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14 ottobre 2003 - Cultura Tecnologica di Progetto - 1

Cultura Tecnologica di ProgettoCultura Tecnologica di Progetto

Politecnico di MilanoPolitecnico di MilanoFacoltà di Disegno IndustrialeFacoltà di Disegno Industriale

A.A. 2003A.A. 2003--20042004Ing. Lorenzo Vismara


Architettura di un PCArchitettura di un PC

– Il Personal Computer (PC) è, in generale, un elaboratore elettronico“general purpose” per uso individuale

– Le componenti principali, che analizzeremo nel seguito, sono:• Hardware• Software, d’ambiente ed applicativo

– Il funzionamento del PC è basato su due elementi fondamentali:• Istruzioni da eseguire• Dati da elaborare



Architettura di Von Neumann

Tutte le diverse tipologie di calcolatori sono accomunati dalla medesima architettura

logica, schematizzata dal modello di Von Neumann del calcolatore.

Processore(CPU)

Processore(CPU)

BUS di sistemaBUS di sistema

MemoriaCentraleMemoriaCentrale

InterfacciaperifericheInterfacciaperiferiche



Funzionamento della macchina di Von Neumann• Il processore estrae le istruzioni dalla memoria le esegue, le

istruzioni possono comportare:– operazioni di manipolazione dei dati– operazioni di trasferimento dei dati

• I trasferimenti di dati attraverso elementi funzionali diversiavvengono attraverso il bus sistema

• Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispetto adun orologio di sistema

• Durante ogni intervallo di tempo l’unità di controllo (parte delprocessore) stabilisce la funzione da svolgere

• L’intera macchina opera in maniera sequenziale



• Hardware (HW) - componenti fisici di sistema– è composto da una serie di elementi funzionali, presenti in ogni PC:

Unità di elaborazione, memoria centrale, memoria di massa, bus disistema, unità periferiche

• Software (SW) - programmi che vengono eseguiti dal sistema– Software di sistema (o di base): dedicato alla gestione dell’elaboratore– Software applicativo: opera al di sopra del SW di base, è dedicato alla

realizzazione di specifiche esigenze applicative



SW d’ambiente e SW applicativo

UtilizzatoreUtilizzatore

Software ApplicativoSoftware Applicativo

Compilatore / InterpreteCompilatore / Interprete

HardwareHardware

Sistema OperativoSistema OperativoDevice DriverDevice Driver

Software di ambiente

Software applicativo



Software d’ambienteIl Sistema Operativo (SO) esegue fondamentalmente due funzioni:• Macchina virtuale

L’architettura dei calcolatori, intesa come insieme di istruzioni in linguaggiomacchina, organizzazione della memoria, gestione I/O e struttura del bus, èprimitiva e di difficile utilizzo, anche per programmatori esperti. In modo particolareper tutto quello che riguarda la gestione dell’input / output. Il SO nasconde alprogrammatore tutte le problematiche inerenti alla gestione dei dispositivi fisicipresentando all’utente l’equivalente di una macchina virtuale più facile da utilizzare.

• Gestore delle risorseIl SO gestisce il corretto funzionamento di tutti i componenti schedulando l’accessoalle risorse tra i vari programmi che sono in competizione per averne il controllo:sincronizza e controlla gli accessi alle risorse interne: CPU, RAM, HD, FD …Controlla chi sta usando le risorse, gestisce la sicurezza e la priorità dei processi incoda, schedula le richieste in conflitto.



Esempio di software di sistema: il sistema operativo Windows

• WINDOWS è il sistema operativo più diffuso. E’ dotato di un’interfacciautente molto semplice (a finestre – da cui il nome del S.O. stesso).

• E’ un sistema a finestre (differente da MS-DOS che è un sistema operativo a“riga di comando”.

• Esistono altri sistemi operativi quali Unix, Solaris, Linux, Mac OSX, ecc…

• Sono le diverse applicazioni che il sistema operativo Windows puòmantenere contemporaneamente attive (Multitask) e su cui l’utente puòoperare in modo parallelo: lettura di un doc. da disco, download di file daInternet, esecuzioni di algoritmi di calcolo tramite Excel ecc.



