Le tecnologie elettroniche per il trattamento dell’informazione

Architettura dei sistemi di elaborazione

Gerarchia delle astrazioni a livelli di un calcolatore

Le tecnologie elettroniche per il trattamento delle informazioni si dividono in tecnologie software e hardware e possono essere schematizzati nel grafico qui a fianco.

Queste tecnologie si sono sviluppate partendo da fondamenti scientifico matematici molto rigorosi e che affondano le loro radici già nel secolo XVII.

La progettazione del computer elettronico è da attribuire ad Alan Turing che intuì l’importanza dell’elettronica nello sviluppo di macchine che potessero risolvere problemi. Le conclusioni teoriche di Turing permisero di dimostrare che se un problema poteva essere risolto grazie ad un algoritmo, allora esiste una macchina che può risolvere quel problema.

Applicando le teorie di Turing, il matematico Von Neumann formalizzò un modello del moderno computer che definì “Architettura dei sistemi di elaborazione”.


Sistemi digitali e programmabili: i microprocessori, programmazione a livello macchina e con linguaggi orientati alla macchina.


Componenti di un sistema di elaborazione: motherboard, unità centrale, unità periferiche, memorie e loro caratteristiche e gerarchia (Von Neumann).

Tratto dal documento “01_Struttura-Calcolatotri_Cap03_Architettura-calcolatore.pdf” di Daniele Corti 2013.

Lo schema funzionale di un calcolatore digitale moderno corrisponde ancora oggi a quello della macchina di von Neumann elaborata da John von Neumann all’inizio degli anni ’40 del secolo scorso. Tale macchina è stata introdotta per sviluppare la teoria della calcolabilità con un modello di macchina che potesse essere una ragionevole astrazione di un calcolatore.

Nelle macchine dotate dell’architettura di von Neumann, dati e programmi sono fra loro indistinguibili e vengono memorizzati su un’unica memoria, usando le stesse tecniche di gestione. In questo modo è quindi possibile collegare fra loro più programmi, modificarne agevolmente la struttura ed eventualmente scambiarli fra macchine diverse.

L’elemento che contraddistingue il modello di macchina di von Neumann è la sua proceduralità: la macchina si aspetta un programma costituito da un insieme di istruzioni che le dica cosa fare un istante dopo l’altro.

  • Un calcolatore, secondo il modello di von Neumann è costituito da una memoria e da un processore.
  • La caratteristica fondamentale di questa macchina è che la memoria contiene sia programmi che dati.
  • Il programma è la sequenza di istruzioni che devono essere eseguite e i dati sono le informazioni che il programma elabora per produrre il risultato. Queste informazioni includono i dati d’ingresso, parte dei dati intermedi (che possono anche essere memorizzati in unità di memoria interne alla CPU, registri per poi essere cancellati) e i risultati dell’elaborazione.
  • Il processore ha il compito di:
    • estrarre le istruzioni del programma dalla memoria, interpretarle ed eseguirle una dopo l’altra.
    • I dati vengono trasformati dal programma in esecuzione attraverso una successione di stati
    • l’ultimo stato rappresenta il risultato finale.

Ogni componente funzionale del modello di von Neumann ha le seguenti caratteristiche:

Struttura logica di un computer secondo Von Neumann
  • Ha una funzionalità propria.
  • Interagisce con gli altri componenti e con l’esterno.
  • È, a sua volta, dotato di una struttura interna.

Le funzionalità principali sono:

  • Scambio dati con l’esterno (I/O, Input/Output) che si realizza mediante:
    • Dispositivi di I/O (es. tastiera, mouse, monitor, stampante, etc.).
    • Connessione di rete (es. scheda di rete).
  • Memorizzazione, realizzata da unità di memoria che possono essere:
    • A breve termine (es. RAM).
    • A lungo termine (es. Hard Disk).
  • Elaborazione dei dati, realizzata dall’unità di elaborazione centrale.
  • Controllo, anch’essa realizzata dall’unità di elaborazione centrale


VELOCIZZARE I CALCOLI – Il concetto di processo prevede più programmi in esecuzione.
Ma su un calcolatore vi è un solo microprocessore, vi può essere in esecuzione
un solo processo, e quindi:
• i processi vengono eseguiti uno per volta
• i processi si alternano nell’uso del microprocessore (time sharing)
• i calcoli di un processo vengono eseguiti in sequenza, uno per volta
Ci può essere bisogno di sveltire i calcoli!

ARCHITETTURE PER IL CALCOLO PARALLELO


Architetture parallele. Sistemi multiprocessori superscalari, sistemi a memoria condivisa, sistemi a memoria distribuita. sistemi a matrice.
Architettura dei microcontrollori e loro programmazione

Sistemi multimediali
Rappresentazione digitale dei diversi tipi di informazione: simboli, suoni, disegni, immagini, filmati.
Componenti fisici per i sistemi multimediali.
Strumenti di programmazione per i sistemi multimediali: linguaggi speciali orientati alle immagini,
sistemi ipertestuali.
Strumenti di editoria digitale multimediale

Altri argomenti del capitolo L’Informatica

  1. L’informazione
  2. Le tecnologie elettroniche per il trattamento dell’informazione
  3. Gli strumenti software per il trattamento dell’informazione: sistemi operativi e software applicativi
  4. La trasmissione dell’informazione e Internet come esempio di rete universale
  5. La programmazione
  6. Database e Big Data
  7. Intelligienza artificiale
  8. Trasferimento di tecnologie

(in costruzione)