Struttura dell'elaboratore (sample)
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Struttura dell'elaboratore (sample) Struttura dell'elaboratore (sample) Document Transcript

  • 2013 STRUTTURA DELL’ELABORATORE classe 1 C Soad Hassan 04/02/2013
  • 2INDICE:L’elaboratoreIL CALCOLATORE IDEALE: UNO SCHEMA FUNZIONALE. Pag.3Più livelli di memoria Pag.3Il computer reale Pag.6Il personal computer Pag.7Il bus di sistema. Pag.7aspetti e caratteristiche del bus di sistemaL’unità di elaborazione. (CPU) Pag.11la tecnologiacaratteristiche della CPUl’architettura interna della CPU Pag.12aspetti che determinano le prestazioni della CPULa memoria centrale. Pag.13caratteristiche della memoria centrale Pag.15le tecnologie costruttive della RAM Pag.16read only memory Pag.17superare i limiti del bus:il bus locale Pag.18la cache Pag.19Approfondimento sul funzionamento della CPU e della memoria.operazione di lettura dato:’read’ Pag.20operazione di scrittura dato:’write’ Pag.20struttura della CPU Pag.20il pc all’interno Pag.21
  • 3 L’ELABORATOREIL CALCOLATORE IDEALE:UNO SCHEMA FUNZIONALEL’elaboratore è una macchina elettronica su cui si codificano e si elaborano le informazioni. Nel 1945,VonNeumann ha ideato uno schema dove dice cosa fa l’elaboratore.Nello schema possiamo vedere i 4 blocchifunzionali del modello,ovvero:MEMORIA che indica il componente che ha il compito di memorizzare i dati.UNITA’ CENTRALE DI ELABORAZIONE chiamata anche PROCESSORE o CPU ( Central ProcessingUnit)che elabora i dati.Oltre ad elaborare dati,la CPU ha il compito di controllare ilfunzionamento di tutti gli altri componenti dell’elaboratore .INGRESSO/USCITA(INPUT/OUTPUT) individua i dispositivi attraverso cui vengono immessi dati eprogrammi (input) e mediante i quali il computer può comunicare all’esterno i risultati di unaelaborazione (output).BUS è quel componente che connette tutti gli altri elementi,consentendo loro di ricevere otrasmettere dati e permettendo alla CPU di controllare tutti i componenti.PIU LIVELLI DI MEMORIAIl computer è formato da due elementi principali:La CPU che,con una elevata velocità è in grado di accedere ai dati contenuti nella memoria e dielaborarli sulla base delle istruzioni contenute nei programmi.Una MEMORIA in cui sono memorizzate i dati ed i programmi.In particolare la memoria dovrebbeavere questi cinque requisiti:VELOCITA nel memorizzare o reperire dati.CAPACITA deve poter memorizzare grosse quantità di dati.ECONOMICITA dovrebbe costare poco.NON VOLATILITA dovrebbe mantenere in memoria i dati anche se non in alimentazione.TRASPORTABILITA nel senso di permettere il trasferimento dei dati da computer a computer.Tuttavia l’attuale tecnologia,mentre a reso a disposizione una CPU,non è riuscita a fornire unamemoria dotata dei requisiti richiesti.Questo fatto ha ‘costretto’ i progettisti a realizzare uncomputer organizzando un’architettura con più livelli di memoria:una MEMORIA CENTRALE ossia la RAM,realizzata con una tecnologia elettronica che garantisceuna elevata velocità ma,costosa e non in grado di mantenere i dati memorizzati quando ilcomputer si spegne.La RAM è una memoria di lavoro o volatile.Più tipologie di MEMORIE SECONDARIE O DI MASSA (HARD-DISK) realizzate con la tecnologiamagnetica o ottica,poco costose,capaci di mantenere i dati anche in assenza di alimentazione,conuna capacità centinaia di volte di volte maggiore a quella della RAM;inoltre alcuni tipi dimemoria di massa sono trasportabili.
