1. Architettura dell`elaboratore
1. Architettura dell’elaboratore
1.1
Concetti iniziali
1.1.1
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.
Una prima, iniziale suddivisione del sistema
informatico viene fatta distinguendo due
componenti separate ma mutuamente dipendenti:
l’hardware e il software.
Con il termine hardware si intende l’insieme
hardware
delle componenti fisiche, in particolare circuiti
elettronici, che eseguono operazioni elementari
mentre il software è l’insieme dei programmi che
vengono eseguiti dal sistema.
Viene detta Information Tecnology (IT)
l’insieme di tutte le tecnologie usate per creare,
memorizzare,
elaborare
e
trasmettere
l’informazione nelle sue varie forme (dati
numerici, audio, immagini, filmati, etc.).
software
Sinonimo del termine è telematica, la fusione cioè
di telefonia ed informatica.
1.1.2
Tipologia di elaboratori
Con il termine elaboratore elettronico si designano sistemi informatici con un medesimo
modello teorico, ma caratteristiche ed utilizzi molto diversi. Vengono quindi definite
alcune categorie, dai confini non sempre ben definiti, in cui trovano posto i vari computer,
dai più semplici ai più complessi.
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.
Un personal computer (PC) è un piccolo sistema
indipendente in termini di risorse e dedicato ad un
notebook
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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.
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
workstation
continuo progresso, risulta difficile
distinguere un PC di fascia alta da
una workstation.
Quando le persone che accedono al sistema informatico sono dell’ordine delle decine si
passa ai minicomputer; la notevole potenza di calcolo viene messa a disposizione dei
singoli utenti che colloquiano con il processore tramite terminali stupidi (che non
possiedono un proprio processore) e lavorano come se fossero gli unici fruitori delle
risorse.
In realtà, questo tipo di sistemi va scomparendo, o meglio si sta trasformando in server,
una macchina, cioè, a cui gli utenti si collegano non tramite terminali, ma attraverso
Personal Computer dotati di una scheda di comunicazione che in tal caso assumono il
nome di terminali intelligenti.
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
enormemente inferiori.
In testa alla classificazione stanno
i supercomputer, sistemi che
sfruttano le tecnologie più
moderne e costose (ad esempio la
superconduttività
alle
basse
supercomputer
temperature) per poter elaborare
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in modo veloce dati molto complessi come quelli necessari ad una simulazione di volo o ad
una previsione meteorologica.
Gli utenti sono costretti ad utilizzare dei minicomputer per poter comunicare in modo
efficiente con i supercomputer; il loro possesso è talmente strategico che le loro tecnologie
sono coperte da segreto militare e non possono essere esportati dai paesi d’origine.
Categoria
Impieghi tipici
Costo
Personal Computer Sistema di videoscrittura, Giochi, Attività di
programmazione
1500 $
Notebook
Gestione clienti di un commesso viaggiatore,
Presentazioni multimediali
2500 $
Workstation
CAD (Computer Aided Design) Elaborazione di
immagini e filmati
3500 $
Minicomputer
Gestione completa di una azienda di piccola-media
grandezza
50.000 $
Mainframe
Gestione completa di una azienda di grandi
dimensioni
200.000 $
Supercomputer
Simulatore di volo, Simulazione di processi nucleari, 3.000.000 $
Calcolo di numeri primi
1.1.3
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.
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
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quella di poter accedere molto velocemente alle informazioni in essa contenute (tempi di
accesso minimi).
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.
1.1.4 Macchina di Von Neumann
L’architettura della maggior parte dei moderni elaboratori è basata sul modello della
macchina di von Neumann, ricercatore ungherese che per primo individuò una struttura
regolare comune per gli elaboratori elettronici.
Secondo tale architettura un sistema di calcolo è costituito da quattro elementi base: l’unità
di elaborazione, la memoria, le periferiche e il bus di sistema.
La memoria contiene le istruzioni e i dati necessari per eseguire un programma; l’unità di
elaborazione è formata dai dispositivi elettronici che consentono di acquisire, interpretare
ed eseguire le singole istruzioni.
Le varie periferiche consentono lo scambio di informazioni tra l’elaboratore e l’esterno,
mentre il bus di sistema funge da collegamento fra i vari elementi funzionali.
Lo schema della macchina di von Neumann è il seguente:
Nella macchina di von Neumann, le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono
con una scansione temporale dettata da un orologio di sistema (clock).
