I concetti chiave

COMPUTER DI VON NEUMANN. La struttura dei moderni computer è stata ideata alla metà degli anni Quaranta dal matematico John von Neumann.

ARCHITETTURA DEL COMPUTER. L’architettura del computer di von Neumann prevede due componenti fondamentali tra loro interconnesse:

• unità centrale di elaborazione (CPU);

• memoria (RAM).

UNITÀ CENTRALE. La CPU, a sua volta, è composta dall’unità di controllo (CU) che sovrintende al funzionamento della macchina – in particolare al controllo della sequenza delle istruzioni da eseguire – e dall’unità aritmetico-logica (ALU) all’interno della quale si svolgono le operazioni specificate dalle istruzioni.

MEMORIA RAM. La memoria RAM è organizzata come una sequenza di locazioni, numerate con indirizzi consecutivi a partire da 0, ciascuna delle quali può contenere un numero intero che codifica un dato o un’istruzione. L’unità di controllo può richiedere alla memoria operazioni di lettura (trasferimento di dati o istruzioni dalla RAM alla CPU) o di scrittura (trasferimento di dati dalla CPU alla RAM). L’operazione richiesta coinvolge la locazione di memoria indirizzata dal numero inviato alla RAM mediante il bus indirizzi, mentre i dati (o le istruzioni) transitano da un’unità all’altra attraverso il bus dati/istruzioni.

MEMORIA UNICA. L’idea fondamentale che sta alla base della macchina ideata da von Neumann è la coesistenza in un’unica unità di memoria dei dati e delle istruzioni che specificano i calcoli da effettuare sui dati memorizzati: entrambe queste informazioni sono memorizzate nella memoria della macchina in formato numerico.

UNITÀ ARITMETICO-LOGICA. L’unità ALU comprende normalmente un registro accumulatore per contenere i valori numerici ai quali applicare le operazioni aritmetiche e il risultato delle stesse.

UNITÀ DI CONTROLLO. Completano l’architettura di una macchina di von Neumann due registri contenuti nell’unità di controllo:

• registro istruzioni (IR), dove un’istruzione prelevata dalla memoria viene interpretata per essere eseguita;

• registro contatore di programma (PC), il cui valore individua l’indirizzo della locazione di memoria contenente la prossima istruzione da eseguire.

CICLO FETCH-EXECUTE. Il funzionamento di un computer è quindi descritto dalla seguente sequenza di fasi di lavoro che viene ripetuta in continuazione:

• lettura dalla memoria dell’istruzione contenuta nella locazione indirizzata dal valore del registro PC e incremento di una unità del valore del registro PC (fetch);

• esecuzione dell’operazione specificata dall’istruzione (execute).

PROGRAMMA. Memorizzando ordinatamente le istruzioni che si intendono eseguire in locazioni successive della memoria RAM e stabilendo il valore iniziale del registro PC uguale all’indirizzo della prima di esse, si ottiene da parte del computer l’esecuzione automatica della sequenza di operazioni (il programma) specificata dalle istruzioni.

ISTRUZIONI. Oltre alle istruzioni che specificano le operazioni aritmetiche da eseguirsi da parte della ALU, una macchina di von Neumann dispone di istruzioni per la lettura/scrittura dei dati dalla/nella memoria, di istruzioni per l’inserimento diretto di valori numerici nell’accumulatore e di istruzioni di salto (condizionate o meno dal risultato dell’ultima operazione eseguita dalla ALU), che consentono di interrompere la sequenzialità dell’esecuzione del programma da parte dell’unità di controllo al fine di realizzare percorsi alternativi e/o cicli di esecuzione delle istruzioni stesse.

COMPUTER MODERNI. I computer attuali hanno una struttura più complessa della macchina di von Neumann, in particolare per quanto riguarda la gestione dell’input/output, ma il principio di funzionamento è esattamente lo stesso.

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