20090213 cattaneo architettura degli elaboratori p1

InformaticaInformaticaper i corsi di laurea di altre Facoltàper i corsi di laurea di altre Facoltà

Architettura degli elaboratori (Parte 1)Prof. Giuseppe Cattaneo

Mail: [email protected]:Skype:

mailto:[email protected]

PremessaPremessa

Parlare di Parlare di Architetture degli elaboratoriArchitetture degli elaboratori significa significa prevedere prevedere investimentiinvestimenti a lungo termine a lungo termine

Quindi … cercare di Quindi … cercare di prevedereprevedere il il futurofuturo

Ma non è facile prevedere il futuroMa non è facile prevedere il futuro

“With teletype interface and the

Fortran language, the computer will be easy

to use” ?!?!?!?

Soprattutto se ci sono grandi novità …Soprattutto se ci sono grandi novità …

Gli americani hanno Gli americani hanno bisogno del telefono; bisogno del telefono; noi noi nono. Abbiamo fattorini in . Abbiamo fattorini in abbondanza.abbondanza.

Sir William Preece, ingegnere capo Sir William Preece, ingegnere capo Poste Britanniche, 1876Poste Britanniche, 1876

Questo cosiddetto 'telefono' ha troppi difetti per poterlo considerare seriamente come mezzo di comunicazione. Il dispositivo è intrinsecamente privo di valore, per quel che ci riguarda.

Western Union Internal Memo, 1876

… … E qualche previsione può andare stortaE qualche previsione può andare storta

““Almost all of the many predictions Almost all of the many predictions now being made about 1996 now being made about 1996 hinge on the Internet's continuing hinge on the Internet's continuing exponential growth. But I predict exponential growth. But I predict the Internet, which only just the Internet, which only just recently got this section here in recently got this section here in Infoworld, will soon go Infoworld, will soon go spectacularly supernova and in spectacularly supernova and in 1996 catastrophically collapse.”1996 catastrophically collapse.”

"Internet... ben presto "Internet... ben presto esploderà in modo esploderà in modo spettacolare, come una spettacolare, come una supernova, e nel 1996 supernova, e nel 1996 collasserà catastroficamente.“collasserà catastroficamente.“

Fonte: Robert Metcalfe, fondatore della 3Com, inventore dello standard Ethernet per le reti informatiche locali un suo articolo per la rivista Infoworld di dicembre 1995. La frase è l'inizio dell'articolo.

Architettura degli elaboratori (Parte 1) 6

Architettura di un calcolatore Architettura di un calcolatore elettronicoelettronico

Per architettura di un calcolatore elettronico si Per architettura di un calcolatore elettronico si intende: intende: l'insieme delle principali unità funzionali di un l'insieme delle principali unità funzionali di un

calcolatore calcolatore il modo in cui queste interagiscono il modo in cui queste interagiscono


Architettura di un calcolatore Architettura di un calcolatore elettronicoelettronico

ENIAC

Personal Computer


HardwareHardware Componenti fisici del sistemaComponenti fisici del sistema

SoftwareSoftware Programmi che vengono eseguiti dal sistemaProgrammi che vengono eseguiti dal sistema

FirmwareFirmware Microprogrammi scritti sulle memorie permanenti Microprogrammi scritti sulle memorie permanenti

del calcolatore direttamente dai costruttoridel calcolatore direttamente dai costruttori

Architettura dei sistemi informaticiArchitettura dei sistemi informatici


Gerarchia delle astrazioniGerarchia delle astrazioni

Programma applicativo Programma applicativo

Linguaggio di programmazioneLinguaggio di programmazione

Linguaggio assemblativoLinguaggio assemblativo Sistema OperativoSistema Operativo Linguaggio Macchina Linguaggio Macchina

