Modulo HWPC1 Architettura del Computer. Modulo HWPC2 Indice Il modello di Von Neumann Descrizione...

Modulo HWPC 1

Architettura del Computer

Modulo HWPC 2

Indice

Il modello di Von Neumann Descrizione dell'Architettura da Studiare Circuiti di Temporizzazioni (Clock) Memorie RAM, ROM, Cache Unità centrale di processo (CPU) Direct Memory Access (DMA) Circuiti di Interrupt Chipset BIOS Bus di comunicazione Controllore di periferiche (Controller) Periferiche e Memorie di Massa

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Il modello di Von Neumann

CPU

INTERFACCIA

I/O

PERIFERICHE

MEMORIA

CENTRALE

Modulo HWPC 4

Architettura di un PC

RAM ROM

CPU

Bus di controllo

Bus di I/O

Bus di dati

Bus di indirizzi

Clock

Interrupt

BIOS

DMA

Controllerdischi,

CD-ROM,etc.

ConnettoriPeriferiche

I/O

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Circuiti di Temporizzazione (Clock)

tempoT

Il megahertz (MHz) è l'unità di misura della frequenza alla quale il processore funziona;

indica quanti milioni di oscillazioni al secondo (1 oscillazione al secondo = 1 hertz [Hz]) sono generate dal clock.

f=1/T Hz.

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In generale il clock é prodotto da un apposito circuito integrato, la cui oscillazione é controllata da un cristallo di quarzo.

Il cristallo di quarzo garantisce una elevata stabilita nel tempo e con il variare della temperatura ed una grande precisione nel valore della frequenza prodotta, quanto meno possibile influenzato dalla temperatura e dall' invecchiamento.

In generale il quarzo di partenza é il 14.318 MHz Scelta legata alla diffusione e economicità

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Partendo dal quarzo a 14.318MHz, vengono generate frequenze più elevate (50, 60, 66, 100MHz).

Ogni area del PC che contiene un processore o un microcontrollore, necessita di un clock, che puó essere generato in loco o dipendere dal clock principale.

Giá a partire dalle architetture basate sulla CPU 80486, é diventato comune avere per il processore un clock piú elevato di quello generale del sistema.

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Memorie InterneRAM, ROM e Cache

Misura della Memoria Classificazione della Memoria:

Interna ed Esterna Memoria Interna: Caratteristiche Generali RAM Statica RAM Dinamica ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory Memoria Cache

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Misura della MemoriaInformazione di base = bitRaggruppamenti utilizzati:

1 byte = 8 bit1 word = N byte

Multipli (bit/byte)K (Kilo) = 210 (=1024) circa 103

M (Mega) = 220 (=1024*1024=1.048.576) circa 106

G (Giga) = 230 circa 109

T (Tera) = 240 circa 1012 P (Peta) = 250 circa 1015

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Alcuni Valori da Ricordare

24 = 16

28 = 256

216 = 65536 = 64 K (65536/1024)

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Memoria Interna o Centralememorizza programmi e dati su cui lavora la CPU a cui è collegata

tramite il bus principale:si accede al singolo bit/byte/word

tempi di accesso bassi (<70 ns);

dimensioni tipiche sono 256Mbytes/512Mbytes

realizzata con circuiti elettronici

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Memoria Esterna o di Massa

memorizza dati e programmi sotto forma di file. Per l’elaborazione, si devono trasferire programmi e dati in memoria centrale: Si accede a blocchi (cluster/settori)

Non è possible leggere/scrivere singoli bit/byte tempi di accesso elevati (msec) capacità elevate (decine/centinaia di Gbytes) Può essere:

Memoria di Massa on-line, normalmente realizzata con dischi magnetici fissi

Memoria di Massa off-line, normalmente realizzata con supporti (magnetici/ottici/elettronici) rimovibili

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Memoria Interna: Caratteristiche Generali

1 bit

bus dei dati

bus degli indirizzin fili

bus di controlloread/write (strobe)

01

m-1

2

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Indirizzi e valori: Con n bit di indirizzo si

possono selezionare 2n caselle (m=2n).

Strobe: sono segnali generalmente impulsivi che

vengono inviati dopo il posizionamento dell’indirizzo per

discriminare tra operazione di letture e scrittura


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Tempi di servizio: accesso, ciclo. Accesso. E' il tempo necessario affinché la memoria ponga in

uscita il valore richiesto (o possa registrare il valore in ingresso),

dopo aver posizionato l'indirizzo e lo strobe. Ciclo. E' il tempo minimo che deve intercorrere tra due

posizionamenti validi dell’indirizzo e dello strobe.

Modificabilità: Memoria a Sola Lettura/Riscrivibile. Qualsiasi memoria deve essere scritta almeno una volta. Le memorie che non possono essere riscritte si dicono a sola

lettura; altrimenti sono riscrivibili.


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Persistenza: permanenti/volatili. Sono permanenti le

memorie che mantengono i dati senza bisogno di

alimentazione elettrica; altrimenti si dicono volatili. Accessibilità: casuale /sequenziale. Se non esiste alcun

vincolo sulla sequenza degli indirizzamenti effettuati, si

parla di memoria ad accesso casuale; quando invece il

successivo indirizzo è l’attuale incrementato di uno si

parla di memorie ad accesso sequenziale.


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bus dei dati

bus degli indirizzin fili

bus di controlloread/write

1 bit


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Possiamo identificare diversi livelli funzionali di memoria:Random Access Memory (RAM)Read Only Memory (ROM)Memoria Cache


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RAM - Random Access Memory

Il termine RAM deriva da Random Access Memory.

