Von Neumann

6 Funzionalità nella macchina di Von Neumann Il funzionamento di un calcolatore può essere quindi descritto in termini di poche componenti (macro-unità) funzionali ciascuna macro-unità è specializzata nello svolgimento di una tipologia omogenea di funzionalità, ad eccezione dell unità centrale di elaborazione, che svolge sia funzionalità di elaborazione che di controllo Bus Interfacce I/O trasferimento CPU scambio di dati con l utente Memoria elaborazione controllo memorizzazione

7 Codifica dei dati In un calcolatore, i dati (e le istruzioni) sono codificati in forma binaria, ovvero come sequenze finite di cifre 0 e 1 il bit la più piccola unità di informazione in un calcolatore un bit può avere valore 0 oppure 1 la parola bit è una forma contratta per binary digit (cifra binaria) ciascun bit è memorizzato da una cella elementare di memoria, fisicamente realizzata come dispositivo elettronico in cui sono chiaramente distinguibili due stati questi due stati vengono fatti corrispondere allo 0 e all 1 Un bit è una unità di informazione troppo piccola per essere usata individualmente i dati vengono codificati sotto forma di sequenze di bit ciascuna sequenza di bit può essere interpretata come un dato solo viene opportunamente decodificata

8 Byte Un altra importante unità di informazione è il byte un byte è una sequenza di 8 bit Le possibili combinazioni degli 8 bit in un byte sono 2 8 = 256 un byte può essere utilizzato per rappresentare un valore tra 256 diversi possibili valori ad esempio, un piccolo numero intero, un carattere in un alfabeto che contiene non più di 256 caratteri,... in generale, sono possibili diverse scelte sull insieme dei valori possibili ad esempio, con un byte si può rappresentare un numero naturale compreso nell intervallo da 0 a 255, oppure un numero intero relativo nell intervallo da 128 a 127 quindi, l interpretazione di ciascun byte (ovvero, sequenza di 8 bit) deve avvenire opportunamente per consentire la corretta interpretazione delle sequenze binarie, vengono definiti dei tipi di dato

9 Alcuni tipi di dato in un calcolatore Tipi di dato interi relativi (ovvero, con segno) a 32 bit per valori compresi tra e interi relativi (ovvero, con segno) a 8 bit per valori compresi tra 128 e +127 numeri naturali (ovvero, senza segno) a 8 bit per valori compresi tra 0 e +255 caratteri dell alfabeto ASCII (8 bit) caratteri dell alfabeto Unicode (16 bit) numeri razionali in virgola mobile secondo lo standard IEEE a 32 bit approx. tra e numeri razionali in virgola mobile secondo lo standard IEEE a 64 bit approx. tra e valori logici (vero o falso)

10 Elaborazione Una CPU sa eseguire istruzioni in un linguaggio noto come linguaggio macchina. Esso prevede operazioni elementari di manipolazione dei dati, tra le quali: operazioni aritmetiche somma, prodotto, sottrazione e divisione operazioni relazionali confronto tra dati operazioni su caratteri e valori di verità Un calcolatore sa dunque svolgere poche tipologie di operazioni ma le sa eseguire in modo molto efficiente un calcolatore può eseguire circa milioni di istruzioni del linguaggio macchina al secondo L elaborazione dei dati viene svolta dall unità aritmetico-logica (ALU), che è un componente della CPU

11 Memorizzazione La memoria è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acceduti i dati e i programmi la memoria centrale (o principale) è la memoria che può essere acceduta direttamente dal processore Una memoria si compone di celle (o locazioni) ogni cella di memoria è in grado di memorizzare una parola di memoria (ovvero, un sequenza di bit di lunghezza fissata) ogni cella è caratterizzata da un indirizzo, che è un numero che identifica la cella e ne consente l accesso un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella fornisce le operazioni di lettura e scrittura

12 Struttura di una memoria centrale La struttura semplificata di una memoria centrale 128 celle di memoria di 16 bit ciascuna indirizzo della cella bus

13 Trasferimento Il bus è il componente del calcolatore dedicato al trasferimento dei dati e di informazioni di controllo tra le varie parti del calcolatore il bus è l insieme dei collegamenti su cui vengono trasferiti i dati e i segnali di controllo in un calcolatore L idea alla base del bus ci sono due modalità per collegare tutte i componenti di un calcolatore (per permettere lo scambio di dati tra i componenti) collegare ciascun componente con ogni altro componente collegare tutti i componenti a un unico insieme di linee (il bus, appunto) l uso del bus favorisce la modularità e l espandibilità del calcolatore

14 Controllo Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall unità di controllo l unità di controllo è un altro componente della CPU ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall unità di controllo L attività di controllo svolta dall unità di controllo avviene in modo sincrono rispetto alla scansione temporale imposta dall orologio di sistema (clock) è un coordinamento dell esecuzione temporale delle funzioni che devono essere svolte sia internamente all unità di elaborazione sia negli altri elementi funzionali