Tipologie di calcolatori

• Handheld computer (PDA):– di dimensioni molto limitate– usualmente privi di memorie di massa

• Personal computer– Dotati di monitor e tastiera separati dall’unità centrale– Dotati di diversi dispositivi di memoria di massa interni o esterni

• Notebook– Versione portatile del personal computer– Spesso dotati di caratteristiche inferiori per potenza di calcolo e memoria

• Workstation– Versione “potente” dei personal computer– Dotate di monitor di dimensioni superiori– Per lo più orientate alle applicazioni grafiche o di CAD– Spesso condivise da più utenti (non necessariamente in contemporanea)

• Mainframe– Calcolatori di elevata potenza di calcolo e memorizzazione– Orientati all’elaborazione di dati per l’intera azienda– Condivisibili da più utenti in contemporanea



Alimentatore

• È un contenitore metallico avvitato unaestremità dello chassis, con alcuni filicolorati che fuoriescono.

• Il computer è un dispositivo elettrico che habisogno di energia per poter funzionare. Lacorrente elettrica alternata fornita dall’ENELha una tensione di 220 volt. L’alimentatoresvolge la funzione di ricevere la correntealternata a 220 volt e trasformarla incorrente continua nel voltaggio richiestodalle varie componenti del PC: 12 e 5 volt.

• La corrente continua non cambia danegativo a positivo come l’alternata mafornisce un voltaggio costante a polaritàfissa.

• L’alimentatore agisce anche in modo dilimitare le irregolarità del flusso di corrente



Scheda madre

• La scheda madre (motherboard) èchiamata anche piastra madre oscheda di sistema ed è l’elementocentrale del computer.

• Si tratta di un grande circuitostampato sul quale trovano posto icomponenti elettronici principali: i chipdi silicio su cui si fonda ilfunzionamento del PC.

• Sulla MB si installano tutti gli altricomponenti, tra cui la scheda grafica,la scheda di rete, il processore, la RAMecc.

• Nell’immagine sono riconoscibili lo slot1, l’alloggiamento delle DIMM e delleschede di espansione (ISA, PCI, AGP).



Microprocessore (CPU)

• La CPU, Central Processing Unit, èl’elemento dedicato all’esecuzione deiprogrammi: si occupa di eseguire tuttele operazioni richieste dal sistemaoperativo e dal software applicativo.

• Per poter svolgere il suo compito deveessere in grado di:

– leggere e scrivere i dati nella memoriadel computer (RAM)

– riconoscere ed eseguire i comandi e leistruzioni fornite dai programmi

– indicare alle altre componenti delcomputer cosa fare, in modo daorganizzare e sincronizzare le varieoperazioni da svolgere



Microprocessore (CPU)

I sistemi attualmente in uso sono dotati di processore Intel Pentium.In questi modelli il processore non è saldato in modo permanente sulla piastramadre (come avveniva una volta) ma viene alloggiato su un particolareconnettore che per i Pentium tradizionali (e per gli altri processori, quelliprodotti dalla concorrenza, quali AMD o Cyrix) viene chiamato Socket. Lapiastra madre è infatti progettata per supportare vari tipi di CPU a velocitàdifferenti. In questo modo è più facile aggiornare un PC, sostituendo unprocessore installato con un altro più veloce recente.



PC

Registro istruzionecorrente

Registrointerruzioni

Registro di stato

A

B

R0

Rn

ALU

Unità di controllo(UC)

Registro dati Registro indirizzi Clock

Segnali dicontrollo



CPU - Central Processing UnitSchema logico

• Unità di controllo (UC)– decodifica le istruzioni e controlla funzionamento del sistema attraverso opportuni

segnali• Unità aritmetico logica (ALU)

– esegue le operazioni aritmetiche• Clock

– sincronizza il funzionamento dei diversi elementi• Bus della CPU

– collega i diversi elementi della CPU (da non confondere con il bus di sistema)• Program Counter (PC)

– mantiene l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire• Registro istruzione corrente

– mantiene l’istruzione attualmente fase di esecuzione



CPU - Central Processing UnitSchema logico

• Registro delle interruzioni– indica l’avvenuta richiesta di una interruzione

• Registro di stato– indica lo stato dell’ultima istruzione eseguita dalla ALU

• Registro indirizzi– contiene l’indirizzo del prossimo dato da leggere/scrivere in memoria