Microprogramma Microprogramma

Logica Digitale Logica Digitale


Modello di Von NeumannModello di Von Neumann

L'architettura della L'architettura della Macchina di Von NeumannMacchina di Von Neumann comprende le seguenti unità funzionali:comprende le seguenti unità funzionali: il processore o unità centrale di elaborazione (CPU - Central il processore o unità centrale di elaborazione (CPU - Central

Processing Unit)Processing Unit)

la memoria centrale (RAM)la memoria centrale (RAM)

le memorie di massa (dischi)le memorie di massa (dischi)

le unità periferiche (di I/O) le unità periferiche (di I/O)

il bus di sistemail bus di sistema

L'architettura della maggior parte dei

calcolatori elettronici è organizzata secondo il

modello di Von Neumann, scienziato ungaro-

statunitense che si dedicò (1945) allo studio e alla realizzazione del primo calcolatore (basato su

programma memorizzato)


I/OI/ONOTA: Alcuni testi riportano la memoria di massa come unità periferica, altri come componente base del modello


CPU Memoria Periferiche di I/O

bus

Funzionamento sequenziale Funzionamento sequenziale del modello di Von Neumanndel modello di Von Neumann

istruzione 1istruzione 2istruzione 3

…istruzione n

ris = f(op)OUT(op)dato 1dato 2dato 3

…dato m

opris


Elementi del modello di Von Neumann: CPUElementi del modello di Von Neumann: CPU

L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte del L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte del sistema che contiene i dispositivi elettronici necessari sistema che contiene i dispositivi elettronici necessari al funzionamento della macchinaal funzionamento della macchina

La CPU esegue i programmi che risiedono nella La CPU esegue i programmi che risiedono nella memoria centralememoria centrale prelevando prelevando decodificandodecodificando eseguendo eseguendo

le istruzioni in essa contenuti e coordinando il le istruzioni in essa contenuti e coordinando il trasferimento dei dati tra le varie unità funzionalitrasferimento dei dati tra le varie unità funzionali



La CPU è composta da:La CPU è composta da: una unità di controllo una unità di controllo CU - Control UnitCU - Control Unit che che

interpreta e attiva le risorse necessarie interpreta e attiva le risorse necessarie all’esecuzione delle istruzioni all’esecuzione delle istruzioni

una unità aritmetico-logica una unità aritmetico-logica ALU - Arithmetic and ALU - Arithmetic and Logic UnitLogic Unit che effettua i calcoli aritmetici e logici che effettua i calcoli aritmetici e logici presenti nelle istruzioni (aritmetiche e logiche) del presenti nelle istruzioni (aritmetiche e logiche) del programmaprogramma

alcuni dispositivi di memoria detti alcuni dispositivi di memoria detti registriregistri



Un registro è un dispositivo elettronico per memorizzare i Un registro è un dispositivo elettronico per memorizzare i datidati

Dal punto di vista tecnologico un registro è un Dal punto di vista tecnologico un registro è un insieme diinsieme di n elementi fisici bistabilin elementi fisici bistabili, detti , detti bitbit

Un registro formato da Un registro formato da nn bit è in grado di assumere bit è in grado di assumere 22nn configurazioni di stato diverseconfigurazioni di stato diverse

Ciascun bit ha due configurazioni stabili possibili, a cui Ciascun bit ha due configurazioni stabili possibili, a cui per convenzione vengono associati i simboli per convenzione vengono associati i simboli 00 e e 11

Registri

n=6, il numero delle configurazioni è 64


Approfondimenti: BitApprofondimenti: Bit

BitBit (Binary Digit) cifra binaria che può assumere solo i valori 0 e 1 (Binary Digit) cifra binaria che può assumere solo i valori 0 e 1 Byte (B)Byte (B) un gruppo contiguo di 8 bit (es. 11001010) un gruppo contiguo di 8 bit (es. 11001010) NIBBLENIBBLE = 4 bit = 4 bit (es. 0110)(es. 0110) WORDWORD = 16 bit / 32 bit / 64 bit (dipende dall’architettura del = 16 bit / 32 bit / 64 bit (dipende dall’architettura del

calcolatore)calcolatore)

