Informatica Generale1 PARTE II Architettura di un sistema informatico Hardware.

Informatica Generale 1

PARTE IIPARTE II

Architettura di un sistema informatico

Hardware


La gerarchia di computerLa gerarchia di computer

Mainframe (es. IBM 3090)– Grandi sistemi informativi ( 100 terminali)

Supercomputer (es. CRAY T3E)– Calcolo scientifico intensivo

Minicomputer (es. IBM AS/400)– Sistemi informativi aziendali medio/piccoli ( 10

terminali) Workstation (es. Sparcstation SUN)

– Applicazioni ingegneristiche, grafica Personal computer


Funzioni e architetturaFunzioni e architetturaFunzioni generali di un elaboratore

– elaborazione dati– memorizzazione dati– trasferimento dei dati– controllo

Architettura– Componenti e interconnessioni– Funzioni di ciascun componente


PC: architettura di riferimentoPC: architettura di riferimentoMacchina di Von Neumann

Bus

CPUMemoriacentrale I/O int. I/O int.I/O int. . . .

Elaborazionee controllo

Memorizzazione


Un Personal Computer (PC)Un Personal Computer (PC)


PC: componenti interni e PC: componenti interni e perifericheperiferiche

Scheda madre– CPU– RAM– Bus– Cache– ROM

Drive (Hard e floppy disk, CD-ROM)

Schede di espansione– Scheda grafica– Scheda audio– Modem interno

Tastiera Mouse Monitor Stampanti Scanner Altoparlanti Unità disco esterne Modem esterno


Funzione di memorizzazioneFunzione di memorizzazione

Memoria della CPUCacheRAMMemorie di massa (es. dischi)CPU

Cache

RAM

Memorie di massa

Costo/bitVelocità


Memoria centrale (RAM)Memoria centrale (RAM)

Sequenza di elementi binari (bistabili) raggruppati in unità minime indirizzabili (celle)– Elemento binario bit– Cella word (parola)

1W corrisponde a 8, 16, 32 oppure 64 bit Dim. tipiche su PC attuali 32÷256 Mbyte (NB: in

linguaggio informatico, 1K=1024, 1M=1024K, 1G=1024M)


RAM (organizzazione logica)RAM (organizzazione logica)048

12

.

.

.64M-4

32 bit

Indirizzi(k bit)

2k dimensione della memoria


RAMRAM(funzionamento)(funzionamento)D

e c o d i f i c a t o r e

000

1

0

.

.

.

.

.

.

BusIndirizzi

0 0 1 1 0 1 0 1

Bus dati

Bus di controlloR/W

0 0 1 1 0 1 0 1


Caratteristiche e prestazioniCaratteristiche e prestazioni

Volatilità Staticità e dinamicità

– SRAM vs DRAM– Attualmente RAM = DRAM

Tempo di accesso (770 ns) Temporizzazione del “sottosistema di memoria”

(15 cicli per accesso) Velocità di trasferimento (picco: 264 528

MB/sec)


Memoria cacheMemoria cacheIl cosiddetto CPU/RAM “bottleneck”

Principi di località

– spaziale

– temporale

Memorie cache di primo e secondo livello

– dimensioni (64KB1MB)

– prestazioni (tempo di accesso 4 ns)


Gerarchia a due livelliGerarchia a due livelli

CPU

L2

RAM

Sistema di memoria


CPU (esecutore del linguaggio CPU (esecutore del linguaggio macchina)macchina)

Programmi e dati risiedono nella RAM La CPU esegue continuamente il seguente ciclo:

– Legge un’istruzione dalla memoria– Decodifica l’istruzione– Legge dalla memoria i dati utilizzati dall’istruzione– Esegue l’istruzione– Scrive in memoria i risultati calcolati


Componenti della CPUComponenti della CPU

Unità aritmetico logica (detta ALU) operazioni aritmetiche e logiche

Unità di controllo ordine di esecuzione, istruzioni di “salto”

Registri generali (memoria della CPU) dati delle istruzioni aritmetico/logiche

Registri speciali (Program Counter, Instruction Register, Process Status Word, Memory Address Register, Memory Data Register)


Struttura della CPUStruttura della CPU

ALU

Unità di controllo

IR

PC PSW

MDR

MAR


Linguaggio macchinaLinguaggio macchina

Istruzioni molto semplici, formate da un codice operativo e (al più) 2 operandi– Codice operativo azione da eseguire– Operandi dati su cui agire

Codice assembly

Codice macchina (vero e proprio)

{<etichetta>} <codice simbolico> <op1> {<op2>}

Esempi: SUB R1,R2 LOAD R,M STORE R,M


Linguaggio macchina (2)Linguaggio macchina (2)

Codice operativo Operando1 Operando2

8 bit 8 bit 16bit

- 256 possibili codici operativi

- Operando1 denota uno fra 256 possibili registri interni

alla CPU (R0 R255)

