Architettura di un calcolatore. 2 Indice Sistema di Elaborazione La macchina di Von Neumann...

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Architettura di un calcolatore

Indice

• Sistema di Elaborazione• La macchina di Von Neumann

– Memoria– CPU– Bus– Interfacce

• Esempio– L’algoritmo– Il programma– Fasi di esecuzione di un’istruzione

H ard w are S oftw are

C om p u te r

Il Sistema di Elaborazione

Hardware

Struttura fisica (architettura) del calcolatore formata da parti meccaniche, elettriche, elettroniche

Software

• Componente del calcolatore costituita dai:– Programmi di base per la gestione del

sistema– Programmi applicativi per l’uso del sistema

(possono usare i programmi di base)

H ard w are S oftw are

C om p u te r

Il Sistema di Elaborazione

HARDWARE:RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA

INPUT OUTPUT

MEMORIA

Istruzioni Dati

DALLA MACCHINA DI TURING ALLA MACCHINA DI VON NEUMANN

• La macchina di Turing aiuta a capire come sia possibile manipolare informazione in base a un programma, leggendo e scrivendo due soli simboli: ‘0’e ‘1’

• Da questo punto di vista, pur essendo un dispositivo ideale, la macchina di Turing è strettamente imparentata col computer

Dalla macchina di Turing alla CPU

• Un passo ulteriore, volendoci avvicinare al funzionamento di un vero computer, è costituito dalla

MACCHINA DI VON NEUMANN

La macchina di Von Neumann

Unità diElaborazione(CPU)

MemoriaCentrale (MM)

InterfacciaPeriferica P1

InterfacciaPeriferica P2

Bus di sistema

Esecuzione istruzioni

Memoria di lavoro

Memoria di massa,stampante, terminale…

Collegamento

La macchina di Von Neumann

• Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegue– Le istruzioni possono comportare operazioni di

manipolazione dei dati– Oppure operazioni di trasferimento dei dati

• I trasferimenti di dati attraverso elementi funzionali diversi avvengono attraverso il bus di sistema

• Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispetto ad un orologio di sistema

• Durante ogni intervallo di tempo l’unità di controllo (parte del processore) stabilisce la funzione da svolgere

• L’intera macchina opera in maniera sequenziale

ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: UNITA’ CENTRALE

I/O MemoriaCPUPreleva istruzione

Esegue

Memorizza risultato

MACCHINA DI VON NEUMANN: IL PROCESSORE (CPU)

COMPONENTI DELLA CPU

• La CPU non è un unico componente ma è costituita da componenti diversi che svolgono compiti diversi

Unità dicontrollo

Unità aritmeticologica

Program CounterREGISTRI

Registro di Stato

Bus Interno

Registro Istruzioni

Registri Generali 8 o 16…

Registro Indirizzi Memoria

Registro Dati Memoria

Registro di Controllo

Componenti del processore (CPU)

Unità dicontrollo

Registro di Stato

Bus Interno

Registro Istruzioni

Registri

• I registri sono delle unità di memoria estremamente veloci

• Sono usate per mantenere le informazioni di necessità immediata per il processore

• Le dimensioni dei registri variano da 16, 32, 64 bit– Sono una parte fondamentale del processore

Registri

• Per esempio: Program Counter– L’indirizzo della “prossima” istruzione da

eseguire è memorizzato nel registro Program Counter

• Per esempio: i Registri Generali– I registri che possono essere utilizzati

come memorie temporanee per svolgere le operazioni matematiche

Unità dicontrollo

Registro di Stato

Bus Interno

Registro Istruzioni

Unità di controllo

• L’unità di controllo è la parte più importante del processore– Esegue le istruzioni dei programmi– Coordina le attività del processore– Controlla il flusso delle istruzioni tra il

processore e la memoria

Unità di controllo

• Svolge la sua attività in modo ciclico– Preleva dalla memoria principale la

“prossima” istruzione da eseguire– Preleva gli operandi specificati

nell’istruzione– Decodifica ed esegue l’istruzione– Ricomincia

Unità di controllo

• L’esecuzione comporta l’invio di comandi opportuni all’unità relativa– Calcoli Unità aritmetico logica– Lettura/scrittura dati memoria– Acquisizione/stampa dispositivi di I/O