KB (chilo) =KB (chilo) = 221010 = 1024 = 1024 MB (mega) =MB (mega) = 221010 KB = 220 = 1048576 KB = 220 = 1048576 GB (giga) =GB (giga) = 221010 MB = 230 = 1073741824 MB = 230 = 1073741824 TB (tera) = TB (tera) = 221010 GB = 240 = 1.099 1012 GB = 240 = 1.099 1012



Lo stato del registro, ossia la configurazione dei suoi Lo stato del registro, ossia la configurazione dei suoi bit, rappresenta l'informazione che vi è memorizzata e bit, rappresenta l'informazione che vi è memorizzata e tale informazione viene conservata fino a quando non tale informazione viene conservata fino a quando non la si altera la si altera

Un registro quindi ha una capacità di memorizzare Un registro quindi ha una capacità di memorizzare informazioni che è funzione del numero degli elementi informazioni che è funzione del numero degli elementi di cui si compone di cui si compone

Registri

Registro n=1 2Registro n=1 21 1 = 2 configurazioni= 2 configurazioni {0, 1}{0, 1}

Registro n=2, 2Registro n=2, 22 2 = 4 configurazioni= 4 configurazioni {00, 01, 10, 11}{00, 01, 10, 11}

Registro n=3 2Registro n=3 23 3 = 8 configurazioni= 8 configurazioni {000, 001, 010, 011,{000, 001, 010, 011,

100, 101, 110, 111}100, 101, 110, 111}



I registri fondamentali all’interno della CPU sono:I registri fondamentali all’interno della CPU sono: I registri generali I registri generali R1, R2, …, RnR1, R2, …, Rn il registro degli indirizzi di memoria il registro degli indirizzi di memoria Memory AddressMemory Address

Register (MAR)Register (MAR) il registro dei dati di memoria il registro dei dati di memoria Memory Data RegisterMemory Data Register

(MDR)(MDR) il contatore di programma il contatore di programma Program Counter (PC)Program Counter (PC) il registro della istruzione corrente il registro della istruzione corrente Instruction Register (IR)Instruction Register (IR) il registro di stato il registro di stato Program Status Register (PSR)Program Status Register (PSR)

Registri


Elementi del modello di Von Neumann: Elementi del modello di Von Neumann: Memoria CentraleMemoria Centrale

Insieme di dispositivi aventi la funzione di memorizzare Insieme di dispositivi aventi la funzione di memorizzare (mantenere nel tempo) programmi e dati(mantenere nel tempo) programmi e dati

Per eseguire in modo efficiente i programmi, la memoria Per eseguire in modo efficiente i programmi, la memoria dovrebbe essere:dovrebbe essere: molto velocemolto veloce molto capiente (dimensioni sufficienti a contenere un molto capiente (dimensioni sufficienti a contenere un

programma e tutti i suoi dati)programma e tutti i suoi dati) permanente (in grado di mantenere il suo contenuto anche permanente (in grado di mantenere il suo contenuto anche

quando non vi e’ alimentazione elettrica)quando non vi e’ alimentazione elettrica) Queste caratteristiche NON sono facilmente conciliabili in Queste caratteristiche NON sono facilmente conciliabili in

sistemi come i PC dove occorre contenere i costisistemi come i PC dove occorre contenere i costi

Memoria



In un sistema di elaborazione In un sistema di elaborazione ci sono sempre due tipi di ci sono sempre due tipi di memoria: memoria: la memoria centrale, interna al la memoria centrale, interna al

calcolatore, direttamente calcolatore, direttamente accessibile dalla CPU accessibile dalla CPU realizzata da componenti a realizzata da componenti a semiconduttoresemiconduttore

la memoria secondaria o di la memoria secondaria o di massa, esterna al calcolatore massa, esterna al calcolatore realizzata da componenti realizzata da componenti magnetici o ottici(dischi, nastri)magnetici o ottici(dischi, nastri)

Memoria Cache

Memoria Primaria

Memoria Secondaria

Memoria di Archiviazione

C.P.U.