- Operando2 denota un indirizzo fra 0 e 216-1

Esempio:

00000101 00000001 0100111000100000

LOAD R1 20000


Ciclo fondamentale della CPU Ciclo fondamentale della CPU (rivisto)(rivisto)

1) FETCH (lettura dell’istruzione all’indirizzocontenuto nel Program Counter)

PC MAR RAM RAM MDR IR

2) Incremento del PC (PC := PC+4)

3) DECODE (decodifica dell’istruzione nell’Instruction

Register)

4) EXECUTE (esecuzione dell’istruzione)3a) Recupero operandi

3b) Esecuzione vera e propria 3c) Memorizzazione dei risultati

5) Torna al passo 1)


Traduzione (o compilazione)Traduzione (o compilazione)var x: array [1..7] of integer;var i,n,z: integer;

if x[1]<x[2] then z := x[1] else z := x[2];for i := 3 to n do if x[i] < z then z := x[i];

00000000000000000000000000000011000000000000000000000000000000100000000000000000000000000000010111111111111111111111111111111101000000000000000000000000000011000000000000000000000000000000001100000000000000000000000000000111000000000000000000000000000001100000000000000000000000000000011111111111111111111111111111111101 000001010000000101001110001000000000010100000010010011100010010000100111000000010000000000000010


Un primo passaggioUn primo passaggioLeggi x[1]Leggi x[2]Calcola x[1]-x[2]Se positivo scrivi x[2] in zSe negativo scrivi x[1] in zLeggi nScrivi 3 in iCalcola p=i-nSe p>0 vai 7 istruzioni avantiLeggi x[i],Leggi zCalcola p=x[i]-zSe p<0 scrivi x[i] in zIncrementa i di un’unitàTorna 7 istruzioni indietro……………………………..

if x[1]<x[2] then z:=x[1] else z:=x[2];for i := 3 to n do if x[i]<z then z:=x[i];

- “Leggere” significa copiare un datodalla RAM in un registro della CPU- Il segno del risultato viene memoriz-zato in un bit del registro PSW-“vai 7 istruzioni avanti” e “torna 7istruzioni indietro” sono comandi chemodificano l’ordine di esecuzione

Commenti


Un altro passo verso il codice Un altro passo verso il codice macchinamacchina

Copia in R1 il contenuto della cella di indirizzo x

Copia in R2 il contenuto della cella di indirizzo x+4

Sottrai (il contenuto di) R2 da R1 ( s := segno(R1-R2) )

Se s=1 salta 3 istruzioni avanti ( PC := PC+8)

Copia R2 nella cella (di indirizzo) x+36

Salta due istruzioni avanti ( PC := PC+4)

Copia in R1 il contenuto della cella di indirizzo x

Copia R1 nella cella x+36

Copia in R3 il contenuto della cella x+32

………………..


Codice assemblyCodice assembly

load R1,x load R2,x+4 sub R1,R2 jmpneg avanti store R2,x+36 jmp piùavantiavanti: load R1,x store R1,x+36piùavanti: load R3,x+32………………………….

Formato tipico di una istruzione:{<etichetta>:} <codice simbolico><op1>{<op2>}


Programma in linguaggio Programma in linguaggio macchinamacchina00000000 00000000 0000000000000011

00000000 00000000 000000000000001000000000 00000000 0000000000000101 …………………………………….…….00000101 00000001 010011100010000000000101 00000010 010011100010010000100111 00000001 000000000000001010100011 00000000 010100100010000000000110 00000010 010011100100010010100010 00000000 010100100010100000000101 00000001 010011100010000000000110 00000001 010011100100010000000101 00000011 0100111001000000…………………………………….…….

Indirizzo20000(Inizio dati)

Indirizzo21024

Indirizzo21032

Indirizzo21000(Inizio programma)


Parametri di valutazione delle Parametri di valutazione delle CPUCPU

Set di istruzioni (RISC vs CISC) Frequenza dell’orologio interno di

sincronizzazione (clock) (233500 MHz) Banda di elaborazione ( numero di istruzioni

eseguite al secondo) Spazio di memoria indirizzabile Presenza di coprocessore matematico, memoria

cache di primo livello, ecc.


Dispositivi di memorizzazione Dispositivi di memorizzazione di massadi massa

Dischi magnetici (hard disk) Memorizzazione “permanente”

di programmi e datiDischi magnetici (floppy disk)

Trasferimento dati fra computerNastri magnetici

Backup dei datiDischi ottici (CD ROM)

Distribuzione di programmi, giochi, archivi storici, ecc.