B u s di sistem a
M em oria
U nità d i
elaborazione
P eriferich e
Durante ciascun intervallo di tempo l’unità di controllo (che fa parte dell’unità di
elaborazione) decide quali operazioni svolgere: l’acquisizione di istruzioni o dati dalla
memoria, la decodifica e l’esecuzione delle stesse, la manipolazione dei dati o il
trasferimento delle informazioni.
I trasferimenti fra i vari elementi funzionali avvengono attraverso il bus di sistema che si
occupa del collegamento logico fra le parti coinvolte, mentre il collegamento fisico è
sempre presente.
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Il limite dell’impostazione di von Neumann (che è stata formulata 50 anni fa) è la stretta
sequenzialità con cui vengono eseguite le varie operazioni. Per ovviare a ciò sono state
proposte alcune estensioni che rispecchiano le più recenti evoluzioni dell’hardware
soprattutto relativamente alla presenza di più unità di elaborazione e alla gestione, quindi,
di un calcolo parallelo.
La prima concerne l’uso di processori dedicati che sgravano il processore centrale di alcuni
compiti specifici; si parla in pratica dei coprocessori matematici e dei processori grafici
che aiutano il sistema nella gestione dei calcoli numerici e nella presentazione grafica su
video.
Una seconda estensione riguarda la possibilità di dotare il sistema di più processori che
cooperano nell’eseguire le singole istruzioni.
Un’ultima estensione prevede la possibilità di usare diversi tipi di memoria, caratterizzate
da prestazioni e costi diversi (memoria centrale, memoria secondaria e la memoria cache).
In tempi recenti sono state presentate anche architetture alternative a quella di von
Neumann sempre per consentire un elevato grado di parallelismo nell’esecuzione delle
istruzioni. Tra queste ricordiamo le macchine dataflow, in cui l’esecuzione delle varie
istruzioni è guidata dal flusso dei dati derivanti dalle operazioni precedenti.
1.2
Processore
1.2.1 Struttura generale
Come già visto nel precedente paragrafo, 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.
Dati in ingresso
(da input e/o da memoria centrale)
CPU
Clock
ALU
CU
Registri
Risultati in uscita
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Operazioni da
eseguire
(programma)
Si individuano, all’interno del processore, alcune parti che sono funzionali agli scopi sopra
descritti; in particolare avremo una Unità di Controllo (CU, Control Unit), una Unità
Aritmetico-Logica (ALU, Arithmetic and Logic Unit), una serie di registri ed un orologio
interno della macchina (clock) che genera un segnale detto, appunto, segnale di clock.
L’ Unità Aritmetico-Logica esegue le operazioni aritmetiche (addizione, sottrazione, etc.)
o logiche (confronti, comparazioni, etc.) richieste.
I registri sono gli elementi di memoria della CPU (costituiti fisicamente da sequenze di
celle di memoria nelle quali si può leggere e scrivere) e vengono utilizzati per memorizzare
temporaneamente istruzioni e risultati parziali delle operazioni, nonché informazioni di
controllo; la loro funzione è equivalente a quella di una memoria molto veloce. Tra i
registri ricordiamo il Program Counter (che contiene l’indirizzo di memoria della prossima
istruzione da eseguire) ed il Registro di Stato (che contiene informazioni sui risultati delle
operazioni precedenti).
L’Unità di Controllo cura l’acquisizione (fetch) e la successiva interpretazione delle
istruzioni che si trovano in memoria, reperisce i dati dall’input e coordina il lavoro della
unità aritmetico-logica fornendo i segnali elettrici che attivano i diversi dispositivi di
memoria o di operazione (in definitiva L’UC dirige e coordina l’elaborazione dei dati).
Questi segnali vengono forniti in sincrono per mezzo del segnale di clock: ad ogni scatto
del clock viene inviato un segnale; il tempo che intercorre tra un segnale e l’altro, detto
periodo o ciclo di clock, indica il tempo massimo di esecuzione di un’operazione e serve a
sincronizzare fra di loro le varie parti del processore in modo che tutte abbiano terminato il
loro compito prima di passare alla gestione dell’istruzione successiva.