Unità dicontrollo

Registro di Stato

Bus Interno

Registro Istruzioni

Unità aritmetico logica

• L’Unità aritmetico logica si occupa di eseguire le operazioni di tipo aritmetico/logico– Somme, sottrazioni, …, confronti, …

• Preleva gli operandi delle operazioni dai Registri Generali

• Deposita il risultato delle operazioni nei Registri Generali

• Insieme all’unità di controllo collabora al completamento di un ciclo della macchina

• Abbiamo visto che il processore svolga la sua attività in modo ciclico– Ad ogni ciclo corrisponde l’esecuzione di

un’operazione elementare (un’istruzione macchina)

• Il clock fornisce una cadenza temporale per l’esecuzione delle operazioni elementari

• La frequenza del clock indica il numero di operazioni elementari che vengono eseguite nell’unità di tempo

• Consideriamo una ipotesi semplificata in cui ogni battito di clock corrisponde esattamente l’esecuzione di una sola istruzione macchina– La frequenza del clock indica il numero di

operazioni elementari che vengono eseguite nell’unità di tempo

– Per esempio: il clock che ha circa 66 milione battiti per secondo il computer può eseguire circa 66 milione operazioni per secondo

• In realtà, questa ipotesi non è sempre vero– L’esecuzione di una istruzione può richiedere più battiti di

clock– Oppure nello stesso ciclo di clock si possono eseguire (parti)

di istruzioni diverse– Dipende dal tipo di processore

• Per esempio:– Il processore Intel 80286 richiede 20 battiti del clock per

calcolare la moltiplicazione di due numeri– Il processore Intel 80486 può calcolare la moltiplicazione di

due numeri usando solo un battito del clock

• La frequenza del clock si misura in:– MHz (1 MHz corrisponde circa a un milione di

istruzioni elementari/battiti al secondo)– GHz (1 GHz corrisponde circa a un miliardo di

istruzioni elementari/battiti al secondo)

• Per esempio: se acquistate un calcolatore e vi dicono che ha un processore a 3 GHz– Vuol dire che il processore è in grado di eseguire

(circa) 3 miliardi di istruzioni al secondo

L’unità di elaborazione (CPU)

Registro istruzionecorrente (CIR)

Registro dati (DR)Registro indirizzi

Registro contatoredi programma (PC)

Registro di stato (SR)

Registrointerruzioni (INTR)

Unità di controllo(CU)

Unitàaritmeticologica(ALU)

Controllo: -Prelievo -Decodifica -Esecuzione

Sincronizzazione

Operazioniaritmetichee logiche

Parola letta/da scrivere in MM

Indirizzo cella MM

Istruzione in elaborazione

Indirizzo prox istruzione

Registri generali

Stato CPUFlag: C, Z, S, V

Registri operandi

ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: MEMORIA CENTRALE

Memoria principale (RAM)

• Perchè si chiama RAM (Random Access Memory)?– Si può accedere direttamente alle varie celle, una

volta noto il loro indirizzo– Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo

stesso, indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza

– Il termine “random” (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono differenze nell’accesso alle varie celle della memoria

• Alcune proprietà della memoria principale– Veloce: per leggere/scrivere una cella ci

vuole un tempo di accesso dell’ordine di poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = 10-9 sec.)

– Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo l’alimentazione si perde tutto

– (Relativamente) costosa

• Tutte le celle hanno la stessa dimensione: 8, 16, 32, o 64 bit

• Le operazioni che si eseguono sulla memoria sono operazioni di lettura e scrittura

• Una cella può contenere un dato o un’istruzione

012345

34513.200.9853.890

ADD R1 R2LOAD 56 R1LOAD 3568 R1

Indirizzi Contenuto

• Ogni calcolatore usa un numero di bit costante per rappresentare gli indirizzi

• Maggiore è il numero di bit usati, maggiore sarà il numero di celle indirizzabili: spazio di indirizzamento– Se si usano 16 bit per codificare gli indirizzi, si

potranno indirizzare fino a 65.536 celle (circa 64 KB di memoria, nell’ipotesi di celle di memoria di 1 byte)

– Con 32 bit si potranno indirizzare fino a 4.294.967.296 celle (circa 4 GB di memoria)

• All’aumentare delle dimensioni della memoria principale aumenta il numero di programmi che possono essere “contemporaneamente” attivi

• La RAM, fino ad un certo limite, è espandibile (slot di espansione)

bit 1 cifra binaria memorizza 0 oppure 1

byte 8 bit memorizza un carattere

parola da 16 a 64 bit numeri e indirizzi di memoria

Kilobyte (KB) 1024 byte circa mezza pagina di testo

Megabyte (MB) 1024 KB un libro di 200 pagine

Gigabyte (GB) 1024 MB alcuni volumi

Terabyte (TB) 1024 GB una biblioteca

Petabyte (PB) 1024 TB molte biblioteche

ALTRI TIPI DI MEMORIA NELL’UNITA CENTRALE

• Memoria di sola lettura (ROM)

• Memoria cache

• Buffer

Memoria di sola lettura (ROM)

• Non può essere modificata

• A differenza della RAM non è volatile

• Veloce quasi come la RAM

• Contiene le informazioni di inizializzazione usate ogni volta che si accende l’elaboratore (bootstrap)

Memoria cache

• Livello di memoria intermedio tra i registri e la RAM– Memorizza i dati usati più spesso senza

doverli recuperare tutte le volte dalla RAM (che è più lenta)

– Influisce moltissimo sulle prestazioni e sul costo della CPU (e quindi del computer)

• È molto più costosa della RAM

Memoria cache

• In genere è interna al processore (cache L1)

• Esiste anche una cache secondaria (L2) esterna al processore

• Le sue dimensione tipiche vanno dai 256KB a 1MB

Parola (word)

Spazio diindirizzamen

to210=1024

La memoria centrale (MM)

Registro indir. (AR)

k = 10 bit

Registro dati (DR)

h = 16 bit

Dati eistruzioni

RAM e ROM

Volatile

Dato daleggere/scrivere

Indirizzo cella

La memoria centrale (MM)

• Il numero di bit che costituiscono l’indirizzo di un word all’interno della memoria è caratteristico del microprocessore e identifica lo spazio di indirizzamento del microprocessore– Esempio: Pentium 32 bit– Avendo a disposizione k bit è possibile indirizzare 2k byte

• Si ricorda che:– 210 byte = 1Kilo Byte– 220 byte = 1Mega Byte– 230 byte = 1 Giga Byte– 240 byte = 1Tera Byte

La memoria centrale (MM) quindi...

• La memoria centrale si chiama usualmente ram o memoria ad accesso casuale– Viene cosi detta una memoria il cui tempo di accesso sia

indipendente dall’indirizzo della parola alla quale si vuole accedere

– Si tratta di una memoria volatile• Altri tipi di memoria presenti in un calcolatore sono le

rom– Hanno caratteristiche generali simili alle ram– Un tempo di accesso notevolmente maggiore– Si tratta di memorie permanenti– Sono tipicamente utilizzate per memorizzare quei dati e

programmi che servono al momento dell’accensione dell’elaboratore, prima del caricamento del S.O.

