Architettura del personal computer -
analisi
Attualmente il mercato dei PC è orientato verso sistemi dotati di una scheda interna detta motherboard (scheda madre) che contiene i principali circuiti per il funzionamento del computer, oltre ad una serie di connettori (slot di espansione) su cui inserire gli elementi necessari per ampliare la struttura del PC. La scheda madre oltre ad essere il supporto fisico per i componenti principali del PC determina la velocità e l’efficienza con cui questi possono comunicare. Su una moderna scheda madre troviamo i seguenti dispositivi:
· la CPU innestata su un apposito zoccolo o slot, che può ospitare un numero di CPU di tipo differente e che influenza direttamente le prestazioni del sistema e le possibilità di un suo potenziamento;
· la memoria centrale di tipo DRAM (RAM dinamica);
· un certo quantitativo (256 o 512 kB) di memoria veloce di tipo SRAM (RAM statica) detta cache di secondo livello (cache L2);
· la memoria ROM (o di tipo FLASH EEPROM che consente di aggiornare i programmi per l’avvio del PC, detti BIOS, direttamente via software senza togliere il chip dalla scheda madre);
· la memoria RAM CMOS e il real time clock con una piccola batteria tampone che fornisce l’alimentazione continua necessaria a conservare le impostazioni memorizzate nei CMOS e nell’orologio del sistema;
· gli integrati d’interfaccia della CPU con la memoria centrale, con il bus di espansione e con alcune periferiche di I/O (denominati chipset);
· connettori di I/O per le porte seriali (COM1 e COM2), per la porta parallela (LPT1), per la tastiera, per il mouse e per la porta USB;
· connettori per le unità a disco, per l’alimentazione e (a volte) di tipo SCSI.
La CPU comunica con tutti gli altri elementi presenti sulla scheda madre tramite una serie di linee di collegamento che nel loro insieme prendono il nome di bus di sistema. Tali linee, in base ai tipi di segnale che trasferiscono all’interno del PC, sono suddivise in bus dei dati (data bus), bus degli indirizzi (address bus) e bus di controllo (control bus).
Il bus dati, bidirezionale e attualmente in grado di trasferire 64 bit per volta, permette di inviare le informazioni da elaborare dai dispositivi d’ingresso e dalla memoria alla CPU e viceversa. Sulle linee del bus dati transitano, inoltre, i codici delle istruzioni, provenienti dalla memoria, che la CPU deve di volta in volta eseguire.
Sulle linee del bus indirizzi, attualmente a 32 bit, in un determinato istante viaggia l’indirizzo del dispositivo o della locazione di memoria con cui la CPU deve scambiare i dati.
Sul bus di controllo transitano segnali che la CPU utilizza per trasmettere particolari comandi ai vari dispositivi presenti nel sistema o che le permettono di conoscere il loro stato.
Le linee dei bus della CPU, insieme con altre linee per le richieste di interrupt e per il controllo del DMA, sono portate su una serie di connettori, posti sulla scheda madre, e costituiscono il bus di espansione del PC. Su questi connettori si possono innestare schede video, schede audio, adattatori di rete e altri tipi di schede che consentono di variare rapidamente la configurazione hardware del PC.
A proposito del trasferimento dei dati sulla scheda madre, bisogna sottolineare che nei processori moderni il bus dati trasferisce i dati più velocemente all’interno che non all’esterno della CPU. La circuiteria compatta della CPU permette di trasferire i dati al suo interno ad una velocità da due a cinque volte superiore (da 200 a 500MHz) rispetto all’esterno, in quanto le linee (dette piste) sulla scheda madre non supportano velocità superiori a 100MHz. Il bus tipo XT, adatto alle antiche CPU 8088, lavorava con una frequenza uguale a quella della CPU (4,77MHz); successivamente si è passati al bus AT (detto anche ISA), adatto ai processori 286, 386 e 486, che lavora ad una frequenza inferiore a quella del processore. Attualmente è stato introdotto il bus PCI (peripheral component interconnection) che lavora alla frequenza di 100MHz, insieme al bus AGP (accelerated graphics port).