La sincronizzazione è importantissima per il buon funzionamento dell’elaboratore; basti
pensare a quanto succederebbe se l’elaboratore tentasse di fornire in output il contenuto di
una zona di memoria non ancora scritta completamente, oppure se l’ALU andasse a
sommare dati contenuti in celle di memoria non ancora scritte o nelle quali sono
memorizzati dati “vecchi”.
1.2.2 Prestazioni
Le caratteristiche prestazionali di una CPU dipendono da molti fattori tra cui:
- Insieme delle istruzioni (Instruction set) eseguite; le istruzioni semplici (addizione)
vengono eseguite in breve tempo a differenza di quelle complesse (moltiplicazione)
che richiedono tempi di esecuzione più lunghi.
I processori CISC (Complex Instruction Set Computer) possiedono istruzioni che
vengono eseguite in molti cicli di clock, mentre i processori RISC (Reduced
Instruction Set Computer) svolgono solo semplici istruzioni che terminano in un ciclo
di clock.
- Dimensione dei registri; più grandi sono i registri maggiori sono le quantità su cui si
può operare con una singola istruzione.
- Frequenza di clock; la frequenza di clock è direttamente proporzionale al numero di
istruzioni che possono essere svolte nell’unità di tempo e quindi alla velocità di
esecuzione dei programmi. Tale frequenza dipende dalle caratteristiche fisiche dei
processori e non può essere aumentata a piacere. Si misura in Hz (cicli al secondo) e i
microprocessori attuali possiedono frequenze dell’ordine dei GHz (un miliardo di cicli
al secondo).
In passato, per misurare la velocità di un processore si usavano come indicatori i MIPS
(Millions of Instructions Per Second), cioè quante operazioni logiche o fra interi vengono
11
eseguite mediamente in un secondo, e i MFLOPS (Millions of Flotting point Operations
Per Second), che invece sono relativi alle operazioni tra numeri decimali.
Entrambi gli indicatori, come del resto la semplice frequenza di clock, hanno il difetto di
non considerare gli altri parametri relativi all’architettura del sistema e all’effettivo utilizzo
dell’elaboratore.
Si deve comunque ricordare che la velocità computazionale del processore è soltanto uno
degli aspetti da considerare per la valutazione complessiva delle prestazioni di un sistema
informatico; ad esempio, come verrà specificato meglio in seguito, la velocità e la
dimensione della memoria centrale oppure la struttura del bus di sistema possono far
modificare sensibilmente le prestazioni di due elaboratori dotati dello stesso processore.
Per avere una valutazione più completa della bontà di un processore, sono stati quindi
ideati dei programmi che eseguono una serie di test molto approfonditi sulla macchina
simulando un certo gruppo di operazioni di alto livello; questi test vengono chiamati
benchmark.
1.2.3 Processori commerciali
Un processore è un circuito elettronico formato da alcuni milioni di transistor che trovano
posto in uno spazio di qualche centimetro quadrato. Il costo del materiale primo per
costruire un processore è irrisorio, ma la tecnologia per sviluppare questa meraviglia della
miniaturizzazione deve essere supportata da
ingentissimi investimenti per la progettazione dei
microcircuiti e per la realizzazione degli impianti di
produzione.
A causa di ciò, esistono al mondo meno di una decina
di produttori in grado di fornire i processori ai
costruttori di sistemi informatici.
Il più importante produttore al mondo di processori
destinati a PC è Intel, che ha equipaggiato il primo
Personal prodotto dall’IBM nel “lontano” 1981 con il
suo microprocessore 8086. Da allora, a ritmo frenetico, si sono susseguiti tutta una serie di
processori compatibili con il precedente e dalle prestazioni sempre più elevate fino ad
arrivare al P4 attuale.
Nome
Processore
4004
8080
8086
80286
386DX
486
Pentium
Pentium II
Pentium III
Pentium 4
Anno di
produzione
Numero di
Transistor
Frequenza
massima
1971
1974
1978
1982
1985
1989
1993
1997
1999
2001
2300
6000
29000
134000
275000
1,2 M
3,1 M
7,5 M
16 M
35 M
1 MHz
2 MHz
4,77 MHz
20 MHz
33 MHz
100 MHz
266 MHz
566 MHz
933 MHz
2,1 GHz
12
Dalla nascita del primo personal computer si sono avute molte migliorie all’architettura dei
processori che hanno consentito, in prima battuta, l’aumento della frequenza di
elaborazione del processore e, successivamente, la creazione di prodotti che forniscono
funzionalità sempre più complesse, fino ad arrivare alla possibilità di integrare su di una
stessa struttura fisica (circuito integrato o chip), oltre all’unità di calcolo vera e propria, un
coprocessore matematico, memoria e strutture per l’elaborazione del suono e delle
immagini.