  • 4 CPU UNITA’ CENTRALE DI ELABORAZIONE OUTPUTINPUT MEMORIA DATI INFORMAZIONI
  • 5 CPU VELOCITA’ MEMORIA VELOCITA’ ECONOMICITA’NON VOLATILITA’ CAPACITA’TRASPORTABILITA’
  • 6IL COMPUTER REALELa RAM,seppure molto veloce,è VOLATILE e quindi anche disponendo di una grande quantità dimemoria,ne perderemmo il contenuto nel momento il computer venisse spento.Inoltre tale memoria è molto costosa:quindi non si può pensare di utilizzarla per conservare neltempo grosse quantità di dati e di programmi.Le memorie di massa sono enormemente più lente rispetto alla memoria centrale:tale lentezza èdovuta al fatto che mentre la memoria centrale è di tipo elettronico(con i tempi di accessodell’ordine dei nanosecondi),le memorie di massa utilizzano dei componenti elettromeccanici(incui i tempi di accesso dell’ordine dei millisecondi,ovvero mille volte più lenti).Se vogliamo garantire una elaborazione efficiente tra la CPU e la memoria,dobbiamo realizzareuno schema di funzionamento in cui: Il processore accede solo alla RAM,l’unica ad avere una velocità paragonabile alla CPU; Il processore non accede mai direttamente ai dati memorizzati sulle memorie di massa ma,prima di essere elaborati,tali dati devono essere trasferiti dalle memorie di massa alla memoria centrale; poichè la memoria centrale è volatile,i dati presenti nella RAM,per la conservazione nel tempo,devono essere trasferite nelle memorie di massa. In altre parole,dopo aver acceso il computer i dati ed i programmi da elaborare saranno ‘caricati’ nella memorie centrale. Al termine dell’elaborazione,i dati saranno ‘salvati’ sulla memoria di massa per la loro conservazione. CPU RAM DATI INFORMAZIONI MEMORIE DI MASSA FLOPPY HARD-DISK
  • 7IL PERSONAL COMPUTERNelle pagine seguenti affronteremo lo studio di uno speciale elaboratore,il PERSONALCOMPUTER(PC) che,grazie al fatto di avere un costo basso,è diventato il tipo di elaboratore piùusato.I componenti che costituiscono l’UNITA CENTRALE di un generico personal computer sono: il BUS DI SISTEMA la CPU la RAM le MEMORIE DI MASSAI dispositivi INPUT/OUTPUT ne permettono l’utilizzo e sono: il MONITOR la TASTIERA il MOUSE la STAMPANTE lo SCANNER il PLOTTER il DIGITIZER il LETTORE BAR CODE le SCHEDE PCMCIA il MODEMIL BUS DI SISTEMAUno dei problemi che i progettisti hanno incontrato durante la costruzione del personalcomputer,è stato quello di trovare un sistema per interconnettere le varie parti del computer,inmodo che potessero comunicare tra di loro.Una prima soluzione ipotizzata è stata quella di realizzare dei singoli collegamenti elettrici perconnettere tra di loro i diversi componenti.I progettisti per fare in modo che i componentipotessero ‘parlare’ tra di loro,hanno messo a punto una soluzione chiamata ARCHITETTURA DEI BUSIn questo modello tutti i componenti del computer NON sono collegati tra di loro come nel primacaso,ma si interfacciano verso il bus di sistema,in base a regole ben definite.In questo modo èpossibile aggiungere,anche in un momento successivo,una nuova scheda: purchè dotata di un’opportuna interfaccia fisica che si adatti al bus; e purchè rispetti le regole di colloquio utilizza teda tutti di altri sistemi connessi al bus.Una volta che la scheda è stata inserita nei connettori del bus stesso,può comunicare con gli altricomponenti del personal computer,inclusa la memoria e il processore.La scelta di utilizzare sul personal computer una ‘architettura a bus’,è stata proposta dall’IBM sulsuo primo personal computer.L’importanza del costruttore ed il fatto che l’IBM abbia reso pubbliche le specifiche tecniche delbus utilizzato,ha fatto si che in breve tempo questo bus diventasse uno standard di mercato.In unsecondo momento,basandosi su questo standard,altre società hanno avuto la possibilità di
  • 8produrre dispositivi aggiuntivi,che si potevano connettere con molta facilità.Tutto questa hapermesso di ampliare il mercato stesso,creando quella situazione di concorrenza che tanto hacontribuito al successivo abbassamento dei prezzi e alla diffusione del personal computer che oggiconosciamo.Nello scema vediamo lo schema semplificato di un personal computer,in cui tutti i principalicomponenti sono collegati al bus,e attraverso si scambiano segnali. MEMORIA CPU RAM HARD- DISK BUS DI SITEMA TASTIERA VIDEO PRINTER INPUT/OUTPUT