Attualmente assumono valori tipici di centinaia/migliaia di MBytes.

La caratteristica principale delle RAM è il fatto che l'informazione in esse contenute rimane solo quando esse vengono alimentate. La mancanza di tensione provoca la perdita di tutte le

informazioni contenute. In presenza di tensione, ciascuna informazione

memorizzata rimane fino alla successiva scrittura.

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RAM - Random Access Memory

La RAM vengono utilizzate per i seguenti scopi: memorizzare il Sistema Operativo (ad esempio

Windows). memorizzare i programmi utenti prima della loro

esecuzione. memorizzare i dati utenti provenienti dalle

periferiche o quelli intermedi. La RAM può essere realizzata in differenti modi, ma

quella più comune è: RAM dinamiche

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RAM DINAMICHE (DRAM)

La DRAM usa delle capacità (condensatore) interne per memorizzare i dati.

Le capacità perdono la loro carica dopo un certo intervallo di tempo. Queste capacità necessitano di un costante rinfresco per mantenere inalterata l'informazione memorizzata.

Il risultato finale è che tra due accessi consecutivi alla memoria, una carica elettrica viene mandata a rinfrescare la capacità del chip di memoria affinché il dato venga mantenuto nello stato logico corretto.

Durante il rinfresco della memoria non è possibile accedere ad essa, rallentando, dunque, le sue prestazioni in termini di accessi in lettura/scrittura.

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Utilizzano un condensatore per memorizzare 1 Bit

Necessitano di un circuito di Refresh Consumano poco Sono abbastanza veloci (da 10 a 70 ns) Sono utilizzate per le RAM

Tipi di DRAM obsolete: FP DRAM (fast page) EDRAM (DRAM Evoluta) EDO RAM (extended data output RAM).


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SDRAM. Quando sono apparsi i Bus con clock a 100 MHZ, si sono affermate le memorie dinamiche di tipo sincrono SDRAM. La Intel ha definito le specifiche PC100 (PC 133).

RAM BUS (o RDRAM) hanno un canale da 16 bit a 800 Mhz

Le DDR (double data rate) sono un tipo di SDRAM che lavorano sui due fronti del clock. Sono chiamate: DDR 300 (riferendosi al doppio del clock

effettivo, 150 MHz) PC 2400 (riferendosi alla banda 8 byte * 2 *

150 MHz) o PC 2100 (8*2*133 Mhz)


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Attualmente esistono le DDR-II Sono caratterizzate da più elevate velocità di clock rispetto a DDR

(circa il doppio), che a sua volta raddoppiò la velocità della SDRAM. La maggiore velocità è legata alla presenza di buffer di I/O con clock

doppio rispetto quello di funzionamento Esempi di Chip

DDR2-400: chip di memoria con frequenza di 100 MHz, buffer di I/O con frequenza di 200 MHz.

DDR2-533: frequenza di 133 MHz, buffer di I/O a 266 MHz. DDR2-667: frequenza di 166 MHz, buffer di I/O a 333 MHz. DDR2-800: frequenza di 200 MHz, buffer di I/O a 400 MHz. DDR2-1066: frequenza di 266 MHz, buffer di I/O a 533 MHz.

RAM DINAMICHE (DDRII)

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Sono montate su moduli (schedine): SIMM (30 pin) single in line module; hanno una

doppia fila di contatti ma connessi a coppie, quindi è come se avessero la metà dei contatti attivi; ogni modulo ha parallelismo 1 byte (un 486 usa 4 banchi)

SIMM (72 PIN); i pin sono sempre organizzati a coppie; ogni modulo supporta 4 byte (il 486 usa un solo banco); montano le EDO RAM

DIMM (168 PIN) Dual Inline Memory Module; tutti i pin sono indipendenti; gestisce 8 byte (un P6 usa un banco); Montano le SDRAM

DIMM (184 PIN); montano le DDR; sono uguali come geometria alle DIMM 168 PIN, ma si differenziano per il fatto di avere una sola tacca

DIMM con dissipatore per RDRAM


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DIMM per DDR2. I moduli di memoria DDR2 hanno 240 Pin, e sono quindi incompatibili con quelli DDR che hanno 184 pin. PC2-3200: modulo di memoria con frequenza di clock di 200 MHz, transfer

rate di 400 MT/s, chip DDR2-400, e 3,200 GB/s per canale. PC2-4200: modulo di memoria con frequenza di clock di 266 MHz, transfer




rate di 1066 MT/s, chip DDR2-1066, e 8,533 GB/s per canale.

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Parametri Prestazionali

Esistono alcuni parametri di funzionamento, tipicamente raccolti sotto il nome di timings

Alcune volte è possibile intervenire manualmente a variare i timings, così da ottenere prestazioni superiori

Tra i vari timings:CAS (Column Address Strobe) Latency (CL): indica il

numero di periodi di clock richiesti dalla memoria per processare una richiesta.

A valori inferiori della latenza corrispondono prestazioni superiori.

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Soluzioni Innovative per Incrementare le Prestazioni

Velocità dei processori sempre più elevata, crea dei colli di bottiglia sull’accesso in memoria

Da un pò di anni è stata sviluppata la tecnologia dual-channel La quantità di dati traferibile dalla CPU alla RAM viene duplicata,

utilizzando due bus di dati a 64 bits Sia Intel sia AMD la usano, con differenti implementazioni Gli slot di memoria sulla scheda madre si riconoscono perchè

colorati

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ROM - Read Only Memory

Il termine ROM significa Read Only Memory. Indicava originariamente il fatto che l'unico tipo di accesso in

queste memorie è la lettura (ovviamente la prima scrittura deve essere possibile).