Tutti i processori della famiglia Intel sono CISC, mentre altri produttori, come AMD,
hanno scelto l’architettura RISC per le CPU destinate a Personal Computer; i processori
per sistemi di categoria superiore (workstation, server, mini, etc.) sono tutti RISC.
1.2.4 Multiprocessori
La storia dei sistemi di elaborazione che sfruttano più processori che lavorano in parallelo
è molto recente. Gli studi per modificare l’architettura da mono a multiprocessore sono
iniziati negli anni ’80 per ricercare prestazioni sempre più spinte; solo nella seconda metà
degli anni ’90 sono comparsi i primi personal computer multiprocessore.
Gli utilizzi tipici a livello di PC e workstation riguardano le applicazioni grafiche, di CAD,
di calcolo intensivo o di gestione di database, mentre nei grandi elaboratori l’architettura si
rivela indispensabile, ad esempio, per i sistemi di prenotazione in tempo reale o per i
sistemi bancari integrati.
I vari sistemi multiprocessore si differenziano fra loro soprattutto per il grado di
specializzazione di ogni processore (che può eseguire qualsiasi operazione o solo un certo
tipo di istruzione) e per il metodo con cui condividono la memoria e le altre risorse del
sistema (che possono essere proprie di ogni CPU o raggiungibili solo attraverso il bus di
sistema). Per poter sfruttare tali sistemi si stanno sviluppando programmi basati su
algoritmi paralleli.
1.3
Memoria
1.3.1 Memorizzazione dei dati
Lo schema della macchina di von Neumann prevede un unico e generico tipo di memoria
da cui il processore preleva istruzioni e dati e dove deposita i risultati delle elaborazioni.
In effetti 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
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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.
Una memoria flash è una memoria non volatile ma riscrivibile; in pratica è un circuito
a semiconduttore sul quale è possibile immagazzinare dati mantenendoli anche in
assenza di alimentazione.
- 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.
- Memorie spaziali: sfruttano il movimento di un’onda in un mezzo fisico. Attualmente
sono in fase di studio ed hanno prodotto solo alcuni tipi di memorie (a bolle e
molecolari) che possono essere usati solo in situazioni molto particolari, ma si
attendono notevoli sviluppi.
Vista la disponibilità di memorie con caratteristiche diverse che si rivelano ottimali
solamente per alcuni scopi, i moderni elaboratori (anche se l’architettura di von Neumann
non lo prevede) utilizzano memorie anche funzionalmente e logicamente distinte.
In pratica, anche in un semplice personal computer, possiamo notare la presenza di 3 tipi di
memoria: la memoria centrale, la memoria secondaria e quella di transito (o cache).
14
1.3.2
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).
CPU
M. cache
M. centrale
M. massa
1.3.3
Memoria cache
La memoria cache è una memoria temporanea utilizzata per migliorare il trasferimento dei
dati tra la memoria centrale e i registri della CPU; la cache, sensibilmente più veloce della
memoria centrale, contiene i dati usati più frequentemente dalla CPU, producendo così
accessi più veloci; infatti quando il processore richiede un dato, questo viene prima
ricercato nella memoria cache (dove con più probabilità si trova) e, in caso positivo,
caricato in modo quasi istantaneo nei registri del processore; in caso negativo,
l’informazione viene recuperata dalla memoria centrale e, in parallelo, vengono aggiornati
i contenuti della memoria cache in modo che i dati in essa residenti siano sempre i più
richiesti (in termini probabilistici).
Il concetto di memoria cache si estende alle situazioni che comprendono dispositivi
funzionanti con velocità diverse: nel caso del trasferimento dati da memoria di massa a
memoria centrale (sulla quale devono essere presenti le istruzioni da eseguire e i dati
15
necessari per eseguirle) una parte della memoria centrale può simulare una memoria cache,
oppure vi sono memorie (dette buffer) poste tra processore e periferiche.