  • 9ASPETTI CARATTERISTICI DEL BUS DI SISTEMAIl bus di sistema è sempre sotto il controllo del processore che detta le regole di base allequali,tutti gli altri dispositivi connessi,possono utilizzare il bus stesso.Si dice che il processoreesercita il ruolo di ‘master’ e le altre unità funzionali il ruolo di ‘slave’.Fisicamente il bus è costituito da un’insieme di connessioni elettriche lungo le quali vengonotrasferiti i dati.A secondo del tipo di segnale trasportato,le linee del bus vengono suddivise in tre categorie: linee per il trasporto dei dati (DATA BUS): sono bidirezionali,nel senso che i dati che passano attraverso queste linee possono andare dal ‘master’ allo ‘slave’ e viceversa;inoltre la presenza di piu linee consente il trasferimento dei dati ‘in parallelo’ linee per il trasporto degli indirizzi(ADDRES BUS):questo gruppo di linee(unidirezionali) permettono alla CPU di selezionare una specifica locazione di memoria per un’operazione di lettura o scrittura linee per il trasporto dei segnali di controllo(CONTROL BUS):permettono di trasferire i segnali di controllo dal ‘master’ allo ‘slave’ e viceversaNel valutare gli aspetti caratteristici di un bus,gli elementi da evidenziare sono: LA VELOCITA CON CUI RIESCE A TRASMETTERE I DATI Durante ogni operazione di trasferimento dati,è necessario che il bus sia dedicato a quel collegamento,per tutto il tempo necessario a completare il trasferimento.Tanto minore è questo tempo,tanto è maggiore sarà la velocità del bus. IL NUMERO DI LINEE UTILIZZATE PER I DATI Sulle linee per i dati transitano le informazioni tra il processore l’unità collegata in quel momento;questo significa che il numero di linee utilizzate ci dà una misura della capacità di trasferimento di dati da parte del bus.Maggiore è il numero di linee e ,maggiore sarà la quantità di dati che potranno fluire verso il processore per essere elaborati. IL NUMERO DI LINEE UTILIZZATE PER GLI INDIRIZZI In questo caso ad un maggior numero di linee corrisponderà una maggiore capacità di indirizzamento e quindi la possibilità di poter indirizzare una maggiore quantità di memoria. Il fatto di essere standard ha dei pro e dei contro. L’architettura a bus,rappresenta uno ‘standard de facto’ riconosciuto dal mercato,ha avuto il grosso merito di permettere l’installazione di una scheda aggiuntiva. in modo semplice anche in tempi successivi all’acquistoPer contro,nel momento in cui l’evoluzione tecnologica ha portato alle necessità di utilizzarenuovi bus in grado di supportare componenti con velocità sempre maggiori,il fatto di avere unostandard accettato e diffuso,ha rischiato di diventare un grosso vincolo per l’evoluzionetecnologica.I principali bus che negli anni sono stati utilizzati sui personal computer:Tra questi,i bus chehanno rappresentato un effettivo standard sul mercato sono stati i bus ISA e PCI.
  • 10 S100: utilizzato da uno dei primi personal,l’Atair PC-XT-81:è il bus che l’IBM progettò per il suo primo personal computer PC-AT-85: chiamato anche ISA,è stato un’evoluzione del precedente ed è il bus che ancora oggi troviamo nei nostri pc MCA-87:questo sarebbe dovuto essere il successore del bus ISA.Benchè presentasse miglioramenti,la non compatibilità con il bus ISA,e soprattutto la richiesta di pagamento da parte di IBM,ne limitarono moltissimo la diffusione EISA-88 PCI-91ELEMENTI DI VALUTAZIONE DEI BUS: LA VELOCITA CON CUI RIESCE A TRASMETTERE I DATI IL NUMERO DI LINEE UTILIZZATE PER I DATI IL NUMERO DI LINEE UTILIZZATE PER GLI INDIRIZZI IL FATTO DI ESSERE ‘STANDARD’
  • 11 L’UNITA DI ELABORAZIONE:LA CPULa CPU Central Prosessing Unit o processore,è il componente che più di tutti gli altri caratterizzameglio il pc,sia sotto l’aspetto delle prestazioni che della capacità elaborativa.La CPU è il dispositivo hardware in grado di: leggere,decodificare,eseguire istruzioni prelevate dalle memoria governare il funzionamento delle varie parti del computerOgni CPU è strutturata per eseguire un programma sulla base dei seguenti principi: le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale le istruzioni ed i dati che la CPU elabora vengono prelevati dalla RAM,l’unico livello di memoria a cui può accedere.Inoltre la CPU ha il compito di sincronizzare il compito del bus e di tutti gli altri dispositivi inmodo da garantire un corretto funzionamento.TECNOLOGIAIn passato la CPU era composta da circuiti integrati,ognuno capace di svolgere una funzione,oggi èrealizzata con le più sofisticate tecnologie elettroniche ed è costituita da un unico circuitointegrato chiamato anche MicroprocessoreIl microprocessore sia per il progetto dell’architettura interna sia per i livelli di integrazione raggiuntarappresenta quanto di piu avanzato l’uomo ha prodotto nel settore della microelettronica.CARATTERISTICHE DELLA CPUNella valutazione della CPU dobbiamo tener conto di due aspetti fondamentali.Il primo è legato all’architettura interna,che caratterizza in maniera precisa ogni CPU e inparticolare: definisce il set di istruzioni che è in grado di decodificare ed eseguire rappresenta il primo parametro da prendere in esame per valutarne la ‘potenza di calcolo’.Date due diverse CPU,la seconda viene definita compatibile con la prima,se la seconda è in gradodi leggere il set di istruzioni della prima.Il secondo importante elemento di valutazione è rappresentato dalla velocità con cui vengonoeseguite le istruzioni.