Ormai le ROM possono essere anche riscritte. Nelle ROM l'informazione in esse contenute rimane

anche quando manca la corrente. Nelle ROM che possono essere riscritte, l'informazione

rimane fino alla successiva scrittura.

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ROM - Read Only Memory Le ROM vengono in genere utilizzate per memorizzare

programmi e dati di configurazione essenziali per il funzionamento del computer che devono essere memorizzati anche quando il computer è spento. Bios

Esistono differenti tipi di ROM:ROM non programmabiliPROM. ROM ProgrammabiliEPROM. Erasable Programmable ROMEEPROM. Electrical Erasable Programmable ROMFlash Memory

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ROM, PROM, EPROM

ROM: sono delle reti combinatorie già predisposte in

fabbrica (tramite il processo di mascheratura). Hanno

alte capacità bassi costi.

PROM: sono delle reti combinatorie programmabili

con un dispositivo da laboratorio. Molto utili per

prototipi, possono essere programmate una sola volta.

EPROM: sono programmabili con un dispositivo da

laboratorio. Hanno una finestra di quarzo tramite cui è

possibile esporre il chip ai raggi U.V. e “cancellare “ il

contenuto.

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EEPROM – FLASH MEMORY

EEPROM: come le EPROM, ma cancellabili con particolari cicli di segnalazione senza togliere dalla piastra il chip. I tempi di cancellazione sono di norma molto più lunghi di quelli di lettura.

Flash Memory: come le EPROM, ma la scrittura avviene per blocchi e non per byte, molto velocemente. Non può essere usata come la RAM per via

della scrittura a blocchi Si chiama flash perché il microchip è

organizzato in sezioni di celle cancellabili in un colpo solo (flash).

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Memoria Cache Lo scopo della memoria cache è quello di reperire informazioni utilizzate

recentemente senza doverle nuovamente prelevare dalla RAM. La memoria cache è generalmente gestita direttamente dalla CPU tramite

bus privati. L'utilizzo della memoria cache rispetto la RAM è più vantaggioso perché:

il bus di indirizzi e dati è locale e non deve essere utilizzato quello comune, che potrebbe essere occupato da altri dispositivi (ad esempio DMA), ritardando l'accesso alla RAM

il tempo di accesso alla cache per lettura/scrittura è molto più basso di quello della RAM (generalmente il tempo di accesso medio alla RAM è 50-70ns, mentre si può arrivare a valori inferiori a 10ns per accedere alla memoria cache).

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Memoria Cache

L'uso della memoria cache prevede, però, opportuni accorgimenti dovuti al fatto che la dimensione di una cache è notevolmente inferiore a quella di una RAM la dimensione tipica della RAM è di centinaia di MBytes,

mentre la cache ha dimensioni dell'ordine di alcune centinaia di KBytes.

è impensabile poter memorizzare nella cache tutti i dati letti dalla RAM, ma sarà necessario sovrascrivere alcuni dati contenuti nella cache, per far spazio a nuovi dati da memorizzare.

In particolare, si adotta la politica di sovrascrivere i dati più vecchi, ossia quelli non utilizzati da più tempo.

Modulo HWPC 35

Memoria Cache La gestione della cache, può essere formalizzata nella seguente

maniera: la CPU necessita di un particolare dato la CPU ricerca il dato nella cache

se lo trova, lo legge e lo utilizzase non lo trova, lo reperisce nella RAM e lo trasferisce nella

cache nella locazione più "vecchia", ossia da più tempo non utilizzata.

Generalmente le memorie cache sono realizzate da memorie statiche

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Memorie STATICHE La memoria statica è la memoria più veloce disponibile

attualmente Sono caratterizzate da tempi di accesso dell'ordine delle

decine di nanosecondi (da 6 ns a 25 ns). Sono costose e possono memorizzare solo 1/4 dei dati

rispetto le memorie dinamiche (DRAM). A differenza delle DRAM, non occorre il rinfresco

periodico.

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Utilizzano per ogni bit un flip flop.

Il singolo bit occupa molto spazio (8 transistors).

Consuma molta energia. E’ molto veloce (< 10 ns). Ha un elevato costo per bit.

Memorie STATICHE

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Attualmente le memorie cache hanno dimensioni medie di 256Kbyte, con picchi di 512Kbyte fino ad arrivare a valori di alcuni Mbytes.

Potrebbe sembrare che quanto più grande è la cache, tanto più conveniente sia per le prestazioni della CPU.

Questa affermazione è vera relativamente, in quanto, aumentando la cache oltre certi limiti, il rapporto prezzo/prestazioni diventa non conveniente.

Memoria Cache

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Per aumentare ulteriormente le prestazioni, si può: Frammentare la cache Trasferire una parte della cache all'interno della CPU

Esistono, duqnue, Cahce Multi-livello: L1, di dimensioni minori (8KB...64KB): è in genere contenuta all'interno

del Core del processore e opera alla frequenza di clock; L2 (nelle CPU correnti compresa tra 128KB e 1MB): a seconda del tipo

di architettura è posta o all'interno del Core del processore oppure sulla motherboard; opera a frequenze differenti a seconda del tipo di architettura, variabili tra la frequenza di bus e quella di clock.

L3: generalmente è un'estensione della L2 (2 MB nel Pentium IV Extreme Edition 3.2 GHz)

Il processore cerca prima nella cache interna L1 e poi in quelle esterne L2, L3.

