Il computer o elaboratore elettronico può essere definito, in modo semplice, come un sistema capace di elaborare i dati immessi, seguendo opportunamente una serie di istruzioni (programma), e di dare in uscita i risultati dell’elaborazione.
Tralasciando i prototipi più antichi, si può dire che il primo elaboratore elettronico sia stato l’ENIAC, realizzato nel 1946 negli USA utilizzando la tecnologia dei tubi a vuoto.
Da allora i computer hanno continuato ad evolversi e a trasformarsi di anno in anno, impiegando tecnologie sempre più sofisticate e attualmente possiamo distinguere le seguenti tipologie di computer:
· i personal computer (PC), sistemi da tavolo ad un prezzo non proibitivo, utilizzabili da un singolo utente per compiti generici che vanno dall’elaborazione dei fogli di lavoro e di documenti di testo ai giochi, alle comunicazioni (fax, posta elettronica, Internet) e alle applicazioni multimediali;
· i mainframe, che a differenza dei PC sono sistemi di grandi dimensioni, costosi e sofisticati, utilizzabili da più utenti simultaneamente attraverso opportuni terminali, e impiegati da grandi organizzazioni che devono elaborare enormi quantità di dati;
· i minicomputer, sistemi di potenza medio-alta in grado di gestire fino ad un centinaio di terminali contemporaneamente;
· i server, sistemi che operano nell’ambito di un collegamento in rete tra computer e che forniscono ad altri sistemi ad essi collegati, (client), servizi specifici;
· le workstation, sistemi specializzati per svolgere particolari funzioni, quali la progettazione grafica (CAD) o lo sviluppo di software.
Concentrando la nostra attenzione sul personal computer è necessario distinguere le componenti hardware e software.
L’hardware è l’insieme delle componenti fisiche, elettroniche o meccaniche, del personal computer. Esternamente presenta lo schermo, la tastiera, il mouse, le casse acustiche e l’involucro (case) del PC (fig.A). L’involucro contiene tutti i componenti vitali del PC e fornisce anche l’accesso alle unità CD-ROM e floppy, poste sul davanti, oltre a varie porte sul retro. L’involucro, inoltre, protegge l’utente dalle radiazioni elettromagnetiche prodotte dai componenti interni e consente al flusso d’aria canalizzato di ridurre i problemi di surriscaldamento.
Il software è l’insieme di programmi che consentono al computer di funzionare, che danno vita all’hardware inanimato. È quindi impensabile separare l’hardware dal software quando si parla di elaboratori.
Quando si parla di architettura di un PC ci si riferisce alla struttura hardware del PC. Per destreggiarci nella complessa architettura di un PC conviene suddividerlo in termini di sottosistemi che lo compongono (fig B).
· CPU (Central Processing Unit): denominata anche processore o microprocessore, è un circuito integrato che si occupa dell’elaborazione vera e propria dei dati, delle operazioni di calcolo e del controllo sotto la supervisione di opportuni programmi. Attualmente sul mercato sono diffusi i microprocessori della famiglia Intel (Pentium III, Celeron) e della AMD (K6, Athlon). Il tipo di CPU presente in un PC determina la velocità di funzionamento (espressa in multipli di hertz Hz), la potenza delle elaborazioni e le istruzioni di base che è in grado di riconoscere. La CPU è il componente più importante ai fini delle prestazioni e del prezzo del sistema e i produttori di computer di norma specificano i loro PC in base al tipo e alla velocità del processore installato (per esempio Intel Celeron 500MHz, Intel Pentium III 700MHz oppure AMD K6-3 450 MHz, AMD Athlon 700MHz).
· Dispositivi d’ingresso e d’uscita: detti anche periferiche d’ingresso (o di input) e d’uscita (o di output), consentono il trasferimento di dati dal mondo esterno verso la CPU e dalla CPU verso il mondo esterno. La tastiera e il mouse sono i principali dispositivi di input, mentre il video e la stampante i principali dispositivi di output. In genere si collegano al sistema attraverso opportuni adattatori.