Memoriein linea

Memoriefuori linea

R.A.M.R.O.M.

DiscoFisso

floppyCDROMnastriDVDetc…

Memoria



La La memoria centralememoria centrale è una parte del sistema è una parte del sistema di memoria illustrato precedentemente e di memoria illustrato precedentemente e rappresenta la memoria interna al calcolatore rappresenta la memoria interna al calcolatore direttamente accessibile dalla CPUdirettamente accessibile dalla CPU

La memoria centrale mantiene:La memoria centrale mantiene: i programmi i programmi i dati necessari all'esecuzione dei programmii dati necessari all'esecuzione dei programmi



E’ un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali E’ un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali dimensionidimensioni

Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1)può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1)

Ogni locazione è caratterizzata da un Ogni locazione è caratterizzata da un indirizzoindirizzo e dal e dal contenutocontenuto L’indirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa L’indirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa

nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo zero zero

Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata (parola di memoria - WORD)(parola di memoria - WORD)



La memoria centrale è caratterizzata:La memoria centrale è caratterizzata: Dalla Dalla lunghezza di una parola di memorialunghezza di una parola di memoria che che

può variare da calcolatore a calcolatore, ma può variare da calcolatore a calcolatore, ma comunque è un multiplo del byte (es. comunque è un multiplo del byte (es. 8,16,32,64 bit)8,16,32,64 bit)

Dalla Dalla capacitàcapacità ovvero dal numero totale di ovvero dal numero totale di locazioni di memoria capacità della memoria si locazioni di memoria capacità della memoria si misura in byte o in multipli del byte. misura in byte o in multipli del byte.



Alla memoria centrale si accede per effettuare operazioni di Alla memoria centrale si accede per effettuare operazioni di letturalettura o o scritturascrittura

Ciascuna locazione di memoria può essere selezionata Ciascuna locazione di memoria può essere selezionata specificando il suo indirizzo nel registro degli indirizzi (MAR, specificando il suo indirizzo nel registro degli indirizzi (MAR, Memory Address Register)Memory Address Register)

L'indirizzamento di una locazione di memoria consiste nel L'indirizzamento di una locazione di memoria consiste nel selezionare elettricamente la locazione relativa all'indirizzo selezionare elettricamente la locazione relativa all'indirizzo specificatospecificato

Se il (MAR) registro degli indirizzi ha Se il (MAR) registro degli indirizzi ha kk bit può indirizzare bit può indirizzare 22kk celle di celle di memoria i cui indirizzi variano da memoria i cui indirizzi variano da 00 a a 22kk-1-1

Con un MAR di Con un MAR di 1010 bit si possono indirizzare bit si possono indirizzare 221010 ovvero ovvero 10241024 locazioni di memorialocazioni di memoria



01234567

indirizzo 4

contenuto

MAR a 3 bit

MDR a 8 bit

Memoria con: • 23=8 locazioni di 8 bit• Capacità = 8*8 = 64 bit

0 01

0 0 1 0 10 000 0 0 1 0 1 0 0



La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti viene anche detta memoria viene anche detta memoria RAM (Random Access RAM (Random Access Memory)Memory)

La RAM è volatile ovvero in assenza di La RAM è volatile ovvero in assenza di alimentazione elettrica perde il suo contenutoalimentazione elettrica perde il suo contenuto

Quando si spegne il computer, tutto quello che è Quando si spegne il computer, tutto quello che è stato caricato nella memoria RAM viene cancellatostato caricato nella memoria RAM viene cancellato



Una porzione di memoria centrale, identificata con il Una porzione di memoria centrale, identificata con il termine termine ROM (Read Only Memory)ROM (Read Only Memory) è riservata solo per è riservata solo per operazioni di letturaoperazioni di lettura