Memoria Cache

Modulo HWPC 40

CPU

Principi di Base Blocchi Fondamentali: Memoria Cache, Registri,

ALU, Istruction Decoder and Control Esempio di Funzionamento Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la

microelettronica Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la

meccanica Road map dei microprocessori Indicatori di prestazione

Modulo HWPC 41

CPU-Principi di Base

STRUTTURA DELLA ISTRUZIONE MACCHINA: Si tratta di una stringa binaria che identifica il codice della operazione da

eseguire e le modalità per indirizzare gli operandi Opcode o codici operativi Un programma scritto in Opcode è assai difficile, si utilizza l’Assembly

ESECUZIONE DI UNA ISTRUZIONE MACCHINA: l’esecuzione di un’istruzione avviene con una sequenza di

microistruzioni a livello circuitale associate all'istruzione

FASI CPU: Ricerca (Fetch) e Esecuzione (Execute)

Modulo HWPC 42

CPU-Memoria Cache

La memoria, a rigore, non dovrebbe far parte dell'unità centrale ma attualmente una tendenza che si va consolidando e quella di fornire CPU che presentino al loro interno banchi di memoria allo scopo di reperire velocemente informazioni, senza dover accedere alla memoria centrale.

Cache di Primo Livello L1 (alcune volte anche la L2)

Modulo HWPC 43

CPU-Registri Interni

Di numero e di caratteristica molto differenziate, i registri interni di lavoro permettono all'unità centrale lo spostamento, la manipolazione ed il deposito temporaneo dei dati senza dover ricorrere alla memoria esterna.

I tipi di registri, le modalità di interconnessione e di comunicazione fra i vari registi sono una caratteristica del processore

Possiamo tuttavia individuare un set di registri essenziali per il funzionamento di un qualunque processore, e che, dunque, possono essere ritrovati in una qualunque architettura.

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Memory Address Register (MAR). E' il registro specializzato per indirizzare la memoria. Durante l'esecuzione di un programma il MAR contiene l'indirizzo della locazione di memoria centrale (esterna alla CPU) alla quale si vuole accedere in quell'istante.

Program Counter (PC). E' il registro specializzato per contenere l'indirizzo dell'istruzione che deve essere eseguita.

Memory Data Register (MDR). E' il registro da cui transitano tutti i dati scambiati con la memoria esterna prima di venire smistati, in base al loro significato, presso gli altri registri interni.

Instruction Register (IR). E' il registro che contiene la parte codice operativo di un'istruzione, vale a dire quella sequenza di bit che opportunamente decodificati determineranno le azioni che la CPU deve eseguire.

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Accumulatore. E' il principale registro di calcolo dell'unità centrale: contiene sempre uno degli operandi e il risultato dell'operazione

Pointer Registers (PRs). Sono registi specializzati per contenere indirizzi, solitamente di quei sotto programmi ricorrenti con particolare frequenza. Alcuni di essi possono venire specializzati a funzioni particolari.

Uno di essi è lo stack pointer, che indirizza la zona di RAM in cui è stato costruito lo stack. Lo stack e' definita come una porzione di memoria gestita secondo una politica LIFO (Last In First Out).

Risulta estremamente comodo per il salvataggio del program counter in caso di interruzione (interrupt) o subroutine;

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Status Register. Con registro di stato si intende un registro il cui contenuto è costituito da un insieme di flag aventi un significato individuale, anche se può essere manovrato ed elaborato in parallelo. Il significato dei vari flags costituenti il registro può differire a seconda del microprocessore, ma avremo sempre alcuni flags fondamentali:

CARRY. Viene manipolato dalle operazioni aritmetiche; viene settato o resettato nel corso di un'istruzione di somma se si è avuto o no un riporto.

OVERFLOW. Risente anch'esso dell'esito delle operazioni aritmetiche; viene settato a uno se nel corso di una somma o sottrazione si è avuto un trabocco della capacità dei registi.

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CPU-Unità Aritmetico Logica ALU

Operazioni Aritmetiche: Somma in Complemento a 2 Operazioni Logiche: AND, OR e NOT Operazioni sui Bit: Shift e Rotazione Dati in Ingresso: il Contenuto dell'Accumulatore (sempre) e dei

registri interni della CPU (operandi residenti in memoria centrale vengono trasferiti su registri temporanei)

Risultato dell'Operazione: Accumulatore Uscite Collaterali: è fondamentale registrare alcune condizioni di

fine esecuzione delle operazioni di ALU al fine di determinare se procedere con la successiva istruzione in memoria o con un’altra opportunamente specificata. risultato zero, negativo, riporto, overflow …… registro di stato

Modulo HWPC 48

CPU-Instruction Decoder and Control

E' il cuore del processore

Riceve come dato in ingresso il codice operativo dell'istruzione presente nell'instruction register (IR).

Questo codice può essere pensato come l'indirizzo di partenza di un microprogramma interno che agisce a livello circuitale minimo componendo insieme, in modo opportuno, gruppi di microistruzioni.

Queste ultime consistono in definitiva nell'emissione di una serie di segnali e stati logici di controllo che servono: a predisporre la ALU a compiere una particolare funzione aritmetico

logica a smistare attraverso i bus interni i contenuti dei registri interessati a svolgere i necessari test e gli eventuali scambi di dati con l'esterno.

Modulo HWPC 49

CPU-Instruction Decoder and Control

Esempio di Microprogramma associato all'istruzione di Somma del contenuto dell'accumulatore con il contenuto del MDR.