  • 12Maggiore è il numero degli impulsi per secondo,maggiore è il numero di istruzioni eseguite quindila velocità con cui la CPU esegue.Ad esempio: una CPU funzionante a 1,6 GHz effettuerà le elaborazioni il doppio più veloci di unaCPU a 800 MHz MHz = 1 milione di cicli al secondo GHz = 1 miliardo di cicli al secondoL’ARCHITETTURA INTERNA DELLA CPULa CPU è composta da: CONTROL UNIT: è il componente che coordina le altre unità della CPU,ha il compito di decodificare le istruzione e garantirne l’esecuzione. ALU(Unità Aritmetica e Logica):è il componente della CPU specializzato nell’esecuzione di calcoli. REGISTRI: sono delle locazioni di memoria.Tipicamente hanno una dimensione di pochi byte e vengono usati per mantenere dati su cui sta operando la CPU e per trasferire i dati attraverso i bus.I registri piu importanti sono: INSTRUCTION REGISTRER(IC) dove viene caricata l’istruzione prelevata dalla memoria:qui i circuiti della control unit provvedono a decodificarla. PROGRAM COUNTER(PC) dove viene salvato l’indirizzo della successiva istruzione che deve essere prelevata dalla memoria per essere eseguita. ACCOMULATORE:è un registro di lavoro attraverso cui transitano i dati provenienti dalla memoria.LE FASI DEL PROCESSO DI ELABORAZIONE RICERCA(FEACHING):la CPU preleva dalla memoria l’istruzione che deve essere eseguita e la carica sull’instruction registrer DECODIFICA(DECODING):i circuiti della control unit decodificano l’istruzione e le mettono nella giusta sequenza ESECUZIONE(EXECUTING): l’istruzione viene eseguita.ASPETTI CHE DETERMINANO LE PRESTAZIONIIl primo aspetto da tener conto è il set di istruzioni che la CPU è in gradi di eseguire.In genere sipuò dire che maggiore è il numero di istruzioni,maggiore è la potenza di elaborazione;ovviamentenon conta la quantità di istruzioni ma è importante valutare come queste istruzioni possonomigliorare le capacità della CPU.Di norma le istruzioni più complesse hanno tempi di esecuzioni più lunghi,e questo ha fattonascere due filosofie progettuali: Ina CISC che privilegia CPU dotate di istruzioni più complesse anche se meno veloci. L’altra RISC che privilegia la CPU dotate di istruzioni veloci anche se meno potenti.
  • 13Il secondo aspetto il grado di parallelismo della CPU,ovvero la quantità di informazione (=numerodi bit) che è in grado di elaborare nell’unità di tempo.Più precisamente si parla: PARALLELISMO INTERNO per indicare il numero di bit che i registri interni e l’ALU sono in grado di elaborare PARALLELISMO ESTERNO per indicare il numero delle linee con cui la CPU si collega al data bus che coincide al numero di bit che la CPU è in grado di trasferire nell’unità di tempo attraverso il bus di sistemaE’ abbastanza evidente che,tanto maggiore è il grado di parallelismo,tanto più numerosi sono i bit‘manipolati’ nell’unità di tempo,tanto più è potente è la CPU.La situazione ottimale sarebbe quella di un sistema in cui il numero di bit che la CPU trasferisceattraverso il bus,sia anche quello che riesce ad elaborare interamente.Ed in effetti questa è statala situazione di partenza:ad esempio il primo processore utilizzato è stato l’intel 8080 che aveva sia i registri interni che ildata bus da 8 bit.L’evuluzione della tecnologia mise a disposizione un nuovo processore,l’intel8086,con una capacità di trattamento dei dati doppia,quindi a 16 bit.Per sfruttare appieno lenuove caratteristiche della CPU,i tecnici avrebbero dovuto riprogettare tutti i circuiti della schedamadre per farla funzionare a 16 bit.Per evitare questo,l’intel presentò un altro processore,l’8088,in cui internamente la capacità ditrattamento dei dati raddoppiava,mentre verso il data bus manteneva lo stesso numero di linee.Questa situazione rappresenta uno dei tanti esempi di compromessi,tra prestazioni edeconomicità del progetto.Il terzo aspetto è connesso con la capacità di calcolo dell’ALU,ovvero il componente che si occupadell’esecuzione delle operazioni matematiche e logiche.Nelle CPU di prima generazione il numero di operazioni che l’ALU era in grado di fare eraabbastanza limitato(si limitava a fare una semplice addizione .-. ).Per potenziare questa capacità di calcolo,in passato si usava affiancare all’ALU una particolarecircuiteria chiamata : floating pouint unit(FPU) o coprocessore matematicoin grado di eseguire numerose e complesse operazioni matematiche,direttamente via hardware ein parallelo rispetto alla CPU stessa.Mente in passato il coprocessore matematico era un ‘optional’ che bisognava acquistare a parte(intel 386) oppure era l’elemento che differenziava due CPU,sulle ultime la FPU è diventata unelemento integrato all’interno della CPU stessa.Questo terzo aspetto è rilevante laddove si utilizzino applicazioni che richiedono l’esecuzione dicomplessi calcoli matematici,tipo: Elaborazioni di immagini CAD Videogiochi 3D.