Dischi rigidi (hard disk)Dischi rigidi (hard disk)

Supporti circolari magnetizzati in continua rotazione (5400 10000 giri/min)

Formato a tracce e settori (valori tipici: 400 tracce, 32 settori)

Testina di lettura a movimento radiale Tempo di accesso (5 10 msec) vicino al limite

fisico Capacità elevate (> 4 GB) Costo contenuto (40 150 lire/MB)


Dischetti rimovibili (floppy Dischetti rimovibili (floppy disk)disk)

Supporti circolari (diametro 3.5 o 5.25 pollici) magnetizzati, in rotazione solo al momento dell’accesso

Velocità di rotazione bassa (300 360 giri/min Tempo di accesso elevato (decimi di sec.) Capacità limitata (1.44 MB) Costo unità contenuto (poche decine di migliaia di

lire)


Nastri magneticiNastri magnetici

Organizzazione sequenziale con blocchi (detti record fisici) multitraccia Accesso sequenziale

Densità di registrazione 800 6250 Byte per pollice (bpi)

Tempo di accesso molto elevato (può essere dell’ordine dei minuti) Uso per copie di sicurezza (backup)

Costo elevato ( 2 Mlire per unità DAT)


Lettori ottici (CD ROM)Lettori ottici (CD ROM)

Supporti circolari non riscrivibili Formato a spiraleLettura mediante raggio laserTempo di accesso (70 100 msec)Capacità elevate in rapporto ai floppy disk

( 650 MB)Costo unità contenuto (100 500 Mlire)


Principali unità periferichePrincipali unità periferiche

Dispositivi di ingresso (input)– Tastiera– Mouse e altri disp. di puntamento– Scanner

Dispositivi di uscita (output)– Video– Stampante

Modem


TastieraTastiera

Tasti alfanumerici (lettere e cifre, punteggiatura, parentesi)

Tasti speciali: return o enter (invio), ctrl (control), esc (escape), ...

Tasti direzionali: , , , , ...Tasti funzionali: F1,F2,...


MouseMouse

Il movimento del mouse si ripercuote nel movimento di un cursore sul video

La pressione di un tasto comporta l’esecuzione di una qualche azione

Mouse + interfacce grafiche sostituiscono in molti casi la tastiera


ScannerScanner

Dispositivo per l’acquisizione di immagini (sotto forma di mappe di bit, bitmap)


Video (display)Video (display)Alfanumerici: es. 25 righe 80 caratteriGrafici: risoluzione misurata in numero di

pixel (picture element) nelle due dimensioni: es. 1024 768, 4096 4096

Pixel: bianco e nero (1 bit) o colore (es. 8 bit)

Memoria RAM associataTecnologia (raggi catodici o cristalli liquidi)

Griglia di 4 4 pixel


StampanteStampanteStampanti ad aghi– 9 24 aghi– Tecnica ad impatto copie multiple– Fogli singoli o modulo continuo

Stampanti a getto di inchiostro– Ottima qualità anche in grafica– Colore a basso prezzo

Stampanti laser– Ottima qualità, costo elevato del colore


Stampanti (prestazioni)Stampanti (prestazioni)Risoluzione Velocità Uso tipico Colore

Aghi 100200 dpi 200400car/sec

Modulocontinuo,copie cc

Bassaqualità

Ink jet 300720 dpi 16pag/min

PersonalComputing

Buonaqualità

Laserjet

Da 600 dpi 420pag/min

ProfessionalComputing

Costoelevato


ModemModemModulatore/demodulatoreEffettua conversioni digitale/analogico e

viceversa per trasmissioni su linea telefonicaVelocità tipica attuale 56Kbit/sec


Interfaccia di I/OInterfaccia di I/O

Scheda di interfaccia (fra bus e periferica)Modalità di trasferimento

– seriale: mouse, tastiera (standard RS-232C)– parallelo: stampante (standard centronics)

Gestione dell’I/O– a controllo di programma– mediante interruzione– con accesso diretto alla memoria (Direct

Memory Address, o DMA)


Esempio di gestione della Esempio di gestione della stampa di una rigastampa di una rigaA controllo di programma

Il processore invia un carattere alla scheda di interfaccia, attende che questa segnali l’avvenuta stampa, quindi invia il carattere successivo.

Mediante interruzione Il processore invia un carattere alla scheda, quindi si “occupa d’altro”. Quando la stampa termina, l’interfaccia manda un segnale di interruzione al processore per segnalare la nuova disponibilità dell’unità periferica.

Con accesso diretto alla memoria Il processore invia ad una opportuna unità DMA l’indirizzo di memoria e la lunghezza del blocco dati da stampare. L’unità DMA gestisce quindi l’I/O.


Bus di sistemaBus di sistema

Ogni informazione fra dispositivi differenti passa attraverso il bus È la risorsa critica per eccellenza

Ha una sua temporizzazione fissa (attualmente 66 o 100 MHz)

Date post:	01-May-2015
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