ARCHITETTURA DEL CALCOLATORE DI VON NEUMANN

CPU: riconosce le istruzioni e le esegue
qualifica il calcolatore (è il cuore del calcolatore)
Es. (Intel) PENTIUM I, PENTIUM II, PENTIUM III (ultimo)
(Motorola) 286, 386, 486 (passato), PowerPC
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 grandezza per la memoria

BIT: 0 o 1
BYTE: 8 bit
KILOBYTE (KBYTE, K): 1024 byte
MEGABYTE (MEGA): 1024 KBYTE = 1.048.576 byte
GIGABYTE (GIGA): 1024 MEGA = 1.048.576 K = 1.073.741.824 byte

Crescita della memoria centrale durante gli anni

1985: 128 K
1987: 1 MEGA
...
oggi: 32 MEGA

ESERCIZI

Quanti caratteri ASCII posso immagazzinare in 1 MEGA ?
Quale è il più grande naturale che posso immagazzinare in 128 K ?

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
....

ESERCIZIO

Anche il calcolatore antropomorfo segue l'architettura di von Neumann; precisare in questo caso cosa sono le varie componenti dell'architettura.

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.

Una presentazione più dettagliata con più particolari tecnici dell'architettura del calcolatore.