Negli odierni PC, oltre al veloce bus PCI e al bus AGP, dedicato alla grafica, sono presenti ancora connettori di tipo ISA. La CPU è interfacciata, per mezzo di un bus locale, direttamente con la memoria centrale e con la cache di 2° livello con lo stesso bus PCI. Il sistema d’interfaccia è denominato ponte. Esiste poi un altro ponte di collegamento tra il bus PCI e il bus ISA. Le funzioni d’interfacciamento sono svolte da alcuni integrati, denominati
chipset che assolvono alle specifiche d’interfacciamento proprie dei due ponti.
L’insieme dei circuiti integrati denominato chipset è direttamente saldato sulla scheda madre e s’incarica di gestire le transazioni con le memorie, le attività sul bus, il risparmio energetico e la temporizzazione della CPU.
Passando ai dispositivi di memorizzazione presenti sulla scheda madre, s’individua la memoria centrale che è attualmente di tipo DRAM (dynamic RAM) ed è prodotta in un formato standard, in modo da consentire l’inserimento di nuova memoria negli innesti della scheda madre. I tipi di moduli di memoria presenti sul mercato sono i moduli SIMM (Single Inline Memory Module) a 72 pin, con capacità fino a 32MB per modulo, e DIMM (Dual Inline Memory Module) a 168 pin, con capacità di 64MB per modulo. Attualmente i costruttori di memorie sono orientati verso la SDRAM (syncronous DRAM), che sincronizzandosi con il clock di sistema, lavora in modo più rapido ed efficiente con il bus di sistema.
La memoria cache L2 è una RAM statica (SRAM), che viaggia ad una velocità maggiore dalle sei alle otto volte rispetto alla memoria centrale. Diversamente dalla memoria centrale, che deve costantemente ricevere segnali elettrici per elaborare i dati, la SRAM non richiede alcun segnale di rigenerazione: è questa impostazione statica della memoria che abbatte i tempi di accesso ed aumenta la velocità. La cache secondaria è stata introdotta dai produttori di schede madri (Intel, Micronics) per aiutare il sistema a recuperare la differenza di velocità tra la CPU e le scheda madre. La cache L2 è inserita tra la CPU e la memoria centrale: in essa sono immagazzinati i dati (o istruzioni) usati più di recente e quando la CPU richiede un dato, se esso è contenuto nella cache, viene restituito rapidamente, se non c'è, occorre aspettare il tempo della RAM. Alcuni test dimostrano che una cache da 256kB può incrementare del 20, 25% le prestazioni del sistema rispetto ad un PC sprovvisto di cache.
Nel concludere questa analisi è indispensabile capire la funzione dei numerosi connettori presenti sulla scheda madre. Innanzitutto ci sono i connettori di alimentazione in cui s’innestano i connettori provenienti dall’alimentatore, che fornisce la tensione necessaria per il funzionamento della scheda madre. I connettori IDE (integrated drive electronics), primario e secondario, servono rispettivamente per il collegamento del disco fisso (hard disk) e del CD-ROM (o altre periferiche interne); vicino al connettore IDE si trova sempre un connettore singolo per l’unità a dischetti. Molti PC dispongono di due connettori per le porte seriali (COM1 e COM2): un connettore con 9 piedini e uno con 25 piedini che consentono il collegamento del modem, dello scanner e di altre periferiche. Le porte seriali moderne trasferiscono dati alla velocità di 1,5kB/s. Il connettore per la porta parallela (LPT1) serve per collegare una stampante ed è in grado di trasferire fino a 8MB/s di dati. Molti PC possiedono il connettore per la porta USB (universal serial bus) che serve come punto fisico di partenza per una catena di periferiche esterne. Si possono collegare in cascata fino a 127 periferiche di tipo USB. L’USB assicura una velocità di trasferimento dati fino a 12MB/s ed è un bus Plug&Play.