Architettura di Von Neumann: appunto di informatica

Materie:	Appunti
Categoria:	Informatica
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Data:	26.05.2005
Numero di pagine:	8
Formato di file:	.doc (Microsoft Word)

Gli attuali calcolatori digitali consistono in sistemi che trasformano dati di ingresso (input) in dati in uscita (output) sotto il controllo di una sequenza memorizzata di istruzioni (programma)
L’architettura di Von Neumann è composta da:

CPU
riconosce le istruzioni e le esegue
qualifica il calcolatore (è il cuore del calcolatore)

Memoria centrale
per memorizzare le istruzioni e i dati
è importante quanto è grande

Interfacce delle periferiche
per interagire con le periferiche, che a loro volta permettono di scambiare dati con l'esterno
le periferiche rendono facile l'uso del calcolatore

BUS
collega le altre parti
permette di interagire tra di loro alle altre componenti

MEMORIA CENTRALE
Registra le istruzioni e i dati su cui la CPU lavora (von Neumann fù il primo ad avere l'idea di immagazzinare nella memoria anche le istruzioni)
notare che è limitata; inoltre è volatile, cioè il suo contenuto si conserva fino a quando il calcolatore è acceso
La memoria centrale può essere vista come una sequenza di celle di memoria, dette parole tutte aventi la stessa lunghezza, che è un multiplo di 2 di bit, es. 8, 16, 32, 64. Ogni cella è individuata da un indirizzo espresso in bit.
La CPU può leggere/scrivere il contenuto di una cella di cui conosce l'indirizzo.
UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU)
Il compito della CPU è prelevare le istruzioni dalla memoria, una alla volta ed eseguirle, interaggendo con la memoria e le interfacce delle periferiche.

indica un generico registro, cioè un dispositivo elettronico che contiene un certo numero di bit
(in genere quanto una parola della memoria o anche meno).
RD e RI
servono per l'accesso alla memoria centrale
RIC
contiene l'istruzione corrente (cioè quella che viene eseguita)
PC
contiene l'indirizzo della cella della memoria centrale che contiene la prossima istruzione da eseguire
RINT
contiene informazioni sullo stato delle periferiche
A, B, RS
contengono gli operandi e i risultati per le operazioni eseguite dalla ALU; RS contiene indicazioni sul risultato delle operazioni, come il bit di carry (in caso di riporto), il bit di segno (segno del risultato), bit di overflow (in caso di overflow), ...
ALU (Arithmetic Logic Unit)
esegue delle operazioni logico aritmetiche su stringhe di bit
(quali sono queste operazioni dipende dal tipo di CPU)
registri di lavoro
ognuno contiene una parola, vengono utilizzati come memoria ausiliare, ma con il vantaggio di un accesso molto più veloce rispetto alla memoria centrale
unità di controllo
recupera istruzioni e dati dalla memoria, attiva la ALU e riporta i risultati in memoria
clock
definisce il tempo necessario per eseguire un'istruzione

INTERFACCE PERIFERICHE
consentono il collegamento delle periferiche con la CPU
Un'interfaccia standard contiene:
RDP
registro dati periferica, serve per scambiare dati tra la periferica e la CPU
RCP
registro comandi periferica, contiene il comando che la periferica dovrà eseguire
informazioni sullo stato della periferica
es. spenta, accessa, fuori uso, ...
Periferiche
Esistono tantissimi tipi di periferiche per l'input (cioè per passare delle informazioni al calcolatore) e per l'output (cioè per ricevere delle informazioni dal calcolatore).
• telescrivente (usata nel passato remoto)
• video, caratterizzati da numero di colori, dimensioni in pollici, risoluzione misurata in punti per pollice quadrato, capacità grafica
• tastiera
• stampanti basate su differenti tecnologie
a tasti, pallina, margherita
cioè usanti la stessa tecnologia delle vecchie macchine da scrivere (passato)
ad aghi
scritti e disegni sono realizzati con puntini stampati da un ago, bassa qualità, basso costo, rumorose
a getto di inchiostro (ink jet)
anche a colori, buona qualità, costi accettabili, non eccessivamente veloci
laser
anche a colori, un raggio laser guida le goccioline di inchiostro sul foglio, altissima qualità, costose
...
Unità di misura della qualità delle stampanti
DPI (Dots Per Inch) Un gran numero di punti (dots) permette di ottenere più dettagli e quindi una più risoluzione.
laser media: 300 x 300 dpi, cioè stampa 300 punti per inch (pollice) orizontalmente e 300 punti verticalmente laser ad alta risoluzione: 1200 dpi.
• lettore di dischi (vari tipi di dischi: floppy (passato prossimo), diskette, CD, CD riscrivibili, ...)
• disco rigido (memoria di massa)
• microfono, autoparlante (per i suoni)
• mouse, track ball, joy stick (per usare la mano per dare degli input)
• pen pad (per dare degli input come scrivendo sulla carta)
• caschi, guanti, tute per applicazioni di realtà virtuale
• ....
Estensioni all'architettura di Von Neumann
I calcolatori attuali seguono ancora i principi di von Neumann ma con estensioni per migliorare le prestazioni, tra cui
• processori dedicati o co-processori per eseguire in modo particolarmente efficiente e in parallelo alla CPU particolari operazioni, come quelle aritmetiche (processore aritmetico) o per la presentazione della grafica sul video (processore grafico, vulgo scheda grafica).
• possibilità di eseguire alcune istruzioni parzialmente in parallelo
• uso di gerarchie di memorie con prestazioni e costi decrescenti, come una memoria cache in cui tenere copia di parte dei dati della memoria centrale con accesso più rapido.
• macchine aventi diverse CPU che agiscono contemporaneamente (macchine parallele o multiprocessore), come i supercomputer per eseguire calcoli complicatissimi molto velocemente.

