(Classe 3a) - Sistemi e Reti

Il modello di architettura di von Neumann è costituito da tre sottosistemi interconnessi: il Processore (o Unità centrale di elaborazione – CPU), la Memoria e i Dispositivi di I/O (Input/Output o Ingresso/Uscita).
La connessione tra questi sottosistemi è realizzata mediante un altro dispositivo, noto come Bus.

L’ architettura di Von Neumann o macchina di Von Neumann è riferita allo schema progettuale pensato dal matematico ungherese John Von Neumann intorno alla metà del Novecento. Il computer, così come lo intendiamo attualmente, è stato realizzato grazie a tale schema. I concetti di base dell'architettura di Von Neumann sono inclusi anche nei moderni microprocessori.

Lo schema si basa su 4 componenti fondamentali:

• CPU
• RAM
• Interfaccia di I/O (Input/Output)
• Bus di sistema

CPU

La CPU (Central Processing Unit) è l'unità centrale di elaborazione e si può definire come il “cervello” del computer. La CPU esegue le istruzioni di calcolo e di controllo, coordinando le altre componenti nell’esecuzione delle istruzioni stesse. La CPU, detta anche processore, si suddivide in:

• ALU (Arithmetic Logic Unit), che effettua i calcoli aritmetici e logici;
• CU (Control Unit), è l'unità di controllo, che sovrintende al funzionamento delle altre componenti.

La CPU coordina le altre componenti del sistema utilizzando un circuito temporizzatore, detto clock di sistema o semplicemente clock. Utilizzando una metafora, si può dire che il clock detta il tempo nell'esecuzione delle istruzioni così come il beat detta il tempo all'interno di una canzone.

Memoria

Per quanto riguarda la memoria del computer, una prima distinzione si può fare tra memoria principale e memoria secondaria. La RAM (Random Access Memory) è la memoria centrale, può essere considerata una delle memorie principali assieme ai registri ed alla cache. La RAM riveste un ruolo fondamentale nell’architettura di Von Neumann: tutte le istruzioni ed i dati devono risiedere in RAM per poter essere utilizzati dalla CPU. La RAM è però volatile, dunque le informazioni in essa contenute si perderanno allo spegnimento del computer. Memorie volatili sono anche i registri, fra cui citiamo i registri MAR, MDR, PC, IR e PSW, che assumono un ruolo fondamentale nel ciclo delle istruzioni macchina, affrontato in questo post. 

Può essere classificata come memoria principale anche la ROM (Read Only Memory), che è una memoria persistente a sola lettura. La ROM contiene il programma di bootstrap, ovvero il programma che consente al sistema di avviarsi e caricare il software principale, che tipicamente è il sistema operativo.

Per quanto riguarda la memoria secondaria, citiamo il disco rigido (hard disk) ed i dischi a stato solido (SSD), sui quali vengono conservati dati e programmi in maniera persistente. Essendo persistenti, in tali dischi i dati si mantengono anche dopo lo spegnimento del computer.

Input/Output

Gli hard disk, assieme ai lettori CD/DVD, alle tastiere, ai mouse, alle webcam, possono inoltre essere considerati dispositivi di input dell’architettura. Dispositivi di output sono invece stampanti e schermi. Dunque, i dispositivi di input servono ad inserire dati e/o a dare comandi al sistema, mentre i dispositivi di output servono a comunicare all’utente i dati elaborati dalla macchina. I vari dispositivi (detti anche periferiche) sono diversi tra loro e dunque necessitano di un’interfaccia comune per poter comunicare con gli altri componenti dell’architettura. Tale interfaccia è appunto l’interfaccia di I/O.

Bus

Infine, il bus è il canale di comunicazione che permette di collegare tra loro i componenti dell’architettura, consentendo il transito delle informazioni. In particolare, nell’architettura di Von Neumann possiamo distinguere diverse linee nel bus di sistema:

• bus di controllo, per abilitare la memoria in lettura o scrittura
• bus di indirizzi, per individuare gli indirizzi di memoria
• bus dati, per contenere i dati da leggere o scrivere