1 La struttura hardware. 2 Esecuzione di programmi Algoritmo Codifica in un linguaggio di...

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La struttura hardware

2

Esecuzione di programmi

AlgoritmoCodifica in un linguaggio diprogrammazione C, Java etc.

Programma

Compilatore Input : programma

Output : rappresentazione di dati ed istruzioni elementari comprensibile alla macchina

Eseguibile

Effetto : esecuzione delle istruzionisulla macchina fisica

Hardware

3

Esecuzione di programmi (2)• L’eseguibile dipende dalla macchina che dobbiamo

specializzare (es. processore Intel, o processore SUN), dal sistema operativo (es. Windows, Linux …) e dal linguaggio usato (es: C o Java)

• Gli eseguibili di alcuni linguaggi (come Java) contengono operazioni complesse che non possono essere eseguite direttamente!

• In questo caso si utilizza un programma interprete (es Java Virtual Machine) che realizza le operazioni elementari complesse

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Esecuzione di programmi (3)

AlgoritmoCodifica in un linguaggio diprogrammazione Java-like

Programma


Output : rappresentazione di dati ed istruzioni elementari comprensibile all’interprete (es JVM)

Eseguibile

Effetto : esecuzione delle istruzioni elementari dell’interprete sulla macchina fisica

Interprete

Hardware

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Esecuzione di programmi (4)

AlgoritmoCodifica in un linguaggio diprogrammazione (C, Java etc)

Programma


Output : rappresentazione di dati ed istruzioni elementari comprensibile alla macchina o all’interprete

Eseguibile

Sistema operativo

Effetto : esecuzione delle istruzionisulla macchina fisica

Interprete

Hardware

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Ritorniamo alla …. struttura generale di un calcolatore

• Il calcolatore di Von Neumann

Memoria(RAM,dischi, etc)

Mantiene Dati e Programmi

Processore(CPU)

E’ un esecutore capacedi interpretare i singoli passirichiesti dai programmi (istruzioni elementari)

Sottosistemadi Interfaccia

Permette di comunicare dati e programmi alla macchina e di ottenere i risultati (tastiera, micr., stampante, schermo, )

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Struttura di un calcolatore (2)

RAM(memoria centrale)

Processore

bus

Linee dati, indirizzi e controllo

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

schermo dischi mouse modem

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Processore

bus


Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O


.

.

.

01234

indirizzi Sequenza di parole (un array …)

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Processore

bus


Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O


.

.

.

01234

indirizzi Sequenza di parole (un array …)

Valore da trasferire

Dove trasferirlo

Direzione di trasferimento, unitàcoinvolte etc.

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Processore

bus


Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O


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Operazioni elementari eseguibili da un processore

• Dati numerici (binari) :– operazioni matematiche : +,-,divisione e moltiplicazione per

potenze di due– confronti con 0– operazioni logiche o booleane: AND, OR, XOR, NOT

• Dati numerici e non– letture/scritture nella memoria, letture e scritture nei registri

di controllo dei dispositivi– uguaglianza e disuguaglianza di due rappresentazioni

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Operazioni elementari eseguibili da un processore (2)

• Operazioni di ‘controllo di flusso’ :– salti condizionati (corrispondono alla

combinazione di istruzioni di controllo se ( …) vai al passo X )

– salti incondizionati (corrispondono alla istruzioni di controllo vai al passo X )

– chiamate di un sottoprogramma (CALL)– terminazione del programma (RETURN)

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Operazioni elementari eseguibili da un processore (3)

• Abbiamo elencato le funzionalità tipiche, i loro nomi ed il funzionamento specifico variano da macchina a macchina

• Esistono sul mercato processori ‘compatibili’ cioè in grado di eseguire lo stesso insieme di istruzioni (facilita la portabilità dei programmi in linguaggio macchina)– es : Intel Pentium, IBM-Cyrix, AMD

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Operazioni booleane

• Sono operazioni che lavorano su variabili che assumono valori di verità o boolani (vero, falso) :– es : se fuori piove e mi sposto a piedi allora apro l’ombrello– La due sotto-condizioni (fuori piove, mi sposto a piedi) avranno

un valore vero/falso che dipende dalla situzione in cui mi trovo– l’operatore booleano ‘e’ permette di combinare fra loro due

valori booleani – il risultato dell’operazione ‘e’ è il valore vero se entrambi gli

operando sono veri e falso altrimenti

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Operazioni booleane (2)