  • LA RAM PUO ESSERE PENSATA 14 COME UNA TABELLA LE CUI RIGHE SONO CELLE O LOCAZIONI TUTTE LE CELLE HANNO LA STESSA CAPACITA(8 BIT) OGNI LOCAZIONE E’ CARATTERIZZATA DA UN INDIRIZZO E DAL DATO CONTENUTO L’ACCESSO AL DATO DI UNA CELLA AVVIENE TRAMITE L’INDIRIZZO IN MANIERA INDIPENDENTE (ACCESSO DIRETTO) SI MISURA CON I MULTIPLI DEL BYTELA MEMORIA CENTRALE.La RAM(Random Access Memory) è utilizzata per memorizzare sia i dati,sia i programmi.La memoria centrale rappresenta anche un ‘passaggio obbligato’,in quanto è l’unico tipo dimemoria a cui il processore può accedere;in altre parole significa che,per poter essereelaborati,tutti i dati e tutti i programmi devono prima essere caricati sulla memoria centrale.Inquesto senso la RAM rappresenta uno degli elementi più importanti tra quelli che contribuisconoalla a definire la potenza elaborativa di un computer.Tanto maggiore è la disponibilità della RAM,tanto più numerosi saranno i dati che potranno essereelaborati.A livello strutturale,la RAM può essere vista come una tabella,le cui righe sono ‘celle’ o‘locazioni’ di memoria,ognuna delle quali è caratterizzata: da un indirizzo che la identifica dal dato che ogni cella è in grado di contenereTutte le celle di memoria hanno la stessa capacità(di norma un byte) e l’accesso ai dati contenutonella cella avviene in modo diretto,tramite l’indirizzo.Gli indirizzi sono espressi con numeriinteri.La prima cella ha indirizzo 1,la seconda 2 e cosi via fino all’ultima,il cui indirizzo dipendedalla dimensione della memoria installate sull’elaboratore.Quindi l’indirizzo coincide conl’ordinamento delle celle all’interno della memoria stessa.Sarà poi compito della circuiteria della RAM tradurre l’indirizzo passato dal processore nelcorrispondete accesso alla cella fisica.Il fatto di permettere un accesso diretto ai dati tramite l’indirizzo è una delle caratteristiche piùimportanti della RAM;questo significa che il tempo di accesso ad un dato è indipendente dalla suaposizione all’interno della memoria.si definisce accesso diretto,una memoria che permette di accedere direttamente ad un bloccodati.
  • 15 CARATTERISTICHE DELLA RAM Dal punto di vista fisico,la RAM è realizzata mediante circuiti integrati,ovvero componenti elettronici ad altissima integrazione al cui interno sono riprodotti gli schemi circuitali in grado di assumere due diversi stati di funzionamento a cui vengono a cui poi vengono associati i due valore (0 e 1) che il bit può assumere. Un aspetto rilevante della memoria centrale è la sua velocità che,come ordine di grandezza,può essere paragonabile alla velocità del processore.Per ‘velocità di una memoria’ s’intende il tempo necessario affinchè il processore possa accedere al dato contenuto nella corrispondente cella:Nella RAM attualmente installata nei nostri personal computer questo tempo è dell’ordine dei 70 nanosecondi . Una seconda caratteristica della RAM è che deve essere mantenuta alimentata elettronicamente,affinchè le informazioni vengano conservate all’interno della memoria.In altre parole la RAM è VOLATILE ,ovvero perde tutti i dati quando il personal computer si spegne. La RAM viene utilizzata per la memorizzazione dei dati a ‘breve termine’,quelli necessari al processore per l’elaborazione in corso. Per tutti questi motivi,i dati non in uso da parte del processore andranno memorizzati sulle memorie di massa,che hanno un costo per byte memorizzato molto più basso e che mantengono i dati anche quando non sono alimentate. La dimensioni della RAM si misura in byte,o meglio nei suoi multipli: 1 KB = 1024 BYTE 1 MB = 1024 KB 1 GB = 1024 MB 1 TB = 1024 GB CARATTERISTICHE DELLE RAMCIRCUITI INTEGRATIFISICAMENTE LA MEMORIA CENTRALE E’ COSTITUITA DALL’INSIEME DI PIU’ CIRCUITIINTEGRATI ED E’ ANCHE CHIAMATA:VELOCITA’L’ACCESSO ALLE INFORMAZIONI CONTENUTE NELLA RAM E’ MOLTO RAPIDO,E QUINDIPAROGONABILE AI TEMPI DEL PROCESSOREVOLATILITA’MANTIENE FINCHE’ IL COMPUTER NON SI SPEGNE
