I primi strumenti del calcolo automatico

I PRIMI STRUMENTI DEL CALCOLO AUTOMATICO

XVII secolo Blaise Pascal, mise a punto una macchina che poteva svolgere addizioni tenendo in considerazione anche i riporti. Gottfried Leibniz, realizzo calcolatrici automatiche che diedero un grosso contributo alle scienze matematiche e introdusse il sistema binario.

Charles Babbage creò la macchina analitica, uno strumento molto ingegnoso ed efficace nel calcolo. Fece in modo che le operazioni avvenissero alla base delle indicazioni codificate su schede di cartone perforate.

Alan Turing perfeziona un modello astratto del calcolatore che oggi è chiamata macchina di Turing e rappresenta la base della progettazione teorica dei sistemi di calcolo futuri.

nascita del primo calcolatore elettronico da parte di Mauchley e Eckert. La macchina si chiamò ENIAC cioè Eletronic Numerical Integrator And Calculator ed era stata progettata per fini militari anche se fu finita solo dopo il conflitto. L'ENIAC aveva una superficie di 180mq pesava 3t per 120mq di volume. Era a forma di U, lunga 30m impiegava 18000valvole termoioniche. Poteva eseguire 1900 operazioni al secondo. Dati da elaborare erano introdotti tramite schede perforate.

La macchina di Von neumann

Nel 1952, John Von Neumann introdusse il concetto di programmabilità e questo calcolatore doveva avere queste caratteristiche:

♣ operare secondo le specifiche di un programma memorizzato☻eseguire calcoli numerici binari ♦avere una struttura.

Il programma memorizzato prevedeva che oltre ai dati da elaborare, il computer ospitasse una serie di istruzioni da eseguire sui dati quindi il computer riceveva in input anche le schede che rappresentavano le istruzioni. L'unità di I/O è costituita da un insieme di dispositivi preposti al dialogo con il mondo esterno.

La Memoria centrale è lo spazio in cui sono contenuti i dati da elaborare e le istruzioni per elaborare il programma di elaborazione. Esistono diversi tipi di memoria ognuna con un compito specifico. Per memoria centrale si intende quella connessa all'unità centrale di elaborazione.

Nell'unità centrale di elaborazione le informazioni sono prelevate per essere processate. Per poterlo fare deve sapere interpretare correttamente il contenuto della memoria. Per questa caratteristica è chiamata processore o CPU e tutte le unità descritte possono comunicare tra loro attraverso il bus.

La CPU e i suoi componenti

La CPU è il cervello del computer perché si occupa di tutte le operazioni. L'Intel riuscì ad integrare in unico chip tutti i circuiti che servivano a svolgere questa funzione. Così nacque il microprocessore. Il bus collega la memoria alla CPU. Il bus è formato da il Bus degli indirizzi che collega l'ALU e la CU alla memoria centrale, quello dei dati che collega tutta la Cpu alla memoria e quello di controllo che collega i registri alla memoria.

La CU è il componente + importante perché coordina le varie unità di sistema e delle esecuzione di istruzioni. L'ALU è l'unità che esegue materialmente le operazioni aritmetiche e logiche sui dati. I registri sono gli spazi in cui sono copiati i dati e le istruzioni . Ecco le tipologie di registri presenti nella CPU: A      IR:contengono le istruzioni in corso di esecuzione A      PC:contiene l'indirizzo della cella di memoria da cui prelevare la successiva istruzione da eseguire A      MDR: scambio dei dati tra la CPU e la memoria pronto per essere elaborato oppure il dato è già pronto per essere riportato nella memoria centrale A      MAR: contiene l'indirizzo della cella in cui scrivere il dato contenuto o destinato nel MDR A      AR:memorizza i risultati delle operazioni logico aritmetiche che avvengono nella ALU. A      GPR:si denotano in numero progressivo e servono ad ospitare gli operandi e i risultati intermedi delle operazioni.

COME AVVIENE IL DIALOGO TRA LA CPU E LE ALTRE UNITA'

La CPU pone sul bus gli indirizzi il contenuto del MAR e contemporaneamente invia il bus di controllo una richiesta di lettura. La memoria risponde ed immette sul bus dei dati di contenuto della cella desiderata che va a finire nel MDR.Gli scambi di CPU e l'unità di I/O avvengono nella medesima dinamica cambiamo solo le provenienze e le  destinazioni.

LA SINCRONIZZAZIONE DELLA CPU

La CPU coordina le comunicazioni attraverso il clock che è l'orologio che scandisce il ritmo di lavoro di una CPU. I clock è un segnale elettrico digitale dall'andamento regolare che serve a sincronizzare tutte le operazioni che avvengono in un computer.