UN "DEPOSITO" TEMPORANEO
Nel computer il luogo in cui vengono memorizzati temporaneamente i dati che servono ai programmi in esecuzione si chiama memoria RAM, sigla che sta per random access memory, cioè memoria ad accesso casuale; il processore infatti non scorre tutti i dati memorizzati nella RAM dal primo all'ultimo finchè arriva a quello desiderato (accesso sequenziale), bensì salta immediatamente all'indirizzo di memoria corrispondente a quel dato e lo acquisisce (accesso casuale).
La RAM è una memoria in cui si può sia scrivere sia leggere (RWM - read write memory), a differenza delle memorie ROM in cui si può solo leggere (read only memory).
I dati immagazzinati nella RAM non durano per sempre. Infatti allo spegnimento del computer essi vengono cancellati; si parla infatti di memoria volatile.
La memoria viene misurata in byte; ogni byte è costituito da 8 bit; un bit può essere visto come un contenitore che contiene un "1" o uno "0" (il linguaggio del computer è infatti una successione di "0" ed "1", usa cioè un'alfabeto binario). I multipli del byte sono il Kilobyte (1024 byte), il megabyte (1024 Kilobite), il gigabyte (1024 megabyte), il terabyte (1024 gigabyte).
DRAM e SRAM
La RAM si distingue in DRAM e SRAM.
La DRAM (Dynamic random access memory) è il tipo di memoria più diffuso nei pc. E' detta dinamica perchè il contenuto di ogni cella di memoria va rigenerato in continuazione.
La SRAM (Static random access memory) è simile alla dram nelle caratteristiche di funzionamento, ma è molto più veloce perchè non ha bisogno di rigenerare le celle di memoria visto che queste ultime sono formate da due transistor collegati in modo da tenere lo stato "1" o "0" finchè l'alimentazione esterna viene mantenuta. La SRAM è più complessa da costruire della DRAM, e occupa più spazio sul silicio, consumando più corrente e dissipando più calore.
Memoria Cache
La memoria cache è una RAM molto veloce che velocizza l'acquisizione dei dati da parte del processore. Sono presenti due tipi di Cache: L1 o di primo livello che è integrata nel processore, di solito divisa in una parte che contiene dati ed un'altra contenente istruzioni. Maggiore è la cache L1, maggiori sono le prestazioni del sistema percè più veloce è l'acquisizione dei dati. L2 o di secondo livello che è presente sulla scheda madre per i processori Socket 7, all'interno del processore per i processori Socket 8 (Pentium Pro), sul package del processore per i processori Slot One (Pentium II). Nei primi la cache L2 funziona alla frequenza di bus, nei secondi alla frequenza di clock, nei terzi a metà della frequenza di clock.
SIMM, DIMM, SODIMM, RIMM
Le SIMM (single in line memory module) sono dei moduli di memoria con linea singola di contatti, utilizzati a partire dalle schede madri che montavano processore 386. All'inizio avevano 30 contatti (30 pin) e dovevano essere montati in numero di 4 poichè il bus delle schede madri era di 32 bit e ogni modulo SIMM aveva 8 bit. In seguito si sono costruite SIMM a 72 contatti (72 pin), che avevano un bus a 32 bit e che quindi potevano essere montate anche in numero dispari sulle schede madri per 486, mentre su quelle per Pentium e superiori che funzionavano con bus a 64 bit bisognava montarne in numero pari. in numer pari.
Le DIMM (Dual in line memory module) sono dei moduli di memoria con linea doppia di contatti, utilizzati per la prima volta sulle schede madri per Pentium. Hanno 168 contatti (168 pin). Ogni modulo ha un bus di 64 bit, e dunque possono essere montati anche in numero dispari, visto che le schede madri per Pentium, Pentiyum Pro, Pentium II, hanno un bus di 64 bit.
Le SODIMM (small outline dual in line memory module) sono moduli di memoria con linea doppia di contatti e dimensioni ridotte. Vengono usate nei portatili.
