Struttura del pc fondamenti informatica PDF

Preview

Summary

Un prospetto delle funzioni del pc, dal sistema all'utilizzo...

Description

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero

ELEMENTI DI INFORMATICA Rosario Oliviero Seconda Università degli Studi di Napoli Facoltà di Medicina e Chirurgia ASPETTI TECNICI DELL'ELABORATORE ELETTRONICO Il computer (elaboratore elettronico) rappresenta l'evoluzione delle calcolatrici scientifiche: esso è in grado di risolvere problemi che richiedono calcoli iterativi. Originariamente l'elaboratore era costituito da sistemi meccanici (si pensi al classico pallottoliere). Poi i componenti furono sostituiti progressivamente da sistemi elettrici ed elettronici: basati cioè su valvole e su transistor e quindi su circuiti integrati e microprocessori. EVOLUZIONE DEGLI ELABORATORI 1950 – Mainframe locale: batch (prima), time sharing (dopo) 1960 – Mainframe remoto: linee di telecomunicazioni. 1970 – Mini Computers: ambienti meno restrittivi, costi accessibili, time sharing, sistema operativo Unix, Linguaggio C 1980 – Personal Computers: uso "domestico", programmi per compiti comuni (es.videoscrittura). 1990 – PC connessi in Reti di Calcolatori: PC con capacità elaborative ed interfacce ad alte prestazioni, LAN, Internet. 2000 – Internet: reti a larga banda Futuro Prossimo - Griglie Computazionali (programmi di calcolo utilizzabili in rete) STRUTTURA DEL PC Il Pc ha due componenti fondamentali: l'hardware e il software. L'hardware è la struttura fisica del computer e il software è l'insieme dei programmi che serve a dare istruzioni al pc. L'hardware è composto da tre unità fondamentali: le memorie, l'unità centrale (CPU: central processing unit) e le unità di ingresso-uscita (INPUT/OUTPUT). Esse sono collegate tra loro dai bus di sistema

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero

MEMORIA CENTRALE

CPU

INTERFACCIA

PERIFERICHE MEMORIE La memoria del PC si misura in bit. Ogni bit può assumere il valore 1 (circuito chiuso) o zero (circuito aperto). Ogni informazione del computer è quindi un insieme di bit. Generalmente i bit sono raggruppati in byte. Un byte è un insieme di 8 bit. I raggruppamenti utilizzati sono i seguenti 10 K (Kilo) = 2

3 (=1024) circa 10 6

M (Mega) = 220 (=1024*1024=1.048.576) circa 10 9 G (Giga) = 230 circa 10 12 T (Tera) = 240 circa 10 15 P (Peta) = 250 circa 10 Si tenga presente che per memorizzare un brano musicale ci vogliono intorno ai 10 Mega e un normale pc ha una memoria dell'ordine di decine di Giga.