15 Periferiche e interfacce di ingresso-uscita Un calcolatore può essere collegato a diversi dispositivi di ingresso e/o uscita (chiamati periferiche) ad esempio, la tastiera, il mouse, lo schermo, le stampanti, il modem anche le memorie di massa (ad esempio, le unità disco e il lettore di CD-ROM) sono considerati periferiche Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte del calcolatore ogni periferica viene controllata mediante un opportuna interfaccia una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa

16 Caratteristiche fisiche delle componenti

17 Microprocessore L unità centrale di elaborazione è solitamente realizzata fisicamente sotto forma di microprocessore i microprocessori sono dispositivi elettronici estremamente complessi, formati da milioni di circuiti in spazi molti ridotti

18 Caratteristiche dei microprocessori Le caratteristiche principali di un microprocessore repertorio di istruzioni le istruzioni del linguaggio macchina del processore velocità (misurata come frequenza del clock) la frequenza del clock misura la durata del ciclo macchina, che è l unità di tempo all interno del processore va osservato che l esecuzione di ciascuna istruzione richiede solitamente più cicli macchina ampiezza del bus numero di bit nel bus interno del microprocessore co-processore i moderni processori sono integrati a co-processori specializzati (ad esempio, il co-processore matematico) cache una memoria veloce locale al processore, che consente un accelerazione nell esecuzione dei programmi

19 Caratteristiche delle memorie centrali Le caratteristiche principali di una memoria centrale la capacità il numero di bit che possono essere memorizzati, misurati in byte (e multipli del byte) 1Kbyte indica 2 10 byte = 1024 byte 1Mbyte indica 2 20 byte = 1024 Kbyte = byte 1Gbyte indica 2 30 byte = 1024 Mbyte = byte la velocità di accesso misura la velocità di esecuzione delle operazioni di lettura/scrittura la volatilità le memorie RAM (random access memory) possono essere sia lette che scritte, ma i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore le memorie ROM (read only memory) possono essere solo lette, in cui i dati sono memorizzati in modo permanente

20 Memorie secondarie Una memoria secondaria ha le seguenti caratteristiche fondamentali, che la differenziano dalla memoria centrale non volatilità i dati memorizzati non vengono persi allo spegnimento del calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica e non elettronica) grande capacità una unità di memoria secondaria ha capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale bassi costi il costo per bit di una memoria secondaria è minore (di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale

21 Memorie secondarie Altre caratteristiche delle memorie secondarie rispetto alle memorie centrali minore velocità di accesso i tempi di accesso a una memoria secondaria sono maggiori (di qualche ordine di grandezza) rispetto alla memoria principale i dati di una memoria secondaria per essere acceduti dal processore devono comunque transitare nella memoria centrale In pratica la memoria secondaria memorizza tutti i programmi e di dati del calcolatore la memoria centrale memorizza i programmi in esecuzione e i dati necessari per la loro esecuzione

22 Dischi magnetici Un disco magnetico (disco fisso) è composto da uno o più piatti di alluminio rotanti ricoperti di materiale magnetico e da testine una testina permette la scrittura e lettura di bit su un disco, memorizzati sotto forma di stati di polarizzazione (positiva e negativa) In un disco magnetico ciascun piatto è composto da due superfici (facce) ciascuna faccia è suddivisa in tracce (circolari) e settori (a spicchio) un cilindro è l insieme delle tracce in una data posizione radiale i settori sono le unità logiche di memorizzazione la capacità di un settore è tipicamente di 512 byte

23 Dischi magnetici Esempio di organizzazione fisica di un disco magnetico

24 Il sistema operativo Il sistema operativo è il componente del software di base responsabile della gestione delle risorse del calcolatore, e in particolare di come le risorse vengono allocate alle applicazioni ad esempio, l utente può richiede al sistema operativo di eseguire un programma facendo un doppio click sull icona di un programma sul desktop del calcolatore per avviare l esecuzione del programma, il sistema operativo svolge le seguenti attività individua il codice eseguibile del programma (memorizzato sul disco) alloca al programma le risorse necessarie per la sua esecuzione (ad esempio, una certa quantità di memoria centrale) carica il codice eseguibile del programma in memoria centrale avvia il programma

25 Architettura a livelli di un sistema operativo I sistemi operativi hanno una struttura complessa, che può essere descritta come una gerarchia di macchine virtuali ciascun livello gestisce una diversa tipologia di risorse le risorse gestite sono i processori, la memoria, le periferiche, le memorie secondarie, l interfaccia utente l utente del calcolatore interagisce solo con l interprete comandi del sistema operativo

26 Architettura a livelli di un sistema operativo programmi applicativi interprete comandi gestore dei file gestore delle periferiche gestore della memoria nucleo hardware