Un esempio tipico di buffer (o memoria tampone) è quello sistemato su ogni stampante
che permette una efficiente trasferimento dei dati dal processore verso la periferica. In
pratica, il processore invia in modo veloce una serie di dati al buffer; la memoria tampone
si occupa di fornirli alla corretta velocità ai meccanismi di stampa, mentre il processore è
libero di compiere altre operazioni; quando il buffer è vuoto, la stampante avvisa il
processore e altri dati vengono inviati verso di essa fino ad esaurire il processo di stampa.
1.3.4 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; la lunghezza
dell’indirizzo è strettamente legato al
numero di celle che si possono
distinguere e rappresenta quindi un indice
dello spazio di indirizzamento del
processore (equivalente alla grandezza
della memoria).
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); queste tipologie si differenziano per il loro uso e le loro caratteristiche e più
precisamente:
• 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.
16
1.3.5 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.
Un Floppy Disk è un disco di materiale magnetizzato
sulle due superfici protetto da una custodia di plastica,
che serve per trasferire informazioni tra computer non
collegati fisicamente. La capacità di memorizzazione
è piccola ed il tempo di accesso è notevole, ma
possono essere facilmente trasportati da un sistema ad
un altro.
Per eseguire le operazioni di memorizzazione è
necessario un dispositivo che contiene la testina
di lettura/scrittura detto Floppy Disk Drive (FDD).
floppy disk
L’Hard Disk è un dispositivo formato da una serie
di dischi magnetici che ruotano attorno ad un perno
centrale; ogni superficie dei dischi è dotata di una
propria testina per leggere e scrivere. Per consentire
alte velocità di rotazione (tempi d’accesso più
brevi), i dischi si trovano in un contenitore
sottovuoto e non è quindi possibile vedere il
supporto magnetico.
Lo Zip Disk è un piccolo hard disk portatile che può
trasportare una fetta consistente di informazione tra
hard disk
due sistemi dotati di un lettore per tale supporto.
Il Flash Pen (o Pen Drive) è un supporto di memorizzazione di tipo
Flash, che si collega alla porta USB (una delle porte per le
periferiche). Inizialmente la capacità limitata (32 o 64 Mb), anche se
decine di volte superiore a quella di un floppy disk, la non
compatibilità con Windows 98 (se non con l’istallazione di appositi
driver) ed il costo abbastanza elevato (specialmente per i modelli più
capienti) non ne facilitavano la diffusione. Oggi le cose sono cambiate, la capacità dei Pen
Drive è cresciuta di pari passo alla loro diffusione (attualmente si arriva a capacità di 8
GB) e tutti i sistemi operativi da Windows 2000/XP a MacOS 9.1 riescono ad accedere
tranquillamente a questi dispositivi, sia in lettura che in scrittura. Il costo è notevolmente
diminuito (il costo di un dispositivo di 1 GIGA è inferiore ai 30 €) e l’accesso ai dati, sia in
lettura che in scrittura, è molto veloce; esistono dei Pen Drive che arrivano a velocità
ancora più elevate, ma devono essere collegati a porte USB2. I Pen Drive hanno
17
praticamente sostituito i floppy (tanto che nei computer di ultima generazione i lettori per i
floppy non vengono più montati) e presto sicuramente potranno essere usati in luogo degli
hard disk portatili. E’ opportuno prestare molta attenzione perché è molto facile perdere i
dati.
I CD-RW (CD riscrivibili) sono simili ai normali CD audio, ma possono essere scritti,
oltre che letti, tramite un adeguato dispositivo. A differenza dei precedenti dispositivi
usano una tecnologia ottica che consente velocità e capacità considerevoli a basso prezzo.
L’evoluzione naturale dei CD-RW sono i DVD che, utilizzando una tecnologia più
raffinata, consentono di migliorare le prestazioni in termini di velocità e capacità (fino a 25
volte più veloci e 20 volte più capaci di un CD ROM).
Criteri costruttivi più datati stanno invece alla base dei data-cartridge, cassette con un
lungo nastro magnetico che rappresentano l’evoluzione delle vecchie bobine. Lo
svantaggio dell’accesso sequenziale è bilanciato dal basso costo; questo li rende ideali in
operazioni particolari quali il back-up (salvataggio completo di tutti i dati).