– Esempio: Il BIOS (Basic Input Output System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa

Memoria secondaria• La memoria principale non basta (è volatile, costosa)• In grado di memorizzare i programmi e i dati in modo

permanente• È meno costosa che la memoria principale: le

dimensioni della memoria secondaria sono di solito molto maggiori di quelle della memoria principale

• I supporti di memoria secondaria sono più lenti rispetto alla memoria principale (presenza di dispositivi meccanici)

• Non tutti i supporti di memoria secondaria permettono l’accesso diretto ai dati– Alcuni permettono solo un accesso sequenziale (per

esempio, nastri magnetici)

LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA

• I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria

Processore

Stampante Memoria secondaria

Memoria principale

• Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale

Processore

Memoria principale

• Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria principale

• Il processore è in grado di eseguire le istruzioni di cui sono composti i programmi

Processore

Memoria principale

Memoria secondaria

• La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua produzione si utilizzano tecnologie basate:– sul magnetismo (tecnologia magnetica)

• dischi magnetici (hard disk e floppy disk)• nastri magnetici

– sull’uso dei raggi laser (tecnologia ottica)• dischi ottici (CD-ROM, DVD)

MACCHINA DI VON NEUMANN: I BUS

• Permette la comunicazione tra i vari componenti dell’elaboratore

CPU RAM Interfaccia

datiindirizzi

controllo

• Il bus di sistema collega tra loro i vari elementi del calcolatore

• In ogni istante il bus è dedicato a collegare due unità, una trasmette ed una riceve– Il processore seleziona la connessione da attivare

e indica l’operazione da svolgere (bus mastering)• Il bus è suddiviso in tre insiemi di linee:

– Bus dati– Bus indirizzi– Linee di controllo: trasportano informazioni relative

alla modalità di trasferimento e alla temporizzazione

Il bus di sistema

Registro istruzionecorrente (CIR)

Registro dati (DR)Registro indirizzi

Registro contatoredi programma (PC)

Registro di stato (SR)

Registrointerruzioni (INTR)

Unità di controllo(CU)

Unitàaritmeticologica(ALU)

Bus di sistema

Bus dati, Bus indirizzi, Bus controlli Master/slave

Sequenza di lettura

Passo 1

Passo 2

Passo 3

Passo 4

Sequenza di scrittura

Passo 1

Passo 3

Passo 5

Passo 2

Passo 4

• Si occupa della gestione dello scambio di dati tra processore e periferiche

• E’ possibile avere una interfaccia diversa per ogni periferica... ...ma è più logico avere delle interfacce standard per periferiche simili

• Esempi di interfacce standard:– Interfaccia seriale RS-232-C (mouse, modem, ...)– Interfaccia PS2 (mouse, tastiera, ...)– Interfaccia USB (mouse, telecamere, stampanti, scanner, ...)– Interfaccia parallela Centronix (stampante, scanner, ...)– Interfaccia ISA (modem, schede audio, ...)– Interfaccia SCSI (hard-disk, CD-ROM, scanner, ...)– Interfaccia EIDE (hard-disk, CD_ROM, ...)

• Ogni interfaccia contiene registri per:– Inviare comandi alla periferica– Scambiare dati– Controllare il funzionamento della periferica

Le interfacce delle periferiche

Interfacccia periferica 1

Bus di sistema

Peripheral Data Register (PDR)

Peripheral Command Register (PCR)

Peripheral State Register (PSR)

Peripheral Data Register (PDR)

Peripheral Command Register (PCR)

Peripheral State Register (PSR)

Interfacccia periferica 2

Dato da leggere/scrivere

Comando da eseguire

Stato della periferica

Le interruzioni

• Al fine di gestire richieste provenienti dalle periferiche può essere necessario interrompere la normale esecuzione di un programma

• La periferica segnala sue particolari necessità attraverso una interruzione

• Ad ogni passo di esecuzione la UC verifica lo stato del registro delle interruzioni

• Se si è verificata una interruzione:– Lo stato del processore (registri) viene salvato in memoria– Viene attivata una speciale procedura di gestione delle

interruzioni (parte del S.O.)– Quando la procedura di gestione delle interruzioni termina lo

stato del processore viene ripristinato ed il programma viene ripreso

Es.: valutazione di espressione

• Vogliamo calcolare il valore dell’espressione:(a+b)·(c+d)leggendo i valori delle variabili a, b, c, d dal dispositivo di ingresso e scrivendo il risultato della valutazione sul dispositivo di uscita.