27 Nucleo Il nucleo del sistema operativo (o gestore dei processi) è responsabile della gestione della risorsa unità di elaborazione (microprocessore) sotto il nucleo esiste fisicamente una sola unità di elaborazione quindi il calcolatore potrebbe svolgere un solo programma alla volta il nucleo ha (tra l altro) lo scopo di definire tante unità di elaborazione virtuali, una per ciascun programma che si vuole eseguire ciascun programma ha l impressione di essere l unico programma eseguito dal calcolatore il nucleo ripartisce la capacità di elaborazione dell unica unità di elaborazione reale tra le tante unità di elaborazione virtuali il nucleo gestisce anche l eventuale presenza di più unità di elaborazione

28 Gestore della memoria Il gestore della memoria consente l allocazione dinamica della memoria centrale ai programmi in esecuzione a ciascun programma viene allocata un area di memoria virtuale sufficiente per la sua esecuzione il gestore della memoria gestisce la corrispondenza tra le memorie virtuali e l unica memoria reale la dimensione della memoria virtuale può essere maggiore di quella reale i dati possono essere parcheggiati temporaneamente nella memoria secondaria

29 Gestore delle periferiche Il gestore delle periferiche adatta la modalità d uso delle singole periferiche (che possono essere estremamente diverse) a quello di poche tipologie di periferiche virtuali ad esempio, un programma può usare una stampante senza conoscere i dettagli precisi di funzionamento della stampante fisicamente disponibile un driver è un adattatore di dati dal formato virtuale (generico) usato sopra il gestore delle periferiche a quello reale della periferica effettivamente in uso

30 Gestore dei file Il gestore dei file (o file system) è dedicato alla gestione della memoria secondaria (dischi) il gestore dei file consente l uso della memoria secondaria mediante una organizzazione logica in volumi, direttori (cartelle) e file un file è una sequenza di dati di dimensioni variabili, con accesso sequenziale oppure casuale Un direttorio è il contenitore di un insieme di file e sottodirettori un volume è un contenitore di file e direttori, solitamente corrispondente ad una unità a disco inoltre, il gestore dei file mostra ai livelli superiori anche le periferiche come dei file, da cui è possibile leggere e/o su cui è possibile scrivere sequenze di dati

31 Interprete comandi L interprete comandi è l interfaccia utente del sistema operativo definisce le operazioni che possono essere utilizzate direttamente dall utente finale, chiamate comandi esempi di comandi sono esecuzione di una applicazione apertura di un documento (eseguendo l applicazione responsabile della manipolazione di quel tipo di documento) l interprete comandi può essere basato su una interfaccia a caratteri come nei sistemi operativi Unix, ma anche nel prompt dei comandi di Windows basato su una interfaccia grafica come nei sistemi operativi Windows e nell ambiente X Window di Unix

32 Programmi di utilità Il sistema operativo è corredato da un insieme di programmi di utilità, per la configurazione, l ottimizzazione e la gestione ordinaria del sistema gestione degli utenti per definire gli utenti, i gruppi di utenti e i diritti di accesso alle varie risorse gestione delle periferiche ad esempio, l utilità di formattazione dei dischi e l utilità di deframmentazione gestione delle applicazioni per l installazione e la disinstallazione di programmi altri accessori dall editor di testi alla gestione dei servizi Internet

33 Gestione dei file Il file system è il componente del sistema operativo responsabile della gestione dei dati nelle memorie secondarie il sistema operativo gestisce la corrispondenza tra l organizzazione logica e l organizzazione fisica dei dati i dati nelle memorie secondarie sono organizzati logicamente in volumi, cartelle e file i dati nelle memorie secondarie sono organizzati fisicamente in dischi, superfici, cilindri e settori Vengono ora descritte alcune caratteristiche dell organizzazione logica dei dati nelle memorie secondarie con riferimento al file system del sistema operativo Windows

34 File Un file è un contenitore logico di informazioni, caratterizzato da un contenuto una sequenza di byte, da interpretare opportunamente un nome che ne consente l identificazione il nome è composto dal nome del file e da un percorso (path) ad esempio d:\home\java\dispense\01_calcolatore.ppt, in cui 01_calcolatore.ppt è il nome e d:\home\java\dispense\ è il percorso Il nome di un file è solitamente composto da due parti (separate da un punto) il nome nell esempio, 01_calcolatore scelto dall utente l estensione nell esempio, ppt ha la funzione di identificare il formato del file o l applicazione da cui è stato creato, e quindi di consentire la corretta interpretazione

35 Volumi e cartelle L insieme dei file di un calcolatore non viene gestito in un unico contenitore piatto, ma piuttosto i file vengono organizzati in volumi e cartelle un volume è un contenitore logico di file, corrispondente solitamente a una unità a disco ad esempio, il volume a: indica il floppy disk e c: il disco fisso primario una cartella (o directory) è un contenitore logico di file e cartelle le cartelle sono organizzate gerarchicamente ad albero ogni cartella può contenere dei file ogni cartella può contenere altre cartelle (chiamate sottodirettori) la radice (root) è la cartella di livello gerarchico più elevato, corrispondente a un intero volume