Struttura Hardware del calcolatore - architettura di Von Neumann

1. Hardware e Software
Ogni sistema di elaborazione è dotato
di insieme di componenti elettroniche
hardware e programmi software.

2. Hardware di base
Il calcolatore è costituito da un insieme di
componenti elettroniche hardware. Un
elaboratore per poter funzionare ha bisogno
di tre componenti fondamentali:
1- CPU unità centrale di elaborazione che
ha il compito di eseguire programmi
(gruppi di istruzioni), trasferire dati,
controllare l’intero sistema di
elaborazione.


3. Hardware di base
2- Memoria Centrale Ram che ha il compito
di memorizzare le informazioni giusto per
il tempo di elaborazione; infatti essa è
volatile;
3- Dispositivi di input/output che permettono
l’inserimento delle informazioni nel
calcolatore da parte dell’utente e la
visualizzazione dei risultati
dell’elaborazione all’utente.

4. Hardware di base
Queste tre classi di dispositivi sono collegati
tramite delle linee di collegamento dette bus
che sono classificate: in bus dati dove
viaggiano le informazioni, bus indirizzi dove
viaggiano le posizioni dellle informazioni,
bus di controllo dove viaggiano i segnali di
controllo che la Cpu invia agli altri dispositivi
per iniziare o terminare la comunicazione.

5. Hardware di base
Le caratteristiche fondamentali del bus
sono:
A- Bidirezionale i dati viaggiano in ambo i
sensi sul bus stesso;
B- E’ condiviso ovvero le linee sono comuni
con tutte i dispositivi e quindi la
comunicazione simultanea è possibile non
più di due dispositivi alla volta.

6. Hardware di Base
In base alle caratteristiche il funzionamento del
sistema elaborativo deve essere temporizzato;
infatti è presente il clock appunto
temporizzatore che invia degli impulsi alla CPU
per cadenzare le attività da svolgere nel
sistema stesso. Su quest’ultimo punto si deve
prestare attenzione in quanto gli impulsi di
clock sono misurati in cicli temporali.

7. Hardware di base
Infatti l’unità di misura è l’Hertz ovvero il numero di
operazioni che il sistema svolge in un secondo.
Ora per il bus si definisce la velocità di trasferimento
espressa in multipli dell’Hertz come il numero di dati
che vengono spostati in un secondo.
Frequenze caratteristiche del Bus sono 100 Mhz, 133
Mhz, 400 MHz, ecc.
Inoltre si definisce la frequenza di funzionamento del
processore come il numero delle istruzioni che esso
esegue in un secondo. Oggi frequenze caratteristche
sono 3 ghz circa 3 miliardi di operazioni per secondo.

8. In generale la frequenza del BUS Fb
è pari
alla frequenza del clock. La Cpu lavora ad
una frequenza maggiore questo perchè le
distanze fisiche sulle linee elettriche che
devono percorerre i segnali sono molto più
piccole. In generale la frequenza di lavoro di
una CPU è un multiplo della Fb
. Quindi
Fcpu
=K*FB
dal moltiplicatore.
Definizione di frequenza di Bus e
di Cpu

9. Architettura di una CPU
Le prestazioni di una CPU si misura oltre che
in base alla frequenza di lavoro, anche sul
numero dei byte che essa elabora
contemporaneamente. Infatti a parità di
frequenza le prestazioni sono superiori per
una CPU che lavora con più byte.
I processori attuali lavorano con 32/64/128 bit
di istruzioni. Alcuni prevedono anche il
doppio core come il Dual Core o il Core Duo
2.

10. Hardware di Base
In questo schema è rappresentato il Sistema di elaborazione.
Le frecce indicano in modo sintetico i tre tipi di bus indirizzi, dati,
e controllo.