· Memoria centrale: è la memoria dove sono immagazzinati i dati e i codici che il PC utilizza in fase operativa. Nel PC distinguiamo la memoria di sistema, chiamata RAM (random access memory), che è un tipo di memoria ad accesso casuale dove è possibile sia leggere sia scrivere i dati in forma non permanente, e la memoria ROM (read only memory), che è un tipo di memoria a sola lettura dove sono immagazzinati una serie di programmi che consentono l’avvio del computer e la gestione della fase di accensione. La capacità della RAM, espressa in multipli di byte (megabyte MB), influenza le prestazioni del PC: oggi 64MB di RAM sono la minima quantità di memoria per un utilizzo efficiente del PC per le odierne applicazioni in multitasking comprendenti l’elaborazione testi, i fogli di calcolo, posta elettronica, navigazione Web, software di presentazione.
· Memorie di massa: sono dispositivi per l’immagazzinamento di dati in modo permanente. In una configurazione media di un PC distinguiamo:
- il disco rigido (hard disk) con capacità dell’ordine del gigabyte (GB) che consente di conservare enormi quantità di dati e programmi;
- il floppy disk (detto familiarmente “dischetto”) che è un supporto ancora molto diffuso per memorizzare e spostare piccole quantità di dati (1,44 MB) da un PC ad un altro;
- il CD-ROM (compact disk-read only memory), memoria a sola lettura in grado d’immagazzinare centinaia di megabyte d’informazioni (generalmente 650MB e 800MB); l’unità CD-ROM consente la lettura di grandi quantità di caratteri, di immagini di elevata qualità fotografica e di suoni;
- il DVD (digital versatile disk), all’apparenza identici ai CD-ROM, hanno una capacità superiore dell’ordine del gigabyte (3,9 e 5,2 GB). I DVD sono nati come supporto per filmati ad alta risoluzione, ma attualmente esistono applicazioni distribuite in questo formato. Le unità DVD consentono sia la lettura dei supporti DVD sia dei CD-ROM.
Tutti questi sottosistemi collaborano in modo che l’utente del PC possa caricare programmi applicativi (quali giochi, programmi per l’elaborazione dei testi, fogli di calcolo, ecc.), elaborare e salvare dati, quindi possa sfruttare utilmente la potenza di questi sistemi, sotto la guida del sistema operativo.
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 fino a 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, per ora) 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 conservare 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.
Esempio applicativo. Evoluzione dei
microprocessori
Nell’analisi dell’evoluzione dei microprocessori si esaminerà l’ampio spettro dei processori Intel (dal 486 al Pentium II) che copre quasi il 90% del mercato dei desktop.
La CPU funziona in vari modi come una piccola fabbrica di bit, che assorbe materie prime sotto forma di dati ed istruzioni e li converte in bit utilizzabili. Come una fabbrica, la CPU usa una linea di produzione per elaborare i bit ricavandone il prodotto finito e usa il bus per spostare i bit dentro e fuori. La CPU provoca anche inquinamento sotto forma di radiazioni elettromagnetiche e di calore.
Sebbene ogni operazione svolta dalla CPU sia assai minuta, la linea di assemblaggio svolge tali operazioni in sequenza ad una velocità incredibile, circa 500 milioni di operazioni al secondo. Le CPU più recenti usano più di una linea di assemblaggio, una tecnica chiamata superscalar pipelining (canalizzazione superscalare) che permette ai moderni PC di realizzare anche la riproduzione fluida dei filmati e il multitasking di più applicazioni.