Un algoritmo generale

1. Leggi dal dispositivo di ingresso il valore delle variabili a, b, c, d

2. Somma il valore di a al valore di b

3. Salva il risultato parziale ottenuto

4. Somma il valore di c al valore di d

5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato

6. Scrivi sul dispositivo di uscita il risultato della valutazione complessiva

7. Termina l’esecuzione del programma.

L’algoritmo dettagliato (1)

1. Scrivi nella cella di memoria centrale riservata al valore della variabile a il valore letto dal dispositivo di ingresso (disponibile nel registro dati della periferica). Fai la stessa cosa per b, c, d

2. Somma il valore di a al valore di b

2.1Copia il contenuto della cella di memoria riservata ad a nel registro A

2.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a b nel registro B

2.3Somma il contenuto dei registri A e B

3. Salva il risultato parziale, contenuto nel registro A, in una cella di memoria predisposta per il risultato (z).

4. Somma il valore di c al valore di d4.1 Copia il contenuto della cella di memoria

riservata a c nel registro A 4.2 Copia il contenuto della cella di memoria

riservata a b nel registro B4.3 Somma il contenuto dei registri A e B

5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato5.1 Copia il contenuto della cella riservata a z nel registro B (z e B contengono ora a+b, mentre A contiene c+d)5.2 Moltiplica il contenuto dei registri A e B.

6. Scrivi sul dispositivo di uscita il risultato della valutazione complessiva6.1 Memorizza il risultato appena calcolato

(e disponibile nel registro A) nella celladi memoria riservata a z

6.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a z nel registro dati della periferica di uscita

7. Termina l’esecuzione del programma.

Tipologia delle operazioni svolte

• Operazioni di manipolazione– Somma: 2.3, 4.3– Moltiplicazione: 5.2

• Operazioni di trasferimento– Da periferica-input a MM: 1– Da MM a CPU: 2.1, 2.2, 4.1, 4.2, 5.1– Da CPU a MM: 3, 6.1– Da MM a periferica-output: 6.2

Le istruzioni macchina

• Un programma scritto in linguaggio macchina è formato da una sequenza di istruzioni appartenenti al set di istruzioni del particolare processore

• Ogni istruzione è formata da:– Un codice operativo– Zero o più operandi

• Tanto il codice operativo quanto gli operandi sono rappresentati nella memoria del calcolatore sotto forma di numeri binari

• Data la difficoltà per l’uomo di interpretare numeri binari si usa l’assembler al posto del linguaggio macchina codice operativo operando(i)

Le istruzioni macchina

• Il set di istruzioni di un qualsiasi linguaggio macchina può essere diviso in quattro classi principali di istruzioni:– Istruzioni per il trasferimento dati tra

memoria e registri del processore e viceversa

– Operazioni aritmetiche e logiche sui dati– Istruzioni per il controllo del flusso di

programma– Istruzioni per la gestione dell’I/ O

Forma binaria del programma

0100000000010000 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 16 (a)0100000000010001 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 17 (b)0100000000010010 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 18 (c)0100000000010011 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 19 (d) 0000000000010000 Carica il contenuto della cella 16 (a) nel registro A0001000000010001 Carica il contenuto della cella 17 (b) nel registro B 0110000000000000 Somma i registri A e B0010000000010100 Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris.parziale) 0000000000010010 Carica il contenito della cella 18 (c) nel registro A0001000000010011 Carica il contenito della cella 19 (d) nel registro B0110000000000000 Somma i registri A e B0001000000010011 Carica il contenuto della cella 20 (z) (ris. parziale) in B1000000000000000 Moltiplica i registri A e B0010000000010100 Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris. totale)0101000000010100 Scrivi il contenuto della cella 20 (z) (ris. totale) in output1101000000000000 Halt