11. Caratteristiche della Cpu
La cpu si è l’unità centrale di elaborazione essa esegue le istruzioni in
codice binario, e le tipologie di istruzioni sono varie:
1- istruzioni di spostamento dati;
2- istruzioni logico-matematiche;
3- istruzioni di controllo hardware, e controllo programma;
Le prestazioni di una Cpu si misurano con la frequenza di
funzionamento della stessa e con il numero di infromazioni elementari
che essa può eseguire. Infatti si definisce “word” come l’istruzione
elementare che una cpu può eseguire. Poiché i sistemi di elaborazione
lavorano binario, l’informazione elementare è rappresentata da un byte
(8 bit), quindi le prestazione si misurano oltre che con la frequenza con
il numero dei byte che essa elabora in contemporanea. Supponendo
che ad esempio si hanno due processori che lavorano a 3ghz e una
lavora a 32 bit e l’altra a 64 bit quella a 64 bit lavorerà con prestazioni
doppie poiché riesce ad elaborare nell’unità di tempo 8 byte per volta.

12. Caratteristiche della Cpu
La cpu è a sua volta formata da:
1- Memoria Cache;
2- Registri
3- Registro istruzioni IR
4- Contatore Programmi PC
5- Alu unità aritmetico logica
6- Cu unità di controllo

13. Caratteristiche Cpu
La memoria cache è una memoria interna
alla Cpu che serve come raccoglitore
temporaneo di informazioni, ovvero la Cpu
preleva le istruzioni da eseguire nella
memoria cache che di tanto in tanto le
preleva in modo autonomo dalla memoria
centrale questo riduce il numero di accessi
alla memoria Ram velocizzando
l’esecuzione.

14. Caratteristiche di una Cpu
Registri sono delle piccole memorie dove
sono memorizzate le informazioni che il
processore deve eseguire, o che
contengono i risultati intermedi
dell’esecuzione da parte del processore ne
sono presenti in numero non inferiore a 8.

15. Registro IR e Registro PC
Oltre ai registri dati sono presenti anche dei registri
speciali denominati Registri Istruzioni e Registro
Contatore Programma. Il registro istruzioni contiene
le istruzioni sulla quale in un dato istante la CPU sta
operando. Il contatore programma contiene
l'indirizzo della prossima istruzione da eseguire.
Infatti ad ogni esecuzione il registro PC deve
contenere in modo aggiornato sempre l'indirizzo
della prossima istruzione.

16. L'unità Aritmetico Logica (ALU)
All'ALU è delegato il compito di eseguire le
istruzioni di tipo logico matematico. Essa è
composta da circuiti combinatori una serie di
componenti elettroniche che permettono
l'esecuzione delle operazioni, e dal registro di
stato che riporta istante per istante le
informazioni sullo stato dell'ultima operazione
e del suo risultato.

17. Registro di stato
Essendo il registro di stato formato da un certo numero di bit a ciascuno
di questi è assegnato un compito di rilevare il verificarsi di una situazione
durante l'ultima operazione svolta dall'ALU. Essi sono:
•Bit di zero (Z) indica se l'ultima operazione ha dato risultato zero
•Bit di segno (N) indica se nell'ultima operazione il segno è negativo e
positivo
•Bit di overflow (O) indica se nell'ultima operaizone si verifica la
condizione di overflow. Tale condizione si verifica quando un'operazione
fornisce un risultato che non è possibile rappresentare con il numero
massimo di bit della rappresentazione numerica.
•Bit di parità (P) indica se il numero di cifre poste a “1”, nel numero
binario è pari.

18. Unità di controllo
Ad essa è delegato il compito di controllare l'inero sistema di
elaborazione e di far eseguire le istruzioni del programma.
Infatti la CU controlla l'esecuzione del programma attraverso tre
fasi svolte in un solo ciclo di clock. Esse sono:
Fase di fetch, decode, execute.
Nella fase di fetch vengono lette le istruzioni nei registri e vengono
scisse in dati e istruzioni. Queste ultime vanno le registro
istruzioni.
Nella fase di decode viene decodificata l'istruzione da eseguire e
deciso se trattasi di un'istruzione da eseguire da parte dell'ALU
o da parte della CU.
Nella fase di execute viene materialmente eseguita dalle
componenti della CPU opportune.

19. Grazie per l'attenzione