evoluzione sistemi di elaborazione

Sistemi e Tecnologie Informatiche - Prof. Gregorio Cosentino 1

Parte I

Evoluzione dei Sistemi

di Elaborazione

Evoluzione degli Elaboratori

N.B. Quasi tutta l’evoluzione ha avuto luogo negli ultimi 50 anni


Generazione 0(1600-1945)


• Pascal (1623-1662)– Pascaline: addizioni e sottrazioni

• Leibniz (1646-1716)– Anche moltiplicazioni e divisioni

• Charles Babbage (1792-1871)A) Macchina Differenziale

• Algoritmo fisso • Output su piastra di rame

B) Macchina Analitica• Prima macchina programmabile• Ada Lovelace (figlia di Lord Byron)• Memoria: 1000x50 cifre decimali• I/O su schede perforate• Limite: tecnologia meccanica



•Charles Babbage (1792-1871)•L'idea del calcolatore programmabile si concretizzò nella progettazione della Macchina Analitica (AnalyticalEngine) che doveva essere, nei progetti di Babbage, uno strumento di calcolo "universale" le cui operazioni possono essere di volta in volta specificate insieme ai dati da elaborare. La Macchina Analitica rappresentava un progetto estremamente innovativo, ma la complessità e la precisione richiesta per i suoi meccanismi e la mancanza di fondi resero impossibile la realizzazione concreta di tale strumento.


Charles Babbage (1792-1871)


The London Science Museum's replicaDifference Engine, built from Babbage's design.

http://en.wikipedia.org/wiki/Science_Museum_%28London%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Replica

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:050114_2529_difference.jpg

Generazione zero

• Solo grandi computer


Generazione 0 (continua)


(Macchine elettromeccaniche)• Konrad Zuse (~1930

Germania)– Macchina a relè– Distrutta nella guerra

• John Atanasoff (~1940 USA)– Aritmetica binaria– Memoria a condensatori

• Howard Aiken (~1940 USA)– MARK 1: versione a relè della

macchina di Babbage (~100 anni dopo!)

– Memoria: 72x23 cifre decimali– tempo di ciclo: 6 sec.– I/O su nastro perforato



(Macchine elettromeccaniche)• Howard Aiken (~1940 USA)

– Mark 1 - 1944– Entra in funzione il calcolatore

elettromeccanico "Mark 1". Costruito nei laboratori della Industrial Business Machines (I.B.M.), funziona con dei programmi registrati su nastro perforato. Pesa quasi 5 tonnellate, e le sue 78 sezioni di calcolo sono comandate con più di 3000 relè. Questa mole di componenti permetteva al "Mark 1" di sommare due numeri di 23 cifre in meno di mezzo secondo. Il "Mark 1" fu anche protagonista della coniazione del termine "bug", che oggi sta a indicare un errore di esecuzione di un programma. Durante una sessione di calcolo, infatti, il "Mark 1" iniziò a comunicare risultati errati: la matematica Grace Murray Hopper, dopo una lunga ricerca, trovò che un insetto ("bug") era rimasto schiacciato nel relè 70 del pannello F.


• Quando il lettore delle schede perforate rileva un foro, passa corrente elettrica che raggiunge la bobina.

• Questa genera un campo magnetico che attrae la barretta metallica e i due contatti elettrici sitoccano, facendo passare corrente che andrà ad attivare un dispositivo meccanico di calcolo.

• Dei molti relè presenti in una macchina da calcoloelettromeccanica, ognuno attiva un dispositivo dicalcolo specifico.

• Nelle macchine più evolute, le componentimeccaniche vengono sostituite da gruppi di relèdirettamente utilizzati per rappresentare numeri, sfruttando le diverse combinazioni diacceso/spento alle quali possono dar luogo.