  • 16 LE TECNOLOGIE COSTRUTTIVE DELLA RAM La RAM può essere realizzata utilizzando due schemi circuitali,ognuno dei quali presenta dei pro e dei contro: RAM DINAMICHE(DRAM): in genere è realizzata con uno schema circuitale che prevede l’utilizzo di due transistor e 1 condensatore per ciascun bit di dati;l’informazione è legata alla carica del condensatore e per questo motivo una RAM dinamica perde l’informazione memorizzata in un tempo brevissimo.Allora com’è possibile utilizzare questa RAM?I progettisti hanno pensato ad una circuiteria autonoma,che continuamente legge la memoria e la riscrive,effettuando quello che si chiama ‘rinfresco dei dati’ (refresh).Il refresh introduce un minimo fattore di rallentamento:se in passato era un fatto trascurabile,oggi,stante la crescita della CPU,è l’elemento di critictà. RAM STATICHE(SRAM):sono costituite da 4 transistor connessi in modo da non richiedere il condensatore.Con questo diverso schema,la RAM conserva i propri dati senza usare il refresh dei dati.Le SRAM richiedono molto più silicio e quindi sono molto più costose e ingombranti delle DRAM,però sono molto più veloci. La memoria RAM,costituita da singoli chip già montati su piccolo schede,appositamente progettate,chiamate: SIMM(Single In line Memory Module) oppure DIMM(Double In line Memory Module) Queste schede,si inseriscono perpendicolarmente negli slot della scheda madre.Le SIMM/DIMM richiedono meno spazio rispetto al tradizionale montaggio dei chip direttamente sulla scheda e sono più facili da montare e smontare. Le SIMM e le DIMM si differiscono per la capacità,per i diversi tipi di piedinatura e per i differenti tempi di accesso.RAM DINAMICHE (DRAM) Necessità del refresh Tempi di risposta in 70 nanosecondi EconomicheRAM STATICHE (SDRAM) Nessun refresh Tempi di risposta 35 nanoscondi Maggior ingombro CostoseSIMM/DIMM Piccola scheda progettata per mantenere i singoli chip di memoria RAM Si usano perché richiedono meno spazio e sono più facili da montareNE ESISTONO DI 3 TIPI Di diverse capacità Di diverse piedinature Di diverso tempo
  • 17READ ONLY MEMORYLa RAM e di gran lunga il tipo di memoria più utilizzato all’interno dell’elaboratore.Tuttaviaall’interno dell’elaboratore sono presenti anche ‘memorie elettroniche’ di tipo diverso.Questememorie sono caratterizzate dal fatto di essere in grado di mantenere i dati memorizzati anche inassenza di alimentazione,ma si possono solo leggere.Queste ‘memore a sola lettura’,sidifferenziano per la diversa tecnologia elettronica con cui sono realizzate: ROM(Read Only Memory):Le ROM vengono prodotte con il loro contenuto informatico già inserito.Vengono utilizzate su tutti i personal computer per contenere i programmi necessari alla partenza della macchina (FIRMWARE) PROM(Programmable ROM):Le PROM hanno caratteristiche e modalità simili alla ROM,rispetto alle quali però si differenziano per il fatto di essere programmabili dall’utente.La programmazione non viene fatta sul computer ma attraverso un programmatore PROM:una volta programmate non sono piu cancellabili. EPROM(Erasable PROM):Le EPROM hanno tutte le caratteristiche delle PROM dalle quali si differenziano per il fatto di essere cancellabili mediante l’utilizzo di una lampada a raggi UV.Vengono spesso utilizzate per codificare i programmi di controllo di macchina industriali.Normalmente su computer coesistono entrambe le teconologie: La normale memoria è di tipo RAM,una memoria di lettura/scrittura che però non è in grado di conservare il suo contenuto una piccola parte della RAM è costituito dalla ROM che,a differenza della RAM,è una memoria di sola lettura,ma in grado di mantenere l’informazione contenuta.ROM memorie a sola lettura i dati vengono memorizzati anche senza alimentazione sono programmate dal programmatore contengono il firmwarePROM memoria a solo lettura i dati vengono memorizzati anche senza alimentazione sono programmate dall’utente una volta programmate non sono più cancellabiliEPROM memoria a sola lettura i dati vengono memorizzati anche senza alimentazione sono programmate dall’utente sono cancellabili con i raggi UV