• Registro dati– contiene l’ultimo dato letto o il prossimo dato da scrivere in memoria

• Registri A e B– registri contenenti i dati su cui opera la ALU

• Registri R0, ..., Rn– registri di uso generale



CPU - Central Processing Unit

• Esecuzione di un programma• L’esecuzione di un programma ha inizio con il caricamento della

locazione della prima istruzione nel PC• La UC manda un segnale di controllo affinché il contenuto del PC

sia spostato nel registro degli indirizzi• Viene inviato un segnale di controllo (read) alla memoria per

effettuare la lettura del dato posto all’indirizzo specificato nelregistro indirizzi

• In conseguenza del passo precedente il dato viene reso disponibilenel registro dati (la UC attende fino all’arrivo del segnale MFC -memory function completed)



Memoria principale: RAM• Random Access Memory (RAM), detta

anche memoria principale o memoriavolatile perché mantiene leinformazioni solo fino a quando il PC èacceso.

• E’ fisicamente il posto dove sonoconservate tutte le informazioni su cuisi sta lavorando.

• Serve per contenere i dati elaborati daiprogrammi e le istruzioni checostituiscono i programmi stessi. Solola CPU è in grado di distinguere se leistruzioni memorizzate indicanoun’operazione da svolgere, oppuresono dati su cui il programma deveagire.



Memoria non volatile: ROM• ROM (Read Only Memory: memoria a sola lettura), non riscrivibile

dal sistema. La memoria ROM è scritta dal produttore e non puòessere modificata dall'utilizzatore. I livelli 1 e 0 che costituiscono idati binari sono "incisi" durante il processo di produzione delcomponente e non possono essere cambiati.



Memoria Cache• La memoria Cache è una memoria RAM che il microprocessore può

accedere in modo più veloce rispetto alla memoria di lavoroprincipale RAM

• Il microprocessore, nel suo lavoro di elaborazione dei dati, accedeprima alla memoria Cache e se trova i dati necessari (perché giàutilizzati in precedenza) non deve effettuare la lettura nella RAM(più lenta)

• Fisicamente la Cache è una memoria ad alta velocità, costruita conRAM Statiche (SRAM) anziché le più lente ed economiche RAMDinamiche (DRAM), usate per la memoria principale

• SI parla anche di memoria cache di primo livello (L1) e secondolivello (L2): la cache di primo livello è incorporata nello stesso chipdel microprocessore e quindi è ancora più veloce



Bus: Dati• Il BUS collega i vari componenti interni

del PC in modo da permettere che idati vengano inviati da un componenteall’altro.

• Sulla piastra madre del PC non c’è unaparte precisa che individui il BUSperché questo è un insieme di circuitielettrici detti tracce, stampate sullasuperficie della MB. Inoltre il BUSinclude anche diversi microchip (quelliindicati in figura come controller) e glialloggiamenti (slot) in cui siinseriscono le schede di espansione.

• Sul BUS sono previste degli slot diespansione in modo che aggiungendouna nuova scheda anche in unsecondo tempo rispetto all’istante incui si assembla il PC, sia permessa lacomunicazione con le altri componenti,interne ed esterne.



Controller• Il Controller è un dispositivo elettronico dotato di

microprocessore e di un interfaccia dicomunicazione che si occupa del controllo delcorretto funzionamento della trasmissione dei datitra la periferica e il resto del personal (ad esempiotra le memorie di massa - disco fisso, CD Rom - ela scheda madre)

• All’interno dei cavi che collegano fisicamenteun controller e il disco viaggiano segnalielettrici che rappresentano i dati e i comandi dilettura e scrittura

– Esistono diversi tipi di unità di controller, ciascunocaratterizzato da prestazioni e funzioni differenti

– Nei computer di vecchia generazione (386 e 486)sono generalmente installati controller di tipo IDE,montati su una piccola scheda di espansione

– Sui computer più recenti (dai Pentium in poi) sonopresenti controller del tipo Enhanced IDE, integratidirettamente sulla scheda madre

– Esistono anche controller di tipo SCSI utilizzati sugliHD dei server o delle workstation grafiche

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