Questa operazione può essere scomposta in sette passi elementari:1. Trasferimento del contenuto dell'accumulatore sul bus dati

interno alla CPU.2. Trasferimento del contenuto del bus dati nella ALU.3. Trasferimento del contenuto del MDR sul bus dati interno alla

CPU.4. Trasferimento del contenuto del bus dati nella ALU.5. Attivazione della logica di somma.6. Trasferimento del contenuto della ALU (risultato della somma)

sul bus dati.7. Trasferimento del contenuto della data bus nell'accumulatore

(che conterrà il risultato della somma).

Modulo HWPC 50

CPU - Fasi di Fetch e Execute

In qualunque processore l'esecuzione di una generica istruzione avviene in due fasi differenti:

la fase di ricerca (FETCH): consiste nel prelievo dalla memoria centrale dell'istruzione

la fase di esecuzione (EXECUTE), caratterizzata dalla decodifica dell'istruzione e dall'attivazione del microprogramma ad essa associato.

Modulo HWPC 51


Esempio: Supponiamo che l'istruzione sia di somma fra il contenuto dell'accumulatore e il contenuto di una cella di memoria il cui indirizzo sia dato direttamente dalla parte operando dall'istruzione stessa.

Supponiamo cioè che la cella di memoria contenente l'istruzione da eseguire sia strutturata come segue:

codice istruzione indirizzo RAM del secondo operando

Modulo HWPC 52


Fase di ricerca (FETCH):

1. Il contenuto del Program Counter (PC) è relativo all’indirizzo di memoria che contiene l’istruzione.

2. Il contenuto del Program Counter è inviato al MAR (Memory Address Register) per operare il prelevamento dell'istruzione all'indirizzo di memoria contenuto nel MAR.

3. Il dato prelevato dalla memoria è riposto nel MDR (Memory Data Register).

4. Il contenuto del MDR, ossia l’istruzione, è messa nel Instruction Register per essere decodificata.

5. Il Program Counter viene incrementato per puntare all'istruzione successiva.

Modulo HWPC 53


Ha inizio a questo punto la fase di esecuzione (EXECUTE):

1. viene compreso che il secondo operando risiede in memoria

2. la parte dell’istruzione relativa all’indirizzo del secondo operando viene trasferita nel MAR

3. L'effettivo operando, prelevato dalla memoria è posto nel MDR.

4. L’operando viene presentato ad un ingresso della ALU.

5. All'altro ingresso dell’ALU viene presentato il contenuto dell'accumulatore.

6. L'ALU, predisposta dall'Instruction Register ad eseguire la somma, pone il suo risultato nell'accumulatore.

La fase di esecuzione è terminata ed il processore prosegue con la fase di ricerca dell'istruzione successiva.

Modulo HWPC 54

Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la microelettronica Il Canale (0,065μ/0,09μ/0,13μ/0,18μ): indica il più

piccolo spessore di silicio nel transistor che si riesce a trattare con procedimenti fotochimici e quindi concorre a determinare la densità di transistor che si può ottenere

0,065μ(micron)=65 nm (nanometri)

L’Area Chip (140mmq-300mmq): aumentando l’area del chip si aumentano le funzioni logiche implementabili

Numero Transistor/Chip > Centinaia di Milioni - 1 Miliardo

Modulo HWPC 55

Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la meccanica

Il Packaging: il contenitore in cui è incapsulato il chip della CPU deve avere ottime caratteristiche meccaniche e termiche; si usano ceramiche particolari.

La Piedinatura: l’aumento della memoria indirizzabile, del parallelismo di trasferimento con la memoria centrale, delle funzionalità avanzate hanno determinato un crescente numero di punti esterni di connessione (pin).

Il Socket: il socket è l’elemento meccanico di interconnessione tra il chip e la scheda madre.

Il Raffreddamento: le sempre maggiori potenze impegnate richiedono ventole montate su CPU e su chassis più potenti e controlli automatici di temperatura

Modulo HWPC 56

Tabella dei socket

Socket 5 Socket 7 SuperSocket 7 Socket 8 Slot 1 Slot A Socket A Socket 423/478 Socket 940 Socket T (LGA 775) Socket M (µPGA478) Socket P (µPGA478)

Modulo HWPC 57

Road map dei microprocessori

Socket Canale MilioniTransistor

Cache L1

CacheL2

Clock CPU

FSB

AMD

K6 Socket 7 0,35 64KB 0KB 2,33GHz 66MHz

K6 - II Socket 7 0,25 64KB 0KB 3,00GHz 66MHz

K6-III Super Socket 7

0,25 64KB 256KB 4,50GHz 100MHz

DURON SOCKETA

0,18μ 25Mtr 128KB 64KB 1,2GHz 200Mhz

ATHLON SOCKETA

0,18μ 37Mtr 128KB 256KB 1,4GHz 266Mhz

ATHLON XP

SOCKETA

0,18μ 37,5Mtr 128KB 256KB 1,6GHz 266Mhz

ATHLON MP

SOCKETA

0,18μ 37,5Mtr 128KB 256KB 1,6GHz 266Mhz

Modulo HWPC 58

Road map dei microprocessoriSocket Canale Milioni

TransistorCache

L1Cache

L2Clock CPU

FSB

INTEL

CELERON Coppermine

SOCKET 370

0,18μ 19Mtr 32KB 128KB 1,1GHz 100Mhz

CELERONTUALATIN

SOCKET 370

0,13μ 28,5Mtr 32KB 256KB 1,2GHz 100Mhz

PENTIUMIII

Coppermine

SOCKET370

0,18μ 28Mtr 32KB 256KB 1,1GHz 133MHz

PENTIUMIII

TUALATIN

Slot1/SOCKET

370

0,13μ 28Mtr 32KB 256KB/

512KB

1,4GHz 133MHz

PENTIUMIV

SOCKET423

0,18 μ 42Mtr 8KB 256KB 2GHz

PENTIUMIV

SOCKET478

0,13 μ 42Mtr 8KB 512KB 2,8GHz

Pentium IV EE

Socket 478 0,13 μ 169Mtr 8KB 512KB+

2MB (L3)