Quando si copia un elemento i bit del primo devono passare contemporaneamente nel secondo cioè tutti i bit devono essere trasferiti in parallelo, perciò gli elementi di destinazione devono cambiare stato per adattarsi allo stato dei vari elementi di memoria del registro di partenza.

Il funzionamento della cpu

Un programma è una serie di istruzioni che sono scritte in un linguaggio comprensibile al computer.

Il concetto di programma discende da quello dell'algoritmo: un algoritmo è l'insieme di passi che servono a

Portare a termine un determinato compito. Secondo il rivoluzionario progetto di Von Neumann, i programmi da eseguire sono posti nella memoria centrale assieme ai dati che devono elaborare e si presentano come una sequenza di istruzioni codificate in LINGUAGGIO MACCHINA. La CPU non fa altro che eseguire continuamente le istruzioni dei programmi che si trovano in memoria. Sappiamo che l'istruzione corrente si trova nel registro IR, mentre quella successiva si trova nel PC. La CPU traduce le operazioni attraverso tre fasi:

A      La fase di fetch o prelevamento dati

A      La fase di decode o decodifica dell'istruzione

A      La fase di execute o esecuzione dell'istruzione

Fase di fetch prelevamento di un 'istruzione

1. L'indirizzo dell'istruzione successiva si trova nel registro PC,il suo contenuto deve essere riversato nel MAR.
2. La CPU deve emettere un comando di lettura perché il contenuto della cella corrispondente sia trasferito nel MDR
3. Il dato ora presente nel MDR è l'istruzione da eseguire e quindi va copiato nell'IR
4. Per sapere quale istruzione da caricare alla successiva fase di fetch, è necessario aggiornare il PC

Incrementando il PC significa che il flusso di esecuzione del programma è totalmente sotto il controllo della fase di fetch, anche se alcune istruzioni hanno il potere di modificarlo.

Decode la decodifica di un 'istruzione

Dopo che l'istruzione è giunta nell'IR, avviene la decodificazione che avviene interpretando la varie parti che compongono l'istruzione. La parte più importante è la prima ovvero il codice operativo  che specifica quale tipo di azione deve essere compiuta mentre la parte restante definisce quali operandi debbano intervenire.

Execute esecuzione di un istruzione

Il risultato confluisce in modo autonomo all'interno del registro accumulatore. Anche se non tutte le CPU prevedono un registro accumulatore: alcune architetture lo hanno rimosso privilegiando l'uso più flessibile garantito dai registri generici.

Istruzioni di base della Cpu

Il set di istruzioni di una Cpu può cambiare sensibilmente da produttore a produttore, ma a prescindere dalle scelte progettuali ogni set di istruzioni di base raggruppabili entro quattro categorie principali cioè le.

Istruzioni aritmetiche, logiche, di trasferimento dati e di controllo del flusso di esecuzione.

Sono seguite con il contributo della ALU, le istruzioni di trasferimento dati servono a gestire lo scambio tra i registri della CPU e le altre unità. Si tratta di operazioni molto importanti, poiché qualsiasi informazione per essere elaborata deve passare per i registri della CPU.

Le istruzioni di controllo del flusso di esecuzione servono a modificare la normale sequenza di esecuzione del programma. Tra queste troviamo le istruzioni di salto che anziché far procedere l'esecuzione del programma istruzione, permettono di saltare ad un indirizzo di memoria specificato e continuare la sua esecuzione da quel punto. Nel modello originale di Von Neumann, ogni istruzione era una sequenza di 20bit, di cui 8 costituivano il codice operativo e 12 lo spazio degli operandi.

PARAMETRI CARATTERISTICI DELLA CPU

Il primo parametro è la frequenza di lavoro del suo orologio di sistema, ovvero la sua velocità di clock.

Questa grandezza riguarda il numero di oscillazioni al secondo compiute dall'onda quadra che costituisce l'andamento del segnale del clock e la sua unità di misura è l'Hz, anche se adesso quella minima è MHz che esprime un milione di oscillazioni al secondo.

La frequenza non è in grado si esprimere la capacità elaborativi del suo microprocessore . per indicare al velocità di elaborazione si utilizza una stima che esprime il numero di istruzioni che essa riesce a eseguire in un secondo(unità di misura:MIPS).

Un altro indice molto utilizzato è MFLOPS (millions floating Point operations per second)usta per valutare la CPU alle prese con la virgola mobile. CAD (computer aided design) ovvero progettazione assistita computer usata nella grafica avanzata.