Le caratteristiche dei dispositivi di memoria secondaria sono desumibili dalla seguente
tabella dove, come unità di memoria, si usa il byte (equivalente di un carattere):
Nome
Floppy Disk
Hard Disk
Data cartridge
Zip disk
CD-RW
DVD
Flash Pen
Dimensione
360 kB - 2.88 MB
100 MB - 40 GB
200 MB - 16 GB
100 MB - 400 MB
650 MB
4.7 GB - 17 GB
256 MB - 8 GB
Velocità
100-200 ms
8-20 ms
Lineare
20-40 ms
10-30 ms
5-10 ms
ordine di
qualche ms
Costo/MB
0,26 €*
0,01 €
0,01 €*
0.13 € *
0,001 € *
0,005 € *
0,03-0,05 €
Tecnica
Magnetica
Magnetica
Magnetica
Magnetica
Ottica
Ottica
Flash
* per questi dispositivi deve essere anche tenuto conto del costo del lettore
La velocità del data cartridge non è paragonabile alle altre perché, come in tutti i
dispositivi a nastro, il tempo di lettura dipende fortemente dal punto in cui tale dato si trova
(il primo dato è subito disponibile, mentre per l’ultimo è necessario scorrere tutto il nastro).
1.3.6 Relazioni fra memoria e prestazioni dei computer
Le prestazioni di un sistema informatico sono fortemente influenzate dalla gerarchia delle
memoria di tale sistema; essendo infatti il sistema formato da più parti cooperanti, la sua
velocità viene stabilita dalla componente più debole.
Un sistema, benché dotato di un processore con enorme potenza di calcolo, risulterà molto
rallentato da una memoria centrale non correttamente dimensionata in termini di:
a) velocità: l’esecuzione delle istruzioni è infatti preceduta e seguita da operazioni di
lettura e scrittura sulla memoria centrale, se tale memoria non è “veloce” vi sarà
spreco di tempo.
b) capacità di memorizzazione: visto che i programmi da eseguire in genere sono
talmente grandi che solo una parte di essi si trova realmente in memoria centrale,
mentre il resto risiede nella memoria secondaria è ovvio che, se la memoria centrale
è “piccola”, vi sarà un notevole spreco di tempo per caricare e scaricare
informazioni nella e dalla memoria centrale.
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In definitiva, la dimensione e la velocità della memoria centrale diventano parametri che
influiscono sulle prestazioni generali del sistema. Per simili motivi, e visto che molti
programmi ne fanno pesantemente uso, anche la velocità della memoria secondaria, e in
particolare dell’hard disk, costituiscono un parametro critico da valutare per il corretto
dimensionamento di un sistema informatico.
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1.4
Periferiche
1.4.1 Interfacce
Le interfacce di ingresso/uscita sono i dispositivi circuitali che consentono il
collegamento fisico e logico dell’elaboratore con le varie periferiche. Tali unità sono molto
diverse fra loro a seconda del dispositivo esterno a cui sono dedicati.
Alcune interfacce possono essere intelligenti, dotate cioè di un proprio processore capace
di convertire ed elaborare dati e di gestire il colloquio tra il processore principale e la
periferica.
Tutte le interfacce contengono comunque un registro dati, un registro comandi e
informazioni sullo stato della periferica.
Bus Dati
Registro
Dati
ELABORATORE
Bus Controlli
PERIFERICA
Registro
Comandi
Il registro dati viene collegato al bus dati e serve a trasferire le informazioni dalla
periferica all’elaboratore (i caratteri digitati sulla tastiera) e viceversa (i caratteri che
compaiono sullo schermo).
Il registro comandi è collegato al bus controlli e contiene il comando che la periferica
dovrà eseguire; lo stato della periferica viene comunicato o attraverso il bus controlli o
tramite linee dedicate (interrupt) ed è relativo alla situazione momentanea del dispositivo
(per una stampante, ad esempio, lo stato può essere pronta, occupata oppure in una
condizione di errore).
1.4.2 Dispositivi di ingresso
Le periferiche d’ingresso sono quei dispositivi che consentono all’elaboratore di acquisire
informazioni dal mondo esterno ed in particolare dall’operatore che interagisce con la
macchina.
La loro suddivisione è per tipologia di dati da raccogliere; non esistendo un dispositivo che
consenta il facile inserimento, ad esempio, sia di testo che di suoni, ogni elaboratore sarà
normalmente dotato di più di un dispositivo d’ingresso in modo che l’utente possa
scegliere in ogni momento la periferica più adatta allo scopo contingente.