3,2GHz 200MHz

Modulo HWPC 59

Ultime Soluzioni per Incremento di Prestazioni

Soluzione DUAL CORE: unione di due processori indipendenti Aumento di potenza di calcolo senza aumentare la frequenza di clock Motivo: aumento della frequenza di clock comporta consumi più alti

e problemi di riscaldamento Si punta al parallelismo delle istruzioni eseguite in ogni ciclo di clock

Esempi in casa Intel: Core 2 Duo E6850 (Luglio 2007): Socket 775, 3GHz, 65nm,

L1=2x64KB, L2=4MB (la L2 è condivisa)

Modulo HWPC 60

Ultime Soluzioni per Incremento di Prestazioni

Soluzione QUAD CORE: unione di 4 processori indipendenti

Esempi in casa Intel: Core 2 Quad Q6700 (Luglio 2007): Socket 775, 2,66GHz, 65nm,

L1=4x64KB, L2=2x4MB (la L2 è condivisa tra ogni coppia di processori)

Modulo HWPC 61

Indicatori di prestazione

Un Benchmark è un programma che consente di valutare comparativamente le prestazione di due sistemi relativamente a: Tempo di risposta (secondi) Throughput (Numero di bit /secondo) Fotogrammi / secondo

Alcuni programmi di Benchmark: Stream (misura la banda delle RAM in Mbytes/s) Video Giochi: 3D Mark, Mercedes Benz Truck Racing (fps) Applicativi: Sysmark 2000 (sec)

Modulo HWPC 62

Sottosistema di I/O

I Bus: Bus di I/O

Interfacce: Seriali, Parallele, USB, FireWire

Controller

Schede Grafiche, Audio e di Acquisizione Video

Modulo HWPC 63

Bus di I/O

Il bus di I/O ha il compito di connettere la CPU alle periferiche di I/O Esistono diverse tipologie che si differenziano per: numero di bit e

larghezza di banda (bit/sec) Considerando l'architettura Intel, esistono i seguenti tipi di bus I/O:

ISA. Il termine ISA significa Industry Standard Architecture. La prima versione del bus ISA era a 8 bit, presente ad esempio negli IBM compatibili AT. Molto più recente ed utilizzato è il bus ISA a 16 bit. 16 bit @ 8 MHz picco 16MByte/s

EISA. Il termine significa Extended Industry Standard Architecture. EISA è un'evoluzione del bus ISA ed è teoricamente compatibile con questo. E' caratterizzato da prestazioni superiori rispetto il bus ISA, principalmente dovute alla doppia capacità del bus e all'uso di un proprio dispositivo DMA (Direct Memory Access).

Modulo HWPC 64

Bus di I/O

MCA. E' un bus proprietario IBM ed è derivato dal bus ISA. Il fatto di essere proprietario implica l'incompatibilità con altri bus di I/O. E' commercializzato in due versioni: a 16 e 32 bit. In termini pratici è capace di trasferire circa 20 Mbit/secondo.

PCI (Peripheral Component Interconnect). I dati vengono trasferiti in blocchi di 32 bit (a differenza dell'ISA caratterizzato da trasferimenti a 16 bit).

32 bit @ 33 MHz => 132 MByte/sec 32 bit @ 66 MHz => 264 MByte/sec (bus PCI 2.1, che lavora ad

una frequenza di 66 MHz)

AGP (Accelerated Graphic Port). Viene utilizzata esclusivamente per la connessione a particolari schede video accelerate (ossia dotate di processore interno che elabora informazioni visive).

Modulo HWPC 65

Interfacce Esistono differenti connettori che permettono il collegamento con le

periferiche esterne (mouse, tastiera, stampante, etc.). Generalmente tali connettori si collegano al bus di I/O. I più noti e

vecchi connettori sono: COM1, COM2: RS 232, 9 e 25 poli maschio. Porta Parallela. Sono connettori a 25 poli femmina.

Modulo HWPC 66

Interfaccia USB E' l'acronimo di Universal Serial Bus; Fino a 127 periferiche in catena. L'USB è stato introdotto per fornire uno standard che superasse in

prestazioni le ormai vetuste porte seriale e parallela; USB è quindi la soluzione ideale per le periferiche di media velocità

quali modem esterni, webcam, lettori CD-Rom esterni ecc. E' possibile collegare le periferiche con PC

acceso E' possibile fornire direttamente

l'alimentazione ad alcuni tipi di periferiche. Due Versioni:

USB 1.0: 12 Mbit/sec USB 2.0: 480 Mbit/sec

Modulo HWPC 67

Interfaccia FireWire IEEE1394

Molti computer più recenti sono dotati di una porta per il collegamento delle periferiche FireWire.

Si tratta di uno standard di comunicazione ideato da Apple e sviluppato insieme a IEEE (e quindi conosciuto anche come standard IEEE 1394).

Bus digitale di comunicazione che permette un transfer rate massimo di 400 Mbit/secondo e di collegare 64 periferiche in cascata;

Esiste la versione IEEE 1394b a 800 Mbps La porta FireWire consente di collegare al

computer periferiche ad alta velocità, ad esempio videocamere digitali, riproduttori audio, unità Zip e altri dispositivi di memorizzazione esterni.