Le RIMM (Rambus in line memory module) sono dei moduli di memoria la cui architettura è basata sulle richieste elettriche del Direct Rambus channel, un bus che opera ad alta velocità, ad una frequenza di clock di 400 MHZ, usando sia il fronte di salita che quello di discesa del clock, fornendo una velocità interna di 800 MHZ. Ha un picco di trasferimento dati di 1.6 Gbytes al secondo. Fino a tre moduli RIMM possono essere usati in una scheda madre per personal computer. Il Rambus channel si estende dal controller attraverso ogni modulo RIMM in un flusso continuo finchè la fine del canale viene stata raggiunta. Moduli di continuità a basso costo sono usati per mantenere l'integrità del canale nei sistemi che hanno meno di tre moduli RIMM. Un chip PROM SPD (Serial Presence Detect) montato su ogni modulo viene usato per dare informazioni di inizializzazione all'avvio. Questa tecnica assicura compatibilità per tutti i produttori di Direct RDRAM.
FP, EDO, SDRAM, SDRAM II, SLDRAM, RDRAM, Concurrent RDRAM, Direct RDRAM
Sono diverse tecnologie per velocizzare il tempo di accesso delle RAM, cioè il tempo utilizzato per leggere dalla memoria, che è uguale al ritardo tra la richiesta di lettura e il momento in cui il dato è stato letto.
La RAM di tipo FPM (Fastpage mode) è stata la prima adottata dai fabbricanti di RAM, utilizzata sulle schede madri per 486 e sulle prime generazioni di Pentium con tempo di accesso di circa 70 ns (nanosecondi, cioè 10 alla -9 secondi).
La RAM di tipo EDO (Extended data output) è una memoria ad accesso casuale con tempo in uscita esteso, che accelera l'accesso a posizioni di memoria consecutive, con tempo di accesso di circa 60 ns, è stata usata su moduli SIMM e DIMM su scheda madre per Pentium e Pentium Pro.
La RAM SDRAM (Syncronous dynamic random access memory) è la memoria dinamica ad accesaso casuale sincrona, che sincronizza tutte le operazioni con il segnale di clock proveniente dal processore, tipicamente 66 MHz, 100 MHz o 133 MHz e che raggiunge una migliore efficenza nello scambio di dati tra memoria e processore, con tempo di accesso che variano tra i 10 ns e i 6 ns; è utilizzata sulle DIMM.
La RAM SDRAM II (Synchronous dinamic ram II) è la seconda versione della SDRAM, che permette di lavorare al suo interno con una velocità doppia rispetto alla frequenza del bus di sistema esterno poichè sfrutta sia il fronte ascendente sia quello discendente del segnale di clock.
La RAM ESDRAM (enhanced sdram) è la memoria dinamica ad accesso casuale sincrona e potenziata, che riduce la latenza di accesso alla memoria centrale, cioè il tempo che intercorre tra quando i dati vengono richiesti e quando essi sono disponibili. All'interno di chip di SDRAM vengono montate alcune veloci cache costruite con tecnologia SRAM proprietaria e può essere utilizzata solo con il consenso di Enhanced Memory Systems.
La RAM SLDRAM (sinklink dram) è la memoria dinamica ad accesso casuale con collegamento sincronizzato, che rimpiazza la sdram II; è compatibile con tutte le versioni di SDRAM. E' un'evoluzione della SDRAM che permette di trasferire 400 Mbit al secondo per linea di memoria lavorando a 400 MHz. La RDRAM (Rambus dram) è la memoria dinamica ad accesso casuale di Rambus a 64 bit che trasferisce dati alla velocità di 500 Mbit al secondo per linea di memoria. Funziona alla frequenza interna di 250 MHz usando sia il fronte di salita che quello di discesa del clock, fornendo una velocità interna di frequenza 500 MHz. Usa un canale interno di 8 bit, il Rambus channel, e richiede la modifica della scheda madre. Non è mai stata impiegata nei personal computer, bensì sulle consolle dei giochi dove può gestire fino a 4 richieste contemporanee da parte del processore.
La Concurrent RDRAM è la memoria dinamica ad accesso casuale di Rambus con accesso simultaneo. E' una versione potenziata della RDRAM capace di funzionare a 600 MHz e di trasferire 600 Mbit al secondo per linea di memoria. Non è mai stata utilizzata dai personal computer perchè richiede di apportare modifiche alla scheda madre ed inoltre funziona con un bus interno di 8 bit.
La Direct RDRAM è la memoria dinamica ad accesso casuale di Rambus con accesso diretto, terza versione della RDRAM. Riesce a quadruplicare le prestazioni rispetto alla memoria SDRAM.