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero

Le memorie si dividono in memorie principali e memorie secondarie MEMORIE PRINCIPALI Esistono tre tipi di memorie principali 1) Memoria ROM (read only memory) È una memoria permanente: ossia i dati in essa immagazzinali non si cancellano qualora l'alimentazione del pc sia interrotta o nel caso in cui il computer sia spento. In essa sono immagazzinati programmi e dati di configurazione essenziali del computer. In altre parole, nella memoria ROM risiedono i software che non devono mai essere cambiati, come il BIOS (è un programma che ha il compito di dare le prime istruzioni al computer in fase di avvio) del PC, le schede di controllo per le periferiche e le cartucce che vengono usati per le consolle di giochi e per altre apparecchiature programmabili. La ROM costituisce anche il deposito dei programmi applicativi che vengono forniti a corredo dei vari computer palmari (palmtop). L'allocazione dei programmi in una memoria a sola lettura velocizza l'elaboratore: infatti, non appena il computer si avvia, i dati sono immediatamente disponibili al microprocessore senza quindi la necessità di prelevarli da fonti periferiche (floppy disk o disco rigido). L’accesso ai dati è detto “casuale”, nel senso che la velocità con cui vengono recuperate le informazioni è sempre la stessa: cioè, essa non dipende dalla posizione in cui i dati sono inseriti all’interno di questa memoria. Per comprendere l'utilità dell'accesso casuale, osserviamo che, nei nastri magnetici, dove invece l’accesso è sequenziale, bisogna far scorrere tutta la parte del nastro che precede il dato prima di poter recuperare l’informazione 2) Memoria RAM (random access memory) Al contrario della ROM, essa è una memoria volatile: contiene informazioni che spariscono qualora al pc manchi corrente: solitamente in essa viene caricato il sistema operativo e l'insieme delle istruzioni di un programma in esecuzione. Nella RAM, inoltre, le informazioni possono essere scritte, cancellate e riscritte sempre con la stessa velocità, senza che l’efficienza diminuisca col crescere delle riscritture. Anche la memoria RAM è ad accesso casuale. 3) Memoria Cache Serve a conservare i dati recenti, ad esempio le ultime pagine web a cui ci si sia collegati. MEMORIE SECONDARIE Le memorie secondarie, dette anche di massa, (hard disk, floppy) sono memorie lente, utilizzate per conservare permanentemente grandi quantità di dati. In memoria di massa risiedono sia i dati (file di testo), sia i programmi installati nel computer. Quando un programma deve essere eseguito, esso viene prelevato dalla memoria di massa, quindi caricato in memoria centrale dove viene effettivamente eseguito.

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero

L'UNITA' DI ELABORAZIONE CENTRALE (CPU) L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte dell'elaboratore che esegue i programmi residenti in memoria: a tal fine, essa preleva, decodificando ed eseguendo, le istruzioni in essi contenute e coordinando il trasferimento dei dati tra le varie unità funzionali. Le principali componenti della CPU sono. 1) L'unità di Controllo (UC) Essa si occupa di coordinare il flusso dei dati attraverso le varie componenti della macchina. 2) Unità logico-aritmetica (ALU) L'ALU esegue le principali operazioni aritmetiche utilizzando il sistema di numerazione binario (cioè le sole cifre 0 e 1), che verrà descritto negli altri capitoli. Questa unità è capace di eseguire anche le operazioni logiche. 3) Registri I registri sono dei piccoli elementi di memoria che contengono temporaneamente i vari risultati delle operazioni: essi sono molto piccoli (le loro dimensioni si aggirano intorno a pochi bytes). I registri, ad esempio, indicano l'indirizzo della prossima istruzione che la RAM deve eseguire. Inoltre indicano l'istruzione, appena letta nella RAM, che deve essere decodificata, oppure dei valori di bit che devono essere scritti nella RAM. OROLOGIO Affinché un elaboratore funzioni è necessario un orologio (clock): esso non serve ad indicare il tempo trascorso, bensì a sincronizzare i circuiti del computer; inoltre la velocità di esecuzione delle operazioni è proporzionale a quella dell'orologio. A tal fine, si definisce la frequenza di clock come il numero di istruzioni svolte dal computer nell'unità di tempo. Così come avviene in fisica per le onde, la frequenza di clock si misura in Hertz (hz). Ad esempio, un processore a 3 Ghz svolge tre miliardi di istruzioni al secondo. FUNZIONAMENTO DI UN ELABORATORE Il funzionamento di un elaboratore può essere visto come un processo ciclico ed è sostanzialmente suddiviso in tre fasi: la prima è detta fase di fetch, in cui si preleva dalla memoria l'istruzione che deve essere eseguita dal processore. La fase successiva è quella di decodifica: in essa si interpreta l'istruzione da eseguire. Infine, nella terza fase, di esecuzione, si eseguono i trasferimenti tra registri e/o memoria, le operazioni che coinvolgono l'ALU e le operazioni di ingresso/uscita. Al termine della fase di esecuzione

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero

di un'istruzione si ritorna alla fase di fetch per l'istruzione successiva. Le istruzioni sono composte da parole, ma la CPU comprende unicamente il linguaggio dei numeri chiamato codice macchina. Immaginiamo di volere sommare due numeri, ad esempio 2 e 3. In codice macchina questa operazione diventa 180 2 176 3 2 224 180 Il numero 180 viene interpretato dalla CPU come istruzione di copiare il numero 2 nel registro AH; il 176 impone di copiare il numero nel registro AL. L'istruzione 2 224 indica di mettere insieme il contenuto del registro AH con quello del registro AL e di mettere poi il risultato in AH. Nella RAM queste istruzioni vengono eseguite in successione.