Quando Intel distribuì la prima CPU Pentium ai costruttori, nel marzo 1993, fu un vero avvenimento, in quanto fu la prima CPU ad offrire la tecnica di canalizzazione superscalare, che usa due canali per le istruzioni per operare su più di un’istruzione per volta. I Pentium 60 e 66MHz si scaldavano molto durante il funzionamento, dissipando 16W nel lavoro normale. Nel 1994 Intel migliorò le cose riducendo le dimensioni del chip, in modo da riscaldare meno, pur raggiungendo frequenze di clock di 75, 90 e 100MHz. I nuovi chip utilizzavano la stessa tecnica moltiplicativa dei processori 486DX2 e DX4, lavorando a frequenze 1,5 o 2 volte quella della scheda madre. Ne risultarono significativi miglioramenti delle prestazioni senza dover riprogettare i componenti della scheda madre per le più alte frequenze di clock.
Intel lanciò versioni più veloci di Pentium a coppie, basate sul fattore di moltiplicazione della frequenza di clock sul bus di sistema. Per esempio nel 1995 i Pentium 120 e 133MHz operavano ad una frequenza doppia di quella della scheda madre (60 e 66MHz). I Pentium 150 e 166MHz portarono a 2,5 il fattore di moltiplicazione, mentre gli ultimi Pentium a 200MHz e 180MHz (il meno diffuso) lavoravano con il fattore 3.
Il Pentium forniva ben più che un semplice aumento di velocità rispetto al 486; le nuove CPU disponevano di un bus dati esterno a 64bit e di 16kB di cache L1 (8kB per ciascun canale istruzioni), valori doppi rispetto al 486. Il ruolo della cache di 1° livello (L1), integrata nel processore, è analogo a quello della cache di 2° livello (L2), solitamente esterna e di dimensioni maggiori. La cache L1 occupa spazio prezioso sul chip della CPU e richiede complicati algoritmi per individuare ciò di cui avrà bisogno la CPU in seguito, ma il guadagno di prestazioni è innegabile. Infatti un processore può accedere ai bit internamente molto più rapidamente di quanto possa prelevandoli dalla memoria esterna; di contro, se il codice o i dati necessari non si trovano nella cache, il processore perde tempo nel cercare inutilmente all’interno della cache.
Il Pentium, inoltre, raddoppiò le prestazioni della FPU (floating point unit) rispetto al 486DX. La FPU, l’unità di calcolo in virgola mobile, è un processore dedicato al calcolo con i numeri reali, utilizzato da applicazioni che richiedono l’elaborazione delle immagini fotografiche, la progettazione in 3D, i software per il CAD e i giochi in 3D.
Il Pentium classico è la CPU che ha portato Intel alle massime vette nel mercato dei PC, ma è solo un momento importante nella storia dei computer. Con la creazione del Pentium MMX, Intel ha soddisfatto largamente la richiesta in forte aumento di multimedialità nei software, che vanno dai giochi ai browser per il Web, ad un costo accettabile. Il funzionamento interno della CPU, i due canali, la FPU e il bus dati non sono invariati rispetto al Pentium base.
Le prime CPU Pentium MMX per i desktop furono progettate per 166 e 200MHz e come sostanziale novità presentavano il set d’istruzioni arricchito; infatti il Pentium MMX aggiungeva 57 nuove istruzioni rispetto al 486, mirate alle funzioni grafiche, alla compressione/decompressione video e audio e all’elaborazione dei segnali. Le nuove istruzioni permettono al Pentium MMX di fare in un passo solo ciò che nel Pentium classico richiedeva una decina di passi. I test hanno dimostrato che le applicazioni per l’elaborazione delle immagini, tipo Adobe Photoshop, sono quelle che ricevono i maggiori vantaggi dalla tecnologia MMX. Le CPU Pentium MMX usano una tensione di alimentazione interna più bassa (2,8V) per diminuire il calore dissipato, mentre la tensione sulla scheda madre è di 3,3V: questa doppia tensione richiede che la scheda madre sia dotata di una speciale regolazione di tensione.