Le principali periferiche d’ingresso normalmente usate sono:
Tastiera (inserimento alfanumerico)
Le tastiere si differenziano per la disposizione
dei tasti (che è legata al paese di utilizzo) e per il
numero di tasti di cui dispongono (attualmente le
tastiere per Windows 9x dispongono di 105 tasti)
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- Mouse (inserimento posizioni)
I mouse possono essere dotati di due o tre tasti; la
funzionalità di ogni singolo tasto dipende dal
programma, ricordando comunque che il tasto più
importante è il pulsante sinistro e che per Windows
9x il tasto destro mette a disposizione un menù
contestuale legato alla posizione del puntatore sullo
schermo; il pulsante centrale viene utilizzato
attualmente solo nei programma di grafica avanzata.
Il costo di un mouse è legato alla sua sensibilità e
precisione.
- Trackball (inserimento posizioni)
La trackball è un dispositivo simile al
mouse in cui il movimento del cursore è
legato al movimento di una piccola sfera;
fisicamente è un mouse girato con la
pancia verso l’alto.
Altri dispositivi simili e con analoghe
funzioni sono il touch-pad e il joystick,
usato quest’ultimo soprattutto per i
giochi.
- Tavoletta grafica (inserimento posizioni)
La tavoletta grafica è un rettangolo di materiale
elettricamente sensibile in cui possiamo
segnalare delle posizioni utilizzando una
particolare penna o un dispositivo simile al
mouse.
Viene utilizzata, ad esempio, per inserire mappe
geografiche o per memorizzare nel computer
disegni già eseguiti su carta.
- Scanner (inserimento immagini)
Lo scanner consente di acquisire immagini in bianco e nero o a colori. L’acquisizione
viene effettuata punto a punto e quindi la memorizzazione richiede un notevole spazio:
non è infrequente trovare immagini che occupano decine di MB. Gli scanner disponibili
sono essenzialmente di tre tipi:
- Manuale: il dispositivo viene fatto scorrere sopra l’immagine da acquisire
memorizzandola così per strisce di circa 10 cm che potranno essere poi incollate
con appositi programmi software.
- Flat : il foglio viene inserito nel
dispositivo che, similmente ad un fax lo
fa scorrere al suo interno per
visualizzarlo. Con questo tipo di scanner
si possono acquisire immagini di
dimensioni paragonabili ad un foglio A0.
- Piano: il foglio viene inserito nel
dispositivo che, con funzionamento
Scanner Piano
analogo ad una fotocopiatrice, muove il
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rilevatore di immagine lungo la superficie dell’immagine da acquisire. Esistono
scanner piani che consentono di ottenere immagini fino al formato A3.
- Modem (inserimento dati)
Il modem (MOdulatore-DEModulatore) è un dispositivo attualmente in auge grazie al
suo utilizzo in ambiente Internet. Consente di trasformare impulsi elettrici provenienti
dalla linea telefonica o da altre linee dedicate in dati memorizzabili sul calcolatore. La
sua caratteristica principale è la velocità di trasmissione che va dai 2400 baud (byte per
secondo) dei vecchi dispositivi ai 128 Kbaud (standard attuale).
- Microfono (suoni)
Un normale microfono può essere collegato, con l’ausilio di una speciale scheda detta
scheda audio, ad un Personal Computer; si rende così possibile l’acquisizione di dati
sonori che consentono, ad esempio, di far funzionare il PC tramite comandi vocali.
- Fotocamere e telecamere digitale (immagini e filmati)
Particolari macchine fotografiche digitali o telecamere
possono essere collegate direttamente ad un sistema di
elaborazione per acquisire semplici immagini o filmati. La
potenza di calcolo necessaria per elaborare tali dati e la
notevole memoria necessaria per gestirli, rende possibile
l’utilizzo proficuo di tali strumenti solo su macchine di
livello superiore (workstation). Se però si è disposti a
rinunciare alla qualità dell’immagine anche un normale PC
dotato di una piccola telecamera (webcam) può acquisire e
gestire un filmato anche di decine di minuti.
1.4.3 Dispositivi di uscita
Le periferiche d’uscita sono tutti quei dispositivi che consentono di ottenere i risultati
delle elaborazioni effettuate dal calcolatore. Analogamente al caso dei dispositivi
d’ingresso, queste periferiche si suddividono in base al supporto fisico su cui vengono
fornite le elaborazioni.