I Generazione (1945-1955)


Tecnologia a tubi termoionici anche dette valvole elettroniche

• COLOSSUS (~1940 GB)– Gruppo di Alan Turing– Progetto mantenuto segreto

• ENIAC (~1946 USA)• 1945•L'Electronic and Numeric Integratorand Calculator (ENIAC) entra in funzione in un laboratorio del Maryland. Il finanziatore dell'opera, l'Esercito Americano, sborsò mezzo milione di dollari di allora per la costruzione di questo "dinosauro". Il calcolatore serviva per la compilazione rapida dei dati balistici necessari all'artiglieria americana. Con 10.000 condensatori, 18.000 valvole, 70.000 resistenze, 30 tonnellate di peso ed un consumo di 175 kilowatt (come 1200 computer odierni), l'ENIAC era in grado di elaborare tabelle balistiche utilizzando componenti interamente elettronici. La sua costruzione, tuttavia, fu completata 9 mesi dopo la fine della guerra.

I Generazione (1945-1955)

• ENIAC (~1945 USA)


I Generazione (1945-1955)Tecnologia a tubi termoionici

anche dette valvole elettroniche


I Generazione (1945-1955)Tecnologia a tubi termoionici

anche dette valvole elettroniche


Sono costituite da un catodo che emette elettroni quando èportato ad una determinata temperatura,

una o più griglie aventi la funzione di controllare il flusso degli elettroni

e l'anodo o placca con il compito di raccogliere gli elettroni stessi.

La struttura elettrodica è racchiusa in un involucro di vetro (a volte di metallo) da cui escono verso l'esterno i piedini di collegamento ai vari elettrodi del tubo.

La Macchina diVon Neumann


Nel 1944, von Neumann cominciò a collaborare con il gruppo di scienziati impegnati nella costruzione dell'ENIAC, e ben presto si rese conto che l'architettura di questo calcolatore era ridondante e poco razionale. Inoltre, von Neumann capì che la programmazione del computer mediante la riconfigurazione di un numero enorme di interruttori e di cavi era lenta, faticosa e poco flessibile. Per costruire un vero calcolatore elettronico programmabile occorreva che il programma non fosse rigidamente predisposto nell'hardware (tramite interruttori e cavi), e neppure letto sequenzialmente da nastri perforati (troppo lenti), ma risiedesse in una memoria scrivibile ad accesso veloce, assieme ai dati da elaborare e alle costanti numeriche. Von Neumann fu il primo a descrivere l'architettura dei calcolatori in termini logico-funzionali, secondo uno schema astratto slegato dai dispositivi fisici utilizzati per realizzare le varie operazioni.

La Macchina diVon Neumann

RAM (Random Access Memory, accesso arbitrario medianteindirizzo), Input (unità di ingresso) Output (unità di uscita), Control Unit (unità di controllo)

realizza il funzionamento della macchina secondo le modalitàspiegate nel seguito. Contiene due registri in grado di memorizzare valori numerici interi, esattamente come le celle della RAM: un registro accumulatore ed un registro contatore di programma (Program Counter, abbreviato PC). Inoltre, contiene un ulteriore registro (Instruction Register, abbreviato IR), il cui ruolo è trasparente al programmmatore, in quanto, come vedremo, entra in gioco solo a livello dell'esecuzione dei programmi.


Sistemi Commerciali


• Inizio dominato da UNIVAC• L’IBM entra nel mercato nel

1953, posizione dominante fino agli anni ‘80:– IBM 701 (1953):

• Memoria: 2k word di 36 bit• 2 istruzioni per word

– IBM 704 (1956):• Memoria: 4k word di 36 bit• Istruzioni a 36 bit• Floating-point hardware

– IBM 709 (1958)• Praticamente un 704

potenziato• Ultima macchina IBM a

valvole

II Generazione (1955-1965)Tecnologia a transistor

Un transistor può avere diversi aspetti, a seconda del fabbricante e del tipo di applicazioni per cui è previsto; in ogni caso, i terminali o punti di contatto che permettono di inserirlo in un circuito sono tre, e sono sempre gli stessi: collettore, emettitore e base.