Il sistema operativo è un software che permette la gestione dell'hardware, controlla l'esecuzione di tutti gli altri programmi e gestisce l'interazione tra l'utente e l'elaboratore. Più precisamente, il sistema operativo gestisce i processi, le memorie, i files (file system), gli utenti, l’input/output(stampanti, video, tastiera, …) e i servizi di rete. Inoltre esso è, in parte, addetto alla protezione del sistema ed è interprete di comandi. Ci sono vari tipi di sistemi operativi 1) Sistemi operativi monotasking In un sistema operativo monotasking, ciascun processo eseguito impegna la CPU in maniera esclusiva. Questo implica che due o più processi possano essere eseguiti soltanto in maniera sequenziale (uno dopo l'altro). Ciò comporta uno spreco di risorse, sia durante l'input/output, sia durante l'attesa dell'inizio di un ulteriore processo. 2) Sistemi operativi multitasking In un sistema multitasking, più processi sono gestiti in maniera molto efficiente, da dare la percezione che siano eseguiti contemporaneamente. E' bene sottolineare che anche nel multitasking l'esecuzione è comunque sequenziale. Le caratteristiche di un sistema multitasking sono 2.1) Massimizzazione del grado di utilizzo del processore. 2.2) Massimizzazione del numero di programmi che è possibile eseguire nell'unità di tempo. 2.3) Minimizzazione dei tempi di esecuzione. 2.4) Minimizzazione dei tempi di risposta.

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero

In generale, l'esecuzione di un processo può essere interrotta per eseguire un'operazione di input/output, oppure quando scade il tempo ad esso dedicato. Perciò, al fine di ottimizzare le prestazioni, i sistemi multitasking utilizzano il time-sharing (partizione del tempo): per mezzo di questa tecnica, a ciascun processo viene ciclicamente assegnato un tempo di esecuzione t e, nel caso in cui un processo si arresti, l'esecuzione passa subito al successivo processo. Nella figura seguente, ogni ciclo ha durata t. A causa di un'interruzione del processo 2, ad un certo punto viene riattivato il processo 1 per un tempo maggiore di t e la differenza gli viene sottratta successivamente. Inoltre, appena il processo 2 è pronto, completa il suo ciclo interrotto.

LA GESTIONE DELLA MEMORIA La memoria centrale è una risorsa limitata: è quindi compito del sistema operativo gestirla in maniera efficiente. Infatti i sistemi operativi allocano in memoria centrale solo porzioni dei processi in esecuzione, lasciando le parti superflue sulla memoria secondaria. La gestione della memoria avviene per mezzo della segmentazione o della paginazione. La segmentazione consiste nel dividere la memoria in parti di diversa ampiezza: ciascuna parte ha ampiezza uguale al suo corrispondente programma da caricare. Al contrario, con la paginazione, a ciascun programma è assegnata una quantità di memoria di una stessa dimensione.

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero

IL FILE SYSTEM Tutti i dati di un computer sono raggruppati in file; questi ultimi a sua volta sono raccolti in cartelle. A questo proposito, nel sistema operativo c'è il file system. Esso è l'insieme dei programmi che si occupano della gestione della memoria di massa; è strutturato ad albero. Il “percorso” è dato dalle varie sottodirectory che contengono il file desiderato. In Windows un esempio di percorso è C:\Documenti\Policlinico\Fisioterapia\appuntidelcorso.pdf Gli attuali sistemi operativi sono forniti di un'interfaccia grafica: essa costituisce un semplice canale di comunicazione tra utente e computer.

Elementi di Informatica

Rosario Oliviero...