La ROM è realizzata con diversa tecnologia e viene La ROM è realizzata con diversa tecnologia e viene usate dai costruttori per memorizzare in modo usate dai costruttori per memorizzare in modo permanente informazioni necessarie per l’avviamento permanente informazioni necessarie per l’avviamento del sistema (firmware)del sistema (firmware)


Approfondimenti: ROMApprofondimenti: ROM

Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM:memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM: Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo

tipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultraviolettitipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultravioletti Le PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabiliLe PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabili Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM

cancellabili e programmabilicancellabili e programmabili Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello

contenuto nella RAM viene chiamato contenuto nella RAM viene chiamato firmwarefirmware


Approfondimenti: FirmwareApprofondimenti: Firmware

Fa parte del firmware, ad esempio, il Fa parte del firmware, ad esempio, il BIOSBIOS, , cioè quel gruppo di istruzioni che consente: cioè quel gruppo di istruzioni che consente: ai diversi processori di attivarsi al momento ai diversi processori di attivarsi al momento

dell’accensione del computerdell’accensione del computer di effettuare un auto-test di funzionamento di effettuare un auto-test di funzionamento di caricare nella RAM il sistema operativo, presente di caricare nella RAM il sistema operativo, presente

sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sistema sistema


Elementi del modello di Von Neumann: Elementi del modello di Von Neumann: BusBus

Il Il bus di sistemabus di sistema è l’insieme di linee o circuiti, è l’insieme di linee o circuiti, impiegati per il trasferimento di dati tra le impiegati per il trasferimento di dati tra le componenti di un sistema informaticocomponenti di un sistema informatico

Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di informazione: informazione: dati dati indirizzi indirizzi segnali di controllosegnali di controllo

Definizione generale



Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il diretto controllo della CPU, collega le varie diretto controllo della CPU, collega le varie unità funzionali della macchina di Von unità funzionali della macchina di Von NeumannNeumann

La CPU, tramite i suoi organi, permette di La CPU, tramite i suoi organi, permette di collegare solo due unità funzionali alla volta:collegare solo due unità funzionali alla volta: una che trasmette dati una che trasmette dati una che riceve una che riceve

All’interno del modello di Von Neumann



Il bus degli indirizzi, connesso al MAR, ha tanti Il bus degli indirizzi, connesso al MAR, ha tanti conduttori quanti sono i bit di un indirizzo (pari quindi conduttori quanti sono i bit di un indirizzo (pari quindi alla dimensione del MAR)alla dimensione del MAR)

Questo numero in genere è il logaritmo in base due Questo numero in genere è il logaritmo in base due dello spazio di indirizzamento, ovvero del numero di dello spazio di indirizzamento, ovvero del numero di locazioni di memoria complessivamente indirizzabililocazioni di memoria complessivamente indirizzabili

Il bus dei dati, connesso al registro MDR ha un numero Il bus dei dati, connesso al registro MDR ha un numero di conduttori pari alla dimensione di una locazione di di conduttori pari alla dimensione di una locazione di memoria, lo stesso numero quindi corrisponde anche memoria, lo stesso numero quindi corrisponde anche alla lunghezza del registro MDRalla lunghezza del registro MDR

Alcune specifiche


Unità di elaborazione (CPU)Unità di elaborazione (CPU)

Parte operativa: Parte operativa: blocchi funzionali blocchi funzionali interconnessi dal bus interconnessi dal bus di sistemadi sistema

Unità di controllo: Unità di controllo: attiva i circuiti della attiva i circuiti della parte operativaparte operativa

Funzionamento Funzionamento sincrono (clock)sincrono (clock)

parte operativa

parte controllo

clock

dati/istruzioniindirizzi

controlli

comandiistruzioni/flag


Una implementazione del modello…Una implementazione del modello…

Motherboard

20090213 cattaneo architettura degli elaboratori p1

Education