II Generazione (1955-1965)


Tecnologia a transistor• TXO e TX2 macchine

sperimentali costruite allo MIT• Uno dei progettisti del TX2

fonda una propria società la Digital Equipment Corporation (DEC)

• La DEC produce il PDP-1 (1951):– Memoria: 4k parole di 18 bit– Prestazioni simili all’IBM 7090– Prezzo meno di un decimo– Schermo grafico 512 × 512 pixel

(primi videogiochi)– Comincia la produzione di massa


• La DEC produce il PDP-1 (1951):



Calcolatore Olivetti Programma 101 (1965).

La tecnologia a transistor consentì un grado di miniaturizzazione già sufficiente per produrre calcolatori da tavolo di elevate prestazioni, quali la Olivetti P101. Questa si può considerare un immediato precursore dei personal computer. Essa veniva programmata in un linguaggio evoluto e consentiva di memorizzare dati e programmi su schede magnetiche flessibili.


Tipologie di sistemi


Mainframe : grossi calcolatori per applicazioni scientifiche, militari e PA

• IBM 7090– Versione transistorizzata del 709– Memoria 32k word a 36 bit– Domina il mercato fino agli anni ‘70– Pochi esemplari, costano milioni di $

Piccoli sistemi: per medie aziende o di appoggio ai mainframe

• IBM 1401– Stessa capacità di I/O del 7090– Memoria 4k word 8bit (1byte)– Orientata a caratteri– Istruzioni per la manipolazione di stringhe

Memorie a nuclei


• Ingrandimento di una memoria a nuclei. Le memorie a nucleo magnetico sono costituite da matrici composte di piccoli anelli di ferrite. La magnetizzazione dei nuclei (secondo due possibili direzioni di magnetizzazione) permette di memorizzare in ogni singolo nucleo un bit di informazione. Ogni nucleo di ferrite, mediante i fili elettrici che lo attraversano, può essere selezionato e magnetizzato in uno dei due sensi e può cosìregistrare convenzionalmente un 1 o uno 0.

Minicomputer


• 1959 La Olivetti presenta il primo progetto di calcolatore elettronico di produzione italiana: è l'ELEA 9003 (Elaboratore Elettronico Automatico), basato totalmente su una architettura a transistor.

Il Minicomputer


• DEC PDP-8 (1963) • Successore diretto del PDP-1• Interconnessione a bus, molto

flessibile• Architettura incentrata sull’I/O• Possibilità di connettere qualsiasi

periferica• Prodotto in oltre 50.000 esemplari

DEC PDP 8


• 1963 Viene commercializzato il PDP-8, meno potente degli altri calcolatori disponibili sul mercato. Tuttavia il prezzo contenuto ne favorì il successo: l'elaboratore entrò in numerose scuole americane e divenne uno dei primi computer a disposizione degli studenti. Uno di questi fu il quattordicenne William Henry III Gates, che sperimentò i primi rudimenti informatici proprio su un PDP-8.

III Generazione (1965-1980)(Tecnologia LSI e VLSI)

Evoluzione dell’architettura HW– Microprogrammazione– Unità veloci floating-point– Processori ausiliari dedicati alla

gestione dell’I/O

• Evoluzione dei Sistemi Operativi– Virtualizzazione delle risorse– Multiprogrammazione: esecuzione

concorrente di più programmi– Memoria Virtuale: rimuove le

limitazioni dovute alle dimensioni della memoria fisica


Mainframe Serie IBM System/360


• 1967 L’IBM introduce una famiglia di elaboratori basato su circuiti integrati (passo decisivo)

• Serie IBM System/360• Macchine con lo stesso linguaggio • Range di prestazioni (e prezzo) 1-20• Completa compatibilità• Portabilità totale delle applicazioni• OS comune OS/360• capace di decine di milioni di operazioni al

secondo. • Il successo di questo calcolatore fu strepitoso:

venivano prodotte fino a mille unità al mese, mentre le azioni della IBM, crescendo vertiginosamente, fecero sì che la azienda divenne il maggiore produttore al mondo di calcolatori elettronici.