• Con le operazioni booleane è possibile complicare arbitrariamente le condizioni delle strutture se…allora…altrimenti e finchè...ripeti

• Anche i valori booleani si possono rappresentare in codifica binaria: generalmente– 1 rappresenta VERO– 0 rappresenta FALSO

• La definizione di ciascuna operazione booleana si può dare sotto forma di tabellina (la tabella di verità)

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Operazioni booleane (3)

Le operazioni boolane più comuni sono :• Operazione di and () :

– A and B : combina i valori di A e B in modo che il risultato sia vero solo se sono veri sia A che B

• Operazione di or () : – A or B : combina i valori di A e B in modo che il

risultato sia vero solo almeno uno fra A e B è vero

• Operazione di not () : – not A : restituisce falso se A e vero e viceversa

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Tabelle di verità delle operazioni and, or e not

A B A and B A or B Not A

0 0 0 0 1

0 1 0 1 1

1 0 0 1 0

1 1 1 1 0

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Operazioni logiche/booleane : perché sono importanti

• Sono facili da realizzare utilizzando circuiti elementari

• È possibile dimostrare che tutte le funzioni interessanti possono essere calcolate utilizzando una opportuna combinazione delle funzioni logiche

• Esiste un procedimento automatico per trovare questa combinazione, che viene utilizzato per realizzare le funzioni disponibili nell’hw

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Operazioni logiche : perché sono importanti (2)

• Quando si scrivono programmi che ‘parlano’ con l’hw spesso dobbiamo manipolare sequenze binarie direttamente

• Usando le funzioni logiche è sempre possibile costruire la manipolazione che ci interessa – es: mettere a 0 il terzo bit di una rappresentazione

consideriamo la rappr. 0001001111111

mi costruisco la ‘maschera’ 1111111111011

e poi calcolo AND 0001001111011

‘bit a bit’

AND

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Linguaggio macchina e assembler

• Linguaggio macchina :linguaggio comprensibile direttamente dal

processore della macchina (binario)

• Assembler : versione simbolica del linguaggio macchina in

cui i nomi delle operazioni e degli operandi sono indicati con codici simbolici

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Linguaggio macchina e assembler (2)

• Per ‘parlare direttamente con la macchina’ si usa l’assembler

• Assemblatori : programmi che traducono il codice simbolico in

sequenze di 0 e 1

• Nei prossimi lucidi vediamo un esempio di un tipico programma assembler e i passi necessari per la sua traduzione in binario

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• Esempio: come si realizza in assembler l’operazione x=y+2 : LOAD Y, R1

ADD 2, R1

STORE R1, X

34

222

Y

X

Indirizzi di dueparole di memoriache rappresentanole variabili intere x e y

17R1

Registro interno del processore (variabile temporanea su cui lavorare)

Legge il valore in Y e lo scrive in R1

memoria

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• Esempio x=y+2 (assembler)LOAD Y, R1

ADD 2, R1

STORE R1, X34

222

Y

X

Indirizzi di dueparole di memoriache rappresentanointeri

34R1


Aggiunge 2 a R1

memoria

24



ADD 2, R1

STORE R1, X34

222

Y

X

Indirizzi di dueparole di memoriache rappresentanointeri

36R1


Scrive il contenuto di R1 nella parola di indirizzo X

memoria

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ADD 2, R1

STORE R1, X34

36

Y

X

Situazione finale dellamemoria

36R1

memoria

26


• Traduzione binaria (in linguaggio macchina) diLOAD Y, R1

ADD 2, R1

STORE R1, X

• Prima di tutto dobbiamo decidere quale è il vero indirizzo di X e Y

01101

11100

memoria

Y

X

27


• Codifica binaria diLOAD 01101, R1

ADD 2, R1

STORE R1, 11100

• Ogni operazione si codifica secondo un formato stabilito da chi costruisce l’hw– un formato semplificato è

Codice operativo Modo 1 Op1 Modo 2 Op2

28


• Vediamo i vari campi del formato :

Codice operativo Modo1 Op1 