  • 18SUPERARE I LIMITI DEL BUS LOCALEVerso la fine degli anni ’80,l’affermazione del sistema operativo WINDOWS metteva sempre più inevidenza i limiti del bus,soprattutto con la velocità di trasferimento dati.Era in grado di trasferire grosse quantità di dati tra il processore e le altre periferiche.Invece daquesto punto di vista,il bus ISA rappresentava un grosso collo di bottiglia e la velocità cresciutadel processore peggiorava le cose.Per superare questo collo di bottiglia,c’erano due alternative: progettare un nuovo bus di sistema più veloce con cui sostituire il bus ISA realizzare un bus piu veloce da affiancare al bus standardLa scelta,è stata indirizzata verso la seconda soluzione e hanno messo sul mercato un busaggiuntivo chiamato anche LOCAL BUS.Questo bus aggiuntivo ha permesso di: realizzare un collegamento efficienti delle componenti critiche,senza comportare modifiche all’hadware di base del PC (scheda madre) ottenere miglioramenti delle performance del sistema mantenere la compatibilità con tutte le schede realizzate per lo standard ISAoggi esistono diversi bus aggiuntivi specializzate per il collegamento della CPU con altricomponenti come ilBUS PIC (INTEL) CHE SUPPORTA UN PERCORSO DI DATI A 32/64 BIT E’ IN GRADO DI TRASFERIRE ADUNA VELOCITA’DI 132/264 MB AL SECONDOBUS AGP AGGIUNTIVO DEDICATO AL COLLEGAMENTO TRA LA CPU E LA SCHEDA VIDEO 1° PROBLEMANECESSITA’ DI REALIZZARE UN COLLEGAMENTO PIU’VELOCETRA I COMPONENTI DEL PC CHE SONO PIU’ CRITICI DALPUNTO DI VISTA DELLA QUANTITA’ DEI DATI SCAMBIATI SOLUZIONEBUS AGGIUNTIVI SPECIALIZZATI PER REALIZZARE UNCOLLEGAMENTO VELOCE TRA IL PROCESSORE E LARAM,VIDEO,HARD DISK (IN AGGIUNTA AL BUS ISA)COME AD ESEMPIO IL PCI(INTEL)
  • 19 LA CACHE:ACCELLERARE L’ACCESSO ALLA MEMORIA Per i primi processori il tempo di accesso alla memoria(DRAM) non rappresentava un problema,in quanto la velocità con cui il processore elaborava le singole istruzioni era molto modesta.Poi,grazie all’evoluzione tecnologica,la velocità delle moderne CPU è arrivata ad essere superiore alla velocità con cui normalmente le istruzioni e i dati possono essere prelevati dalla RAM dinamica.Tradotto in altri termini,questo significa avere a disposizione una enorme potenza di elaborazione. Basterebbe sostituire la lenta DRAM con la veloce SRAM,per aver un miglioramento delle prestazioni. La soluzione dei progettisti è stata quella di: UTILIZZARE UNA PICCOLA QUANTITA’ DI MEMORIA VELOCE REALIZZATA CON TECNOLGIA SRAM,POSTA TRA IL PROCESSORE E LA MEMORIA CENTRALE.QUESTA MEMORIA VELOCE VIENE CHIAMATA MEMORIA CACHE. Questo è il funzionamento della cache:tutti i dati letti dalla memoria centrale transitano attraverso la cache:in questo modo,mantiene il dati in uso più frequente evitando al processore successimi accessi alla memoria centrale,quando il dato da leggere si trova già nella cache. Poiché statisticamente c’è una elevatissima probabilità che il processore abbia bisogno dell’istruzione successiva a quella letta,la circuiteria di controllo della memoria cache fa si che,durante il tempo di elaborazione del processore,venga caricata la locazione di memoria successiva:in questo modo il processore,trovando l’istruzione successiva già nella cache,può velocizzare la fase di caricamento. Questa memoria veloce,posta tra la CPU e la memoria centrale,viene chiamata ‘cache di secondo livello’,in quanto questa non è l’unico tipo di memoria cache presente;a partire dai processori Intel 486,una cache,ancora più veloce, è la ‘cache di primo livello’ che è stata incorporata direttamente all’interno della CPU (8KB per i dati e 8KB per le istruzioni PENTIUM) CPU CACHE LIV 2 MEMORIA CENTRALE CACHE LIV 1 (SRAM) (DRAM) 2° PROBLEMAI MODERNI PROCESSORI OPERANO A VELOCITA’ DI POCHI NONOSECONDILA RAM DINAMICA UTILIZZATA PER LA MEMORIA CENTRALE,HA UN TEMPO DI ACCESSO PARI A CIRCA 70NANOSECONDICOSA FARE?LA SOLUZIONE E’ UNA MEMORIA CACHEI DATI LETTI DALLA MEMORIA CENTRALE VENGONO RICOPIATI NELLA CACHE GARANTENDO COSI ALLACPU UN ACCESSO MOLTO PIU’ RAPIDO DI QUELLO CHE SI AVREBBE ACCEDENDO OGNI VOLTA ALLAMEMORIA CENTRALEVENGONO INTRODOTTI DUE LIVELLI DI CACHE:CACHE DI PRIMO LIVELLO INTEGRATA NEL MICROPROCESSORECACHE DI SECONDO LIVELLO AGGIUNTA ALLA MEMORIA CENTRALE