Serie IBM System/360


Serie IBM SystemMainframe

•Sistema operativo MVS

•TP Monitor VTAM, CICS, IMS

•Terminali “ verdi “ 3270

•Data Base


Serie DEC PDP-11 e UNIX


• Evoluzione diretta del PDP-8• Parole di memoria e istruzioni a 16 bit• Architettura a bus (Unibus)• Grande flessibilità nella gestione e

nell’interfacciamento di periferiche e strumentazione al bus

• Domina il mercato fino alla fine degli anni ’70

• Prodotto in milioni di esemplari• Diffusissimo nelle università• Supporta il sistema operativo UNIX,

indipendente dalla piattaforma• Influenzerà un’intera generazione di

progettisti e di utenti

L’invenzione del microprocessore


• 1971 Tre ingegneri elettronici della Intel -Integrated Electronics Inc - tra cui l'italiano Federico Faggin, inventano il microprocessore, un pezzettino di silicio capace di contenere centinaia (migliaia, milioni) di transistor. Alla produzione della Intel si affianca quella della Texas Instruments. Dall'altra parte dell'oceano, in Giappone, alcune aziende iniziano una produzione parallela di microchip, senza rispettare i copyright stabiliti dalle rivali americane. Pochi anni dopo, malgrado una multa miliardaria, il Giappone diverrà il maggiore produttore al mondo di microchip.

Intel 4004 a 4 bitIl primo processore della Intel Federico Faggin

….E nacque il Personal Computer


• 1980 Il personal computer più economico viene progettato, costruito e commercializzato dall'inglese Clive Sinclair. E' il ZX-80, un'altra pietra miliare nella storia dell'informatica. Diffusissimo all'inizio degli anni '80, fu la base di lancio per tutti i successivi computer prodotti da Sinclair.

….E esplode il Personal Computer


• 1981 PC IBM con Intel 8088 e MS DOS della minuscola Microsoft : svolta epocale !!

• Nuove architetture• Informatica diffusa non solo

per specialisti• Duopolio Intel/Microsoft

Un pò di sano patriottismo..


Produttore OlivettiModello M-20Dati essenzialiAnno 1983Processore Z8001Disco 2 drives da 5"1/4PCOS proprietarioInterfaccia RS 232Basic

Un pò di sano patriottismo..


L' Olivetti M-20 fu sviluppato nei stabilimenti americani di Cupertino, basato su un processore Z-8001 a 16 bit. Questa scelta rese impossibile l'uso del MS-DOS e la Olivetti decise di sviluppare un proprio sistema operativo, il PCOS. Oggi un simile prodotto è considerato un prezioso esempio di originalità informatica, ma allora si rivelò troppo limitativo per gli utenti: alcuni modelli potevano far girare un versione primordiale dell'MS-DOS, ma era necessario avviare il computer con un secondo processore Intel. Nell'aspetto l' Olivetti M-20 si presenta diviso in due corpi principali, il monitor ed il cabinet: quest'ultimo unisce la tastiera e i due disk-drives in un elegante involucro di plastica. L' Olivetti M-20 si diffuse principalmente nelle strutture scolastiche, negli uffici e dovunque fossero richieste le reti interne, rese possibili dalle potenzialità offerte dal computer. Nel complesso l' Olivetti M 20 fu un computer dalle grande potenzialità, ma con un successo limitato.

Intel cresce

Coprocessore matematico Intel 80387/DX-20. Nei primi personal computer le operazioni matematiche più complesse potevano essere svolte da un apposito circuito integrato, denominato coprocessore matematico, oppure mediante una serie di programmi ad hoc. In questo caso, la componente fisica può essere sostituita (virtualizzata) da un programma SW.


E Microsoft cresce…..