Per capire l’evoluzione del Pentium MMX occorre sottolineare che nella progettazione delle CPU ci sono due filosofie: il RISC (Reduced Instruction Set Computing), che cerca di aumentare le prestazioni eseguendo rapidamente una sequenza di istruzioni semplici, e il CISC (Complex Instruction Set Computing) che usa un più ampio gruppo di istruzioni per fare di più in un singolo passo.
Intel con il processore Pentium Pro, ampliando l’architettura superscalare per superare i colli di bottiglia del CISC, ha realizzato un veloce nucleo RISC entro un’interfaccia compatibile con CISC; ci si chiede perché Intel non sia passata completamente all’intero set di istruzioni RISC, che offre il modo migliore per arrivare ad alte frequenze. La ragione risiede nella compatibilità che Intel doveva garantire per i software creati con le istruzioni x86, introdotte nel Pentium MMX, per mantenere il vantaggio ottenuto rispetto ai concorrenti.
Il Pentium Pro è un “mostro” da 5,5 milioni di transistor con la cache L2, esterna sulla scheda madre nei precedenti Pentium, incorporata in una seconda cavità del contenitore ceramico della CPU. La cache L2 integrata, con un bus dedicato, lavora così alla stessa velocità della CPU, mentre le cache L2 delle CPU precedenti lavoravano alla velocità del bus della scheda madre e consente un immediato aumento delle prestazioni.
Nel maggio 1997, l’Intel introduce il Pentium II con eccellenti prestazioni e con un nuovo connettore di sistema che ha modificato il modo di lavorare della CPU con la scheda madre. Il Pentium II conserva il nucleo del Pentium Pro e il medesimo supporto MMX dell’analogo Pentium; inoltre ha la cache L1 per istruzioni e dati raddoppiata rispetto al Pentium Pro. Le modifiche maggiori del Pentium II si notano all’esterno del nucleo; Intel ha adottato uno schema a cartuccia in cui il processore e la cache L2 sono collocati all’interno di un modulo dalle dimensioni di un pacchetto di sigarette. Questo modulo, detto SEC (Single Edged Connector) s’innesta verticalmente entro un nuovo slot posto sulle apposite schede madre per il Pentium II. Questo sistema consente una migliore dissipazione del calore, permettendo al processore di lavorare ad una temperatura più bassa. La cache L2 è comunque collocata all’interno della cartuccia SEC separata dal chip e collegata tramite un bus dedicato, che lavora a metà frequenza rispetto alla CPU. Questa nuova struttura offre rendimenti in fase di produzione, abbassando i costi e permettendo al nucleo della CPU di funzionare a 400MHz e più e permette di ottenere velocità maggiori dalla cache L2 che lavora più velocemente delle memorie poste sulla scheda madre, attualmente limitate a 100MHz.
Nel concludere questa panoramica sui processori si descrive la struttura del Pentium Celeron, una CPU economica che Intel ha introdotto parallelamente al Pentium II per non perdere le quote di mercato alla portata della maggior parte delle tasche. Il Pentium Celeron usa lo stesso nucleo del Pentium II e s’inserisce nello medesimo connettore sulla scheda madre, ma non possiede la cartuccia SEC con incorporata la cache L2. È montato su un circuito stampato e integra una cache L2 ridotta (128kB) che funziona alla stessa frequenza della CPU.
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Fig.C:
alcune caratteristiche delle CPU |
Pentium
II |
Pentium
Celeron |
Frequenza
interna di clock
Cache L1 Frequenza
cache L2
Supporto
MMX Bus dati
(interno/esterno) Numero di
transistor Tipo
d’involucro |
333, 350, 400, 450 MHz
16kB/16kB 200, 225 MHz
Si 32/64 bit 7,5
milioni Slot su
circuito stampato |
300, 333 MHz
16kB/16kB 300, 333 MHz (128kB)
Si 32/64 bit 7,5
milioni Slot su
circuito stampato |