  • 20APPROFONDIMENTO SUL FUNZIONAMENTO DELLA CPU E DELLA MEMORIAOPERAZIONE DI LETTURA DEL DATO ‘READ’La lettera di un dato dalla memoria e la corrispondente scrittura sono due operazionifondamentali,alla base di tutta la fase elaborativa del processore. il processore scrive l’indirizzo nella cella,di cui vuole leggere il contenuto,nel registro indirizzi attiva un segnale di controllo,chiamato read,che,attraverso il bus,giunge alle memoria l’elettronica di gestione della memoria,sentendo il segnale read,ricerca la cella,il cui indirizzo è indicato nel registro indirizzi e ne copia il contenuto in un altro registro,chiamato registro dati,accessibile al processoreOPERAZIONE DI SCRITTORA DEL DATO ‘WRITE’Dopo aver visto come avviene la lettura di un dato,analizziamo come avviene la scrittura: il processore scrive l’indirizzo nella cella,in cui vuole scrivere un dato,nel registro indirizzi quindi inserisce il dato da scrivere in un altro registro,il registro dati attiva un segnale di controllo,chiamato write,che attraverso il bus raggiunge la memoria l’elettronica di gestione della memoria,sentendo il segnale write,prende il dato dal registro dati e lo memorizza nella cella il cui indirizzo è segnato nel registro indirizziAl termine di questa operazione di scrittura,la cella conterrà il nuovo dato e non sarà piu possibileil precedente valore.STRUTTURA DELLA CPUEsaminiamo come avviene l’esecuzione di un programma che ha il compiti di sommare duenumeri.Supponiamo di aver caricato in memoria centrale il programma da eseguire LOAD 200 LEGGE IL DATO CONTENUTO NELLA CELLA 200 E LA CARICA SULL’ACCUMULATORE ADD 201 AL DATO VIENE SOMMATO IL DATO CONTENUTO NELLA CELLA 201,IL RISULTATO VIENE MESSO NELL’ACCOMULATORE STORE 202 MEMORIZZA IL DATO CONTENUTO NELL’ACCOMULATORE NELLA CELLA 202e all’indirizzo 201 e 202,i due dati da sommare,10 e 4.Al termine dell’elaborazione il risultatosarà messo nella cella 202.All’avvio del programma il ‘program counter’ conterrà 100. per prima cosa viene caricate nel registro IR l’istruzione contenuta all’indirizzo 100: ‘LOAD 200’.La control unit la decodifica e la esegue.L’effetto è caricare nell’accomulatore il contenuto della cella avente l’indirizzo 200(ovvero 10).Al termine dell’esecuzione di questa prima istruzione il program counter (PC) viene incrementato di uno si legge allora in cui l’indirizzo (101) è contenuto nel PC e cioè ‘ADD 21’.L’esecuzione di questa seconda istruzione attiva l’ALU che provvede a sommare l’accomulatore della locazione avente l’indirizzo 201:il risultato viene posto nell’accomulatore che a questo punto contiene 14.Al termine dell’esecuzione di questa seconda istruzione il PC viene ancora incrementato di uno e quindi va nella cella 102
  • 21 l’elaborazione continua leggendo l’istruzione contenuta all’indirizzo 103, ‘STORE 202’.Quest’ultima istruzione indica che il valore contenuto nell’accomulatore deve essere memorizzato nella cella di memoria che ha l’indirizzo 202.Il programma è finito e nella cella 202 troviamo la somma dei due numeri.IL PC ALL’INTERNOSe sul piano dell’architettura il PC utilizza lo schema strutturale visto,fisicamente l’internodell’unità centrale ha tutt’altro aspetto. il componente più importante è la SCHEDA MADRE o MOTHERBOARD,su cui sono montati i componenti più importanti dell’elaboratore;il processore,la memoria e tutti i componenti necessari per il loro funzionamento la scheda madre presenta degli SLOT DI ESPANSIONE a cui si possono connettere delle SCHEDE AGGIUTIVE:GLI SLOT DI ESPANSIONE NON SONO ALTRO CHE I PUNTI DI COLLEGAMENTO AL BUS DI SISTEMA si individuano le unità di memorizzazione di massa,hard-disk e floppy-disk infine l’alimentatore,la cui potenza deve essere sufficiente per alimentare tutti i componenti.