• MS DOS a carattere, monotasking• Windows 3.1 grafico,monotasking• OS2 IBM / Microsoft grafico, multitasking• Windows NT grafico, multitasking• E poi sempre piu’ soluzioni applicative “

nel “ sistema operativo ( Explorer,etc)• Windows Server 2003• Windows XP• VISTA

http://images.google.it/imgres?imgurl=http://www.pc-erfahrung.de/Daten/Logo/Windows%252098_Logo.jpg&imgrefurl=http://www.allegro.pl/item120704622_niesamowita_frajda_mata_do_tanczenia_pc_usb_gra.html&h=150&w=200&sz=9&tbnid=X5w5CnjQRnhbPM:&tbnh=78&tbnw=104&prev=/images%3Fq%3Dlogo%2Bwindows&start=2&ei=TFvIRYzFBpbU-QKdopy0Ag&sig2=Zf4eOY-Ygoa7Z6QA9gGG0w&sa=X&oi=images&ct=image&cd=2

E Microsoft cresce…..


• Un manuale del sistema operativo DOS versione 1.10. L'utilizzo di un calcolatore non comporta semplicemente l'acquisto delle parti fisiche ma, indipendentemente dall'applicazione specifica che richiediamo alla macchina, include una serie di programmi essenziali per il funzionamento della macchina stessa: l'insieme di questi programmi va sotto il nome di sistema operativo (SO). I sistemi operativi conferiscono all'hardware dei computer la capacità di dialogare in modo amichevole con l'utente. In tal modo, l'utente dialoga con il computer come se avesse di fronte una "macchina virtuale" dotata di funzionalitàmolto più ricche di quelle offerte dalla macchina fisica (hardware).

IV Generazione: il PC


• Diretto discendente del minicomputer:– Architettura a bus– Parole e istruzioni a 16 bit

• Nasce nel 1980 all’ IBM (che dà cosìavvio alla propria decadenza)

• Tentativo Olivetti con M20/M24• Esplosione del mercato dei ‘cloni’• Crollo dei costi ed enorme espansione

dell’utenza• Dai grandi Centri di Elaborazione a un

contesto di Informatica Distribuita• L’espansione del PC è trainata da tre

fattori:– Aumento della capacità della CPU– Discesa dei costi della memoria– Discesa dei costi dei dischi

La legge di Moore (1965)

Il numero di transistor su di un chip raddoppia ogni 18 mesi

• Circa un aumento del 60% all’anno

• Conseguenze:– Aumento della capacità dei chip di

memoria– Aumento della capacità delle CPU


Legge di Moore per le CPU

• Più transistor in una CPU significano:– Eseguire direttamente istruzioni più

complesse– Maggiore memoria sul chip (cache)– Maggiore parallelismo interno

N.B. Altro fattore tecnologico decisivo è la frequenza di funzionamento


Intel Computer Family

The Intel CPU family. Clock speeds are measured in MHz (megahertz) where 1 MHZ is 1

million cycles/sec.


Microprocessore Intel

Sistemi e Tecnologie Informatiche - Prof. Gregorio Cosentino 43Pentium 4 chip ( che va sulla board ).

Personal Computer

1. Pentium 4 socket2. 875P Support chip3. Memory sockets4. AGP connector5. Disk interface6. Gigabit Ethernet7. Five PCI slots8. USB 2.0 ports9. Cooling10. BIOS

This figure is a photograph of the Intel D875PBZ board. The photograph is copyrighted by the Intel Corporation, 2003 and is used by permission.


Legge di NathanIl software è un gas: riempie

sempre completamente qualsiasi contenitore in cui lo si metta

(ma sicuramente non è un gas perfetto!)

Al calare dei costi e all’aumentare della memoria disponibile, le dimensioni del software sono

sempre cresciute in proporzione• Il Circolo Virtuoso

– Costi più bassi e prodotti migliori– Aumento dei volumi di mercato– Fattori di scala nella produzione– Costi più bassi …...


