Architettura di un computer

Architettura della Memoria Principale nei Computer

La memoria principale è un elemento cruciale nell'architettura di un computer, basata sul modello di Von Neumann. Essa è responsabile dell'archiviazione temporanea dei programmi e dei dati che la CPU (Central Processing Unit) utilizza durante l'elaborazione. La velocità di un computer dipende dalla sua capacità di processare istruzioni in un determinato lasso di tempo; pertanto, la memoria principale deve essere veloce per evitare colli di bottiglia che rallenterebbero la CPU. La memoria principale è composta da celle di memoria, ciascuna con un proprio indirizzo, che possono essere lette o scritte dalla CPU.

Tipologie e Caratteristiche della Memoria

Le memorie si classificano in base a volatilità, velocità, modalità di accesso, capacità e costo per bit. Le memorie volatili, come la RAM (Random Access Memory), perdono i dati senza alimentazione, mentre le non volatili, come le memorie flash, li conservano. La velocità di una memoria è definita dal tempo di accesso e dalla frequenza di trasferimento dati. Le modalità di accesso includono l'accesso casuale, diretto, sequenziale, e associativo. La capacità di una memoria indica la quantità totale di dati che può contenere, e il costo per bit è particolarmente rilevante per le memorie di massa, che devono bilanciare capacità e sostenibilità economica.

La Memoria Centrale RAM e la Gestione dei Dati

La RAM è una memoria volatile ad accesso casuale che gioca un ruolo fondamentale nel contenere dati e istruzioni dei programmi in esecuzione. La sua struttura permette di accedere a qualsiasi cella di memoria in modo diretto e con un tempo di accesso uniforme. La RAM è organizzata in moduli, suddivisi in indirizzi di memoria, e lavora in stretta collaborazione con la CPU tramite registri di sistema. Le gerarchie di memoria comprendono livelli come la cache, che è più piccola e veloce, e le memorie di massa, che sono più grandi ma più lente.

Input/Output e la Comunicazione con le Periferiche

I dispositivi di ingresso/uscita (I/O) permettono al computer di interagire con l'ambiente esterno. Questi dispositivi, che includono tastiere, stampanti e mouse, sono controllati da interfacce hardware e software che convertono i segnali elettronici in comandi utilizzabili. La trasmissione dei dati può essere seriale, con un bit alla volta, o parallela, con più bit contemporaneamente. L'I/O può essere gestito attraverso controllo programmato, con la CPU che gestisce direttamente i dispositivi, tramite interrupt, che permettono ai dispositivi di segnalare alla CPU la necessità di attenzione, o DMA (Direct Memory Access), che consente ai dispositivi di accedere direttamente alla memoria principale.

Processi e Gestione delle Risorse di Sistema

I processi sono istanze di programmi in esecuzione gestiti dal sistema operativo. Essi possono trovarsi in diversi stati: nuovo, in esecuzione, in attesa, pronto o terminato. Ogni processo è rappresentato da un Process Control Block (PCB) che contiene informazioni essenziali per la sua esecuzione. La schedulazione dei processi è il meccanismo che stabilisce l'ordine di esecuzione, mirando a un equilibrio tra efficienza e equità. I processi possono essere classificati come I/O bound, se richiedono prevalentemente operazioni di I/O, o CPU bound, se sono maggiormente impegnati in calcoli. La modalità di esecuzione di un processo può essere in modalità utente, con privilegi limitati, o kernel, con pieno accesso alle risorse del sistema.

Comunicazione e Sincronizzazione tra Processi

La comunicazione tra processi (IPC, Inter-Process Communication) è vitale per la cooperazione e lo scambio di informazioni tra processi in un ambiente multiprogrammato. L'IPC include meccanismi come code di messaggi, semafori e memoria condivisa, che permettono ai processi di sincronizzarsi e di condividere risorse in modo controllato, evitando conflitti e garantendo l'integrità dei dati. Questi strumenti sono fondamentali per mantenere l'efficienza e la stabilità del sistema operativo.