Architettura di Von Neumann e l’interno di un computer

Scopo di questo articolo é capire com’é fatto un computer. Si partirà dall’architettura di Von Neumann per poi arrivare ai computer moderni; in special modo parleremo di “motherboard” (scheda madre) e di quello che é presente su di essa: memoria centrale (RAM e ROM), interfaccia periferiche, CPU. Proprio di quest’ultima ci occuperemo maggiormente illustrando: ALU, FPU, Registri, Program Counter, Unità di controllo…

– ARCHITETTURA DI VON NEUMANN –

John Von Neumann era un matematico ungherese di origini ebree. Nato agli inizi del ‘900, fuggì negli Stati Uniti d’America a causa delle leggi razziali di Hitler. Passò alla storia per aver realizzato un modello di architettura informatica (Architettura di Von Neumann) sulla quale, ad oggi, continuano a basarsi, anche se con implementazioni, i computers.
L’architettura di Von Neumann consta di quattro elementi:

  • CPU (Central Processing Unit);
  • I/O peripherals (periferiche di input – output);
  • RAM memory (Random Access Memory);
  • Bus di sistema;

Nell’architettura di Von Neumann il “Bus di sistema” mette in comunicazione tutte le altre entità; le periferiche di input permettono l’inserimento dei dati; le periferiche di output fanno sì che i dati elaborati possano esserci restituiti; la memoria, di tipo RAM (memoria ad accesso casuale) é il luogo ove i dati vengono caricati prima, durante e dopo l’elaborazione.
Della CPU (processore) fanno parte la ALU (Arithmetic Logical Unit) e la CU (Control Unit).
L’ALU provvede ad eseguire le operazioni matematiche ed i confronti Booleani mentre la CU controlla l’esatto svolgimento delle operazioni eseguite.

 

– ARCHITETTURA DEI COMPUTERS MODERNI –

Benché siano passati molti anni da quando Von Neumann teorizzò e realizzò l’omonima architettura, il concetto rimane lo stesso – a parte qualche implementazione. Un computer moderno possiede una “Motherboard” (scheda madre) dove trovano posto: CPU (Central Processing Unit), memoria ROM (Read Only Memory), memoria RAM (Random Access Memory), clock di sistema, memorie di massa (hard disk), interfacce per periferiche di input – output; vediamo in dettaglio tutto…

CPU (Central Processing Unit)
La CPU, anche detta “processore” o “microprocessore”, é il “cervello” del computer. E’ il luogo fisico dove le informazioni vengono interpretrate ed elaborate. Essa é formata da:

  • ALU (Arithmetic Logical Unit): l’unità logica aritmetica provvede a compiere i calcoli matematici e i confronti Booleani (vero/falso, ecc.);
  • FPU (Floating Point Unit): l’unità di calcolo in virgola mobile esegue i calcoli matematici in virgola mobile, appunto;
  • CU (Control Unit): l’unità di controllo legge i dati del programma, controlla lo svolgimento delle operazioni ed aggiorna l’IC/PC;
  • IC o PC (Instruction Counter o Program Counter): viene aggiornato dalla UC e tiene il conto delle operazioni che la CPU deve svolgere;
  • Registri: sono come dei tacquini ove vengono passati i dati utilizzati maggiormente così da essere richiamati all’esigenza. L’adozione dei registri fa sì che la CPU lavori molto più velocemente;

CLOCK DI SISTEMA
Il Clock di sistema (orologio di sistema) é un oroglogio che é in grado di inviare segnali elettrici (ogni secondo) scandendo così la frequenza di lavoro del sistema. E’ necessario anche per la corretta sincronizzazione di tutti gli elementi del sistema stesso. Molte volte viene confuso – erroneamente – con l’orologio presente nei vari sistemi operativi!

MEMORIE AD ACCESSO CASUALE E SEQUENZIALE
Prima di parlare della componentistica che forma i dispositivi di memoria di un computer é necessario parlare delle due modalità di accesso ad essi.