Tipologie di computer


• Personal Computer– Sappiamo chi è

• Server– Su rete locale o Web server– Memorie fino a qualche Gbyte– Decine di Gbyte di disco– Gestione di rete efficiente

• COW (Cluster of workstations)– Sistema multiprocessore ad

accoppiamento lasco– Hardware di tipo standard: costi

contenuti– Strutture di connessione veloci– Elevata capacità di elaborazione

complessiva

Tipologie di Computer

• Mainframe– Diretti discendenti della serie

360– Gestione efficiente dell’I/O– Periferie a dischi di molti Tbyte– Centinaia di terminali connessi– Costi di parecchi miliardi

Perché sopravvivono?– Gestiscono applicazioni legacy– Costi di migrazione delle appli-

cazioni molto superiori a quelli dell’HW


Supercomputer


• Macchine molto potenti dedicate al number crunching per particolari applicazioni ( Fisica Nucleare, Meteorologia, Elaborazione dell’immagine, Chimica, Fluidodinamica, etc )

• Architettura molto sofisticata:– Pipelining– Multiprocessore

• Nicchia di mercato molto specifica.

Supercomputer• 1976 Il primo supercalcolatore del mondo,

il Cray-I, è commercializzato dalla societàfondata da Seymour Cray. Il computer era talmente potente che il Pentagono decise di venderlo solamente a pochi clienti fedeli agli USA.


Internet


• 1970 Il 1970 è ricordato per un grande evento, che rivoluzionerà per sempre la nostra vita a partire dagli anni '90. Il governo degli Stati Uniti, nell'ambito di un progetto per la difesa militare, istituisce un rete di comunicazioni interne gestite dai computer del Pentagono. Il nome della rete è ARPANET. Quando, vent'anni dopo, lo scopo iniziale sarà cessato, la rete diventerà accessibile dal grande pubblico, che la conoscerà con il nome Internet.

Il primo nucleo di Arpanet collegava treuniversità americane

Evoluzione dei linguaggi di

programmazione• “ C “ fu inventato nei mitici

laboratori BELL per essere utilizzato con il sistema operativo UNIX

• “ C++ “ aggiunse a “ C “ istruzioni e concetti tratti dal mondo della programmazione orientata ad oggetti

• Java e’ un linguaggio orientato agli oggetti, scambiabili su Internet (applet ), e “lanciabili“ su qualsiasi macchina che abbia la Java VirtualMachine


http://java.com/java/download/index.jsp

Portabilità ed efficienza


• Vantaggi di Java:– Indipendenza dalla piattaforma– Totale portabilità delle applicazioni

• Svantaggi di Java:– Inefficienza degli interpreti– Inefficienza del linguaggio

• Tipico contesto applicativo: il Web– Applet: piccoli programmi inseriti nelle pagine html

–Servlet: applicazioni, anche consistenti, eseguite sul server

– I browser hanno al loro interno interpreti JVM

– Semplice sviluppo di applicazioni client-server su Internet

Internet


Una rete globale che connette milioni di computer in tutto il mondo,

“anarchica “ ma che funziona bene. L’accesso è garantito tramite gli

Internet Service Provider.

Internet


World Wide Web Il sistema di server Internet che supporta un formato speciale di documenti chiamato HTML (HyperText Markup Language) e che permette il collegamento ad altri documenti (grafici, audio e video compresi ) semplicemente cliccando “ dove appare la manina – anchor point, punti di aggancio”. I nodi di cui il documento è costituito possono essere mantenuti su calcolatori diversi, geograficamente distanti, si crea un unico grande documento nella “ rete delle reti”.

Ci sono varie applicazioni chiamate web browser che rendono facile l’accesso al World Wide Web; due dei più popolari sono Eudora e Microsoft Internet Explorer.

2001 Odissea nello spazioFantasia o realtà ?

• 1968 Arriva nelle sale cinematografiche "2001: Odissea nello Spazio", che vede come protagonista un supercomputer parlante (erano quelli gli anni dei primi esperimenti di sintesi vocale) denominato "HAL 9000", acronimo di "Heuristically-programmedAlgorithmic". Una schiera maliziosa di appassionati èconvinta che le tre lettere H.A.L. siano state scelte perchè nell'alfabeto precedono le lettere I.B.M..


evoluzione sistemi di elaborazione

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