Programma in memoria centrale010000000001000001000000000100010100000000010010010000000001001100000000000100000001000000010001011000000000000000100000000101000000000000010010000100000001001101100000000000000001000000010011100000000000000000100000000101000101000000010100 1101000000000000

Cella 0123456789

101112131415

Spazio riservato per a 16 Spazio riservato per b 17 Spazio riservato per c 18 Spazio riservato per d 19 Spazio riservato per z 20

Fase di fetch 1a istruzione

0000000000

0100000000010000

Memoria centrale (MM)

0000000000

0100000000010000

0000000001

Passo 1

Passo 2

Passo 3

Passo 4

Fase di interpretazione 1a istruzione

0100000000010000

Codice operativo 0100 = leggi da input

Fase di esecuzione 1a istruzione

Memoria centrale (MM)

0001000000011111

0100000000010000

CIR 16

Valore di a letto dall’input (es. 4127)

Indirizzo operando00000010000 = cella 16

0000010000

0001000000011111

Passo 1

Passo 2

Passo 3

Il linguaggio assembler

• Un esempio (didattico) di assembler potrebbe contenere le seguenti istruzioni:– Le istruzioni loada e loadb servono per spostare il contenuto di

una cella di memoria nei registri A e B rispettivamente• Esempio: loada ind1

– Le istruzioni storea e storeb servono per spostare il contenuto dei registri A e B rispettivamente in una cella di memoria il cui indirizzo è indicato come parametro

• Esempio: storea ind1– Le istruzioni per lo svolgimento delle operazioni aritmetiche di base

• Operazioni su interi: add, dif, mul, div• Operazioni su reali: addr, difr, mulr, divr• Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro

A• Nel caso di divisione tra interi il registro B viene usato per contenere il

resto dell’operazione

Il linguaggio assembler

– Le istruzioni per lo svolgimento delle operazioni logiche di base• and, or, not• Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro A• Nel caso di operazione not viene usato il solo registro A

– Le istruzioni per leggere/scrivere su periferiche • L’istruzione read legge un dato dalla periferica di input e pone il dato letto nella

cella di memoria il cui indirizzo viene passato come parametro• Esempio: read ind1• L’istruzione write scrive il dato presente nella cella di memoria il cui indirizzo

viene passato come parametro sulla periferica di output• Esempio: write ind1

– Le istruzioni per il controllo di flusso• L’istruzione di salto incondizionato jump salta all’indirizzo specificato come

parametro • L’istruzione di salto condizionato jumpz salta all’indirizzo specificato come

parametro se l’ultima operazione matematica ha dato risultato nullo• Il processore controlla il valore del registro di stato del processore• Il salto viene effettuato solo se il bit di zero vale 1

– Altre istruzioni• L’istruzione halt termina l’esecuzione del programma

Linguaggio Macchina, Assembler e C

READ AREAD BREAD CREAD DLOADA ALOADB BADDSTOREA RISLOADA CLOADB DADDLOADB RISMULSTOREA RISWRITE RISHALTINT AINT BINT CINT DINT RIS

int a, b, c, d, ris;scanf("%d%d%d%d", &a, &b, &c, &d);ris = (a+b)*(c+d);printf("ecco il risultato %d", ris);

01000000000100000100000000010001010000000001001001000000000100110000000000010000000100000001000101100000000000000010000000010100 00000000000100100001000000010011 01100000000000000001000000010011 10000000000000000010000000010100 0101000000010100 1101000000000000

Linguaggio Macchina

Linguaggio Assembler

Linguaggio C

Esercizi

• 1) Si usi il linguaggio assembler presentato per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video B volte il primo numero A

• 2) Si usi il linguaggio precedente per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video il prodotto di A per B– Non si faccia uso dell’istruzione mul ma

delle sole istruzioni add e dif

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