I principali dispositivi attualmente in uso sono:
- Monitor (visualizzazione)
E’ una periferica fondamentale ed è
indispensabile
per
il
funzionamento
dell’intero calcolatore. I dati vengono forniti
all’utente in forma di immagini visualizzate
su di uno schermo televisivo.
Esistono anche particolari monitor detti
touch screen che consentono, tramite il tocco
di aree particolari della loro superficie, di
acquisire informazioni.
I parametri fondamentali di un monitor sono
la sua dimensione (da 12 a 22 pollici), la sua
risoluzione intesa come punti distinti che
possono essere attivati sulla superficie (da
200x320 a 1280x1024) e la sua precisione
misurata con un indice che varia da 0.21
(migliore) a 0.38 (peggiore).
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Si vanno ora diffondendo gli schermi LCD che, grazie alle nuove tecnologie, sono in
grado di fornire prestazioni simili o migliori di quelle dei monitor tradizionali con una
minore emissione di onde elettromagnetiche e un minore ingombro. Attualmente l’unico
inconveniente è il costo che risulta essere dalle 3 alle 5 volte superiore ad un monitor
tubo catodico.
- Stampanti (trasferimento su carta)
Consentono di trasferire su carta i risultati delle elaborazione per poi poterli utilizzare
come strumenti di verifica o di memorizzazione. Esistono essenzialmente tre tipi di
stampanti che si distinguono per la loro tecnica di trasferimento su carta:
- ad impatto: il trasferimento avviene in maniera meccanica premendo un intero
carattere od una serie di aghi su di un nastro inchiostrato che, a sua volta, va a
contatto con la carta lasciando l’immagine desiderata. E’ un metodo di stampa
vecchio ma economico; l’inconveniente del rumore prodotto dall’impatto è ripagato
dal fatto che è l’unica tecnologia che consente di ottenere copie multiple
simultanee.
- a getto d’inchiostro: in questo caso l’inchiostro
viene sparato attraverso una serie di fori calibrati
sulla carta per ottenere le forme desiderate. La
definizione è migliore delle stampanti ad impatto ed
anche il rumore è ridotto a quello causato dal
movimento della carta; per contro il costo per copia
è più elevato, non si possono ottenere copie multiple
e il funzionamento cessa improvvisamente al
termine della cartuccia d’inchiostro.
- Laser: il funzionamento è simile a quello di una fotocopiatrice solo che l’immagine
da riprodurre viene fornita direttamente dall’elaboratore. La qualità di stampa è
ottima, ma il costo del dispositivo e della sua manutenzione sono elevati.
- Plotter (disegni e grafici)
A questo dispositivo è demandato il compito di
trasferire su carta immagini e grafici di dimensioni
elevate, normalmente per disegno tecnico o meccanico.
La tecnologia attuale è quella a getto d’inchiostro del
tutto simile a quella della stampanti, anche se esistono
ancora dei plotter a penna, in cui la macchina simula il
funzionamento del braccio umano con più precisione e
velocità. I plotter possono fornire disegni fino alla
dimensione di un foglio A0 utilizzando anche la
tecnologia a colori. Vi sono inoltre dei plotter in cui la
testina lancia-inchiostro o la penna sono sostituiti da
strumenti quali lame o punte laser; tali plotter sono detti
da taglio e consentono di sezionare, sotto il controllo
del computer, superfici più consistenti della carta, dal
semplice cartoncino alle lastre d’acciaio.
- Modem (dati)
Lo stesso strumento che consente di acquisire dati dalla linea telefonica può essere
utilizzato per lo scopo inverso e cioè per trasformare dati memorizzati nel calcolatore in
impulsi elettrici trasmissibili tramite linee dedicate.
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- Casse acustiche (suoni)
Una coppia di normali casse acustiche possono venire collegate, con l’ausilio della
scheda audio, ad un Personal Computer; vengono così rese esplicite le capacità
multimediali del PC, consentendo di ascoltare musica, un corso di lingua straniera o una
teleconferenza.
- Macchine a controllo numerico
Un elaboratore può avere come periferica d’uscita a diretto contatto anche una macchina
operatrice a controllo numerico; in tale caso i dati in uscita dal computer sono i
manufatti realizzati dalla macchina stessa.
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