  1. L’accesso casuale di un dispositivo di memoria provvede all’accesso ad un dato in modalità del tutto casuale così da poter raggiungere qualsiasi informazione nello stesso tempo indipendentemente da quale “posto” essa occupi nel dispositivo. L’elaboratore inserisce “a caso” le informazioni in un dispositivo di memorizzazione ad accesso casuale e si “segna” in un elenco il posto ove le ha inserite. Quando deve leggere tali informazioni, tale elenco (FAT – File Allocation Table) viene consultato. A questo punto, conosciuta l’esatta posizione del dato esso viene cercato e letto. Sono dispositivi di memoria ad accesso casuale: RAM, Hard Disk, CD, DVD, Pendrive…
  2. L’accesso sequenziale, al contrario di quello casuale, ci permette di leggere velocemente una informazione prossima al punto di lettura ma più lentamente una che sia posta lontano da esso. Facciamo un esempio: chiunque ricordi i nastri o bobine magnetiche sa benissimo che per leggere il primo dato bastava mandare tranquillamente in play il dispositivo mentre per leggere l’ultimo bisognava scorrere il nastro fino alla posizione occupata dal dato da leggere.

I dispositivi di memoria vengono suddivisi anche in:

  1. Memoria centrale: RAM e ROM fanno parte di questa categoria;
  2. Memoria di massa: Hard disk, floppy disk, Pen drive, Unità a nastro, CD, DVD;
  3. Memorie magnetiche: Hard disk, floppy disk, Pen drive. Tutti i dispositivi di memoria di massa che memorizzano l’informazione grazie al passaggio di corrente che polarizza gli elementi ferro-magnetici del supporto;
  4. Memorie ottiche: CD, DVD;

 

MEMORIA ROM E BIOS
La memoria ROM (Read Only Memory) é una memoria di sola lettura. Fa parte della cosiddetta “memoria veloce” (insieme alla RAM). La ROM contiene i dati necessari alla “partenza” dell’elaboratore informatico.
In essa é contenuto il BIOS (Basic Input/Output System) ovvero un software (caricato dalla fabbrica) che parte all’avvio del computer compiendo: controllo dell’hardware e fase di boot-strap (cerca il sistema operativo e lo carica in RAM per l’esecuzione). La ROM é un chip inserito sulla scheda madre.
Con lo sviluppo della tecnologia é stato necessario prevedere l’aggiornamento del BIOS. Questa eventualità é stata supportata dall’utilizzo delle “flash memory” permettendo così l’upgrade (aggiornamento) del suddetto software.

MEMORIA RAM
La memoria RAM (Random Access Memory) é l’altra componente della “memoria veloce” di un computer. Essa é una memoria ad accesso casuale e volatile. L’esser “volatile” significa che i dati vengono trattenuti in memoria fino a quando non si spegne il computer. Se dovesse esserci una interruzione di energia elettrica la RAM perderebbe tutte le informazioni acquisite.

MEMORIA CACHE
Le memorie di tipo “Cache” sono dispositivi ultra-veloci di memorizzazione. Hanno capacità limitate di immagazzinare dati e servono per “aiutare” le fasi relative all’elaborazione – esecuzione di un dato o gruppo di dati.
Sono memorie temporanee che accolgono i dati prima di essere elaborati facilitando così il sistema che diviene più veloce e fluido.
La memoria Cache permette quindi di prelevare un dato in pochissimo tempo e “sgrava” il sistema che può continuare a lavorare senza troppe richieste.
L’utilizzo di memorie Cache permette di sorvolare parzialmente ai tanti “colli di bottiglia” di un sistema informatico. Esso infatti ha tante entità che “viaggiano” a diverse velocità: se pensiamo che una CPU lavora nell’ordine di qualche GHz (GigaHertz) mentre altri componenti hanno velocità di molto più basse si capisce benissimo l’importanza di tali memorie ultra-veloci.

INTERFACCE PERIFERICHE I/O
Sulla scheda madre vi sono delle interfacce che permettono di connettere delle unità periferiche: hard disk, masterizzatore, lettore cd/dvd, stampante, video, tastiera, mouse, ecc. Le periferiche possono essere di tre tipi:

  1. Periferiche di Input: sono periferiche che permettono l’inserimento di dati nel computer (es: tastiera, mouse, lettore di cd/dvd, scanner);
  2. Periferiche di Output: sono periferiche che permettono l’uscita di dati dal computer (es: video, stampante);
  3. Periferiche di Input / Output: sono tutte quelle periferiche che permettono l’entrata e l’uscita dei dati (es: touch-screen, stampanti multifunzione).

BUS DI SISTEMA
Abbiamo lasciato per ultimo i Bus di sistema perché pensavamo che a livello logico fosse giusto. I Bus di sistema sono delle vere e proprie autostrade che collegano i componenti della scheda madre: senza questi non potrebbero comunicare tra di loro.

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