Modulo HWPC 68

Controller

Esistono particolari periferiche, quali dischi fissi, CD-ROM, nastri magnetici (o unità di back-up), e scanner, che necessitano di particolari circuiti di interfaccia chiamati controller (controllori).

Il compito principale di un controllore è quello di garantire il trasferimento dati tra il computer e la periferica, risolvendo alcuni problemi tra cui l'adattamento di segnali elettrici, l'adattamento di impedenza, il collegamento fisico tra il bus del computer e quello relativo alla periferica, ecc.. Dunque il suo ruolo è essenziale al fine di massimizzare il trasferimento dati.

Controller IDE e SCSI

Circuiti digitali ed analogici

cavo

Periferica Parte elettromeccanica

Modulo HWPC 69

Schede Video Acceleratrici

Le schede video permettono oggi di ottenere risoluzioni molto elevate ed effetti grafici sofisticati.

Questi miglioramenti di grafica sono apprezzati dai giocatori di videogame e da importanti professionisti web-designer e no.

Hanno memoria video DDR (circa 128MBytes) e un processore di immagini

Modulo HWPC 70

Schede Audio

Una serie di circuiti montati su una scheda di espansione per computer. Le schede audio permettono di produrre e analizzare suoni stereo di alta qualità utilizzando appositi programmi.

Possono essere a 16 o a 24 bit a seconda delle capacità di campionamento e di elaborazioni che i circuiti utilizzati consentono.

Effetti dolby sorround (Creative Multi-Speaker Surround™-CMSS) tra le più diffuse vi è la famiglia di schede SoundBlaster.

Modulo HWPC 71

Schede di Acquisizione Video

Elabora i dati (analogici/digitali) che arrivano da telecamere (analogiche/digitali) e li trasforma in files in differenti formati selezionabili dall'utente (ad esempio AVI, MPEG).

Il processore on-board permette di realizzare effetti di montaggio real-time.

Modulo HWPC 72

Periferiche

Stampanti Scanner Web Cam Macchine Fotografiche Digitali

Modulo HWPC 73

Memorie di Massa

Floppy Hard Disk PenDrive CD ROM CD RW DVD ROM DVD RW

Modulo HWPC 74

….per diventare esperti dei PC !!

Metodi di I/O: Interrupt e DMA La Scheda Madre Il ChipSet Il BIOS

Modulo HWPC 75

Metodi di I/O: Interrupt

L'attività che svolge la CPU non è mai continua ma viene sempre interrotta da particolari segnali provenienti principalmente da dispositivi esterni alla CPU stessa.

Tali interruzioni hanno lo scopo di comunicare alla CPU la necessità che essa esegua particolari programmi. Ad esempio uno dei più comuni interrupt è relativo all'aggiornamento dell'ora e della data interna al computer. La CPU riceve circa 18 volte al secondo un segnale di interruzione che la obbliga ad eseguire il programma associato di aggiornamento dell'ora e della data.

In termini tecnici queste interruzioni prendono il nome di INTERRUPT. Ogni interrupt è caratterizzato da una sua priorità al fine di poter gestire la contesa nel caso in cui più interrupt arrivino contemporaneamente alla CPU. Ad ogni interrupt è poi associato sempre il programma che deve essere eseguito.

Modulo HWPC 76

All'arrivo di un interrupt, la CPU deve eseguire le seguenti funzioni:1. deve salvare nello stack lo stato corrente del programma che

stava eseguendo fino a quel momento (lo stato è dunque rappresentato dal contenuto di alcuni registri quali il Program Counter)

2. deve identificare l'interrupt ed eseguire il programma di interrupt ad esso associato

3. alla fine dell'esecuzione del programma di interrupt, deve prelevare lo stato dallo stack e ripristinare lo stato corrente prima che venisse l'interrupt

4. continuare l'esecuzione dallo stato appena ripristinato

Metodi di I/O: Interrupt

Modulo HWPC 77

Metodi di I/O: Direct Memory Access (DMA)

Il DMA è una tecnica di gestione del bus che conduce i dati nella memoria RAM, in base alla quale non è necessario l'intervento della CPU per tale trasferimento, ma è un particolare dispositivo DMA che si occupa di effettuare tale trasferimento, alleggerendo la CPU.

Il DMA viene utilizzato quando si hanno periferiche veloci che devono accedere alla memoria. In tal caso l'accesso potrebbe essere rallentato dalla CPU, nel caso in cui essa non sia particolarmente veloce o sia occupata in altri lavori.

CPU RAM DMA I/O

bus

Modulo HWPC 78

La Scheda Madre

Modulo HWPC 79

Il Chip Set

Viene detto "chipset" un gruppo di circuiti integrati (in gergo elettronico, chip) che sono direttamente saldati sulla scheda madre e si incaricano di tutte le operazioni di normale gestione, quali: il risparmio energetico, attività sul bus: controllo e gestione del flusso di dati tra i vari

componenti.

Il chipset fa parte integrante della scheda madre, e non può essere aggiornato.

Modulo HWPC 80

Il Chip Set

CPU

NORTH BRIDGE

LANSOUTH

BRIDGE

AGP

SCSI

AGP BUS

SRAMMemory Bus

PCI Bus

BIOS

ISA

USB

Sono due i chip:

Northbridge: scambio dati tra CPU, RAM, Comparto Grafico

SouthBridge: I/O, slot PCI, porte

Modulo HWPC 81

BIOS Il nome BIOS significa Basic Input Output System, ossia sistema di base

per ingressi e uscite. Il BIOS è essenzialmente un "software", ossia un programma. Esso é

contenuto in un chip di memoria non volatile EEPROM o le Flash Memory

Le funzioni svolte dal BIOS sono essenzialmente:1. Funzione di Avvio del Computer, Boot

Funzione di POST (Power-On Self Test) Beep che codificano eventuali errori o anomalie

Caricamento drivers (es.scheda video) Check memoria Caricamento S.O. (da disco di boot)

2. Funzione di Memorizzazione di Configurazione Hardware e di Parametri del ChipSet.

Modulo HWPC 82

BIOSAvvio del Computer

Quando si accende il PC, si inizializza l'alimentatore interno. Non appena la tensione si stabilizza il chipset invia un comando di reset del processore.

Il comando reset richiede alla CPU di eseguire l'istruzione posta sempre in una locazione fissa prestabilita nella ROM del BIOS e denominata indirizzo di jump.

La CPU esegue l'istruzione, che copia in memoria i programmi del BIOS e inizia l'esecuzione del BIOS.

Modulo HWPC 83

La prima azione eseguita dal programma di BIOS è il POST (Power-On Self-Test): Il processo POST verifica e controlla la configurazione hardware

memorizzata nelle informazioni di configurazione del BIOS. Nel caso in cui dovesse rilevare un problema invia indicazioni

acustiche per mezzo di uno o più beep o beep code, attraverso l'altoparlante del sistema, per indicare la natura del problema o visualizzare un messaggio d'errore e il processo di boot si arresta.

Se il POST non incontra problemi, il processo di boot continua. Il BIOS cerca il BIOS dell'adattatore video e lo attiva. Quasi tutti i

dispositivi periferici di un PC dispongono di un proprio BIOS. Le informazioni sulla scheda video sono visualizzate sullo schermo del monitor. informazioni della scheda video, BIOS della scheda video,

produttore e versione.


Modulo HWPC 84

Vengono inizializzate la routine del BIOS delle periferiche presenti, oltre la scheda video.

Il BIOS effettua poi una serie di test nel sistema, inclusa la dimensione della memoria rilevata. Un contatore progressivo visualizza nello schermo la memoria

rilevata e verificata. Il BIOS verifica che i dispositivi elencati nei dati di configurazione

siano presenti e funzionanti. viene visualizzato un messaggio che comunica che il dispositivo è

stato trovato, configurato e verificato. Se il BIOS supporta la tecnologia PnP (Plug and Play), qualsiasi

dispositivo PnP rilevato sarà configurato. vengono visualizzate sullo schermo tutte le informazioni dei

dispositivi, tuttavia scorrono in modo troppo veloce per poter essere lette.


Modulo HWPC 85


Alla fine della sequenza di test e configurazione, il BIOS visualizzerà una schermata che riassume i dettagli del PC verificati dal BIOS, per indicare che il sistema è pronto per l'uso.

Il BIOS dovrà trovare il sistema operativo ed essere in grado di accedervi, per poterlo attivare. I dati di configurazione memorizzati nel BIOS contengono un

parametro che indica le unità disco (floppy, hard disk o CD-ROM) e l'ordine di accesso per il caricamento del sistema operativo.

Se il programma di boot non viene trovato nel primo dispositivo elencato, verrà ricercato nel dispositivo successivo e così via;

se non si trova alcun dispositivo di boot la relativa sequenza si arresta e viene visualizzato un messaggio di errore: "Non è disponibile alcun dispositivo di boot".

Modulo HWPC 86

BIOSMemorizzazione Configurazione

Il BIOS memorizza la configurazione hardware del computer (periferiche non plug&play) e i parametri del chipset e ne permette all’utente la modifica.

Programma di Configurazione: tasto DEL all'avvio In genere ogni versione di BIOS permette di intervenire su taluni parametri

del chipset ma non su altri. Esempio: alla voce Chipset Features Setup (o Advanced Chipset Setup)

e possibile intervenire sui tempi di accesso alla memoria e su altri parametri del chipset, così da migliorare anche sensibilmente le prestazioni del computer;

C'è il rischio di impostare alcuni parametri troppo performanti per l'hardware installato e il sistema si bloccherà durante il funzionamento: basterà rientrare nel Setup del BIOS (premendo, in genere, il tasto DEL

all'avvio) e reimpostare i valori precedentemente usati.

Modulo HWPC 87

L'hardware, cioè la parte elettronica del PC, può presentare notevoli differenza da costruttore a costruttore o da modello a modello.

Se il S.O. deve ad esempio recuperare un file dal disco rigido, esegue tale lettura "chiedendo" al BIOS di leggere il file, senza occuparsene direttamente.

Il BIOS contiene programmi usati dal sistema operativo e software applicativo per interagire con l'hardware.

Visto che il BIOS è strettamente legato all’hardware, è facile comprendere è che ogni diverso computer possiede un diverso BIOS.

Non è possibile cioè utilizzare il BIOS del computer modello xyz nel computer modello hkw.

BIOSInterfaccia Sistema Operativo

Modulo HWPC 88

Produttori di BIOS

Award, AMI (America Megatrends, Inc.) e Phoenix producono i BIOS più noti.

Come la maggior parte dei produttori, forniscono le ROM del BIOS in licenza d'uso alle case costruttrici di schede madri, mentre il servizio di supporto del BIOS compete generalmente a produttori delle schede.

In passato AMI era l'unico BIOS per Intel, il principale produttore di processori e schede madri.

Attualmente, oltre l'60% delle schede madri sono Intel e adottano il BIOS Phoenix.

Nel 1998 Phoenix ha acquistato Award e, pertanto, il BIOS Award viene distribuito con marchio Phoenix.

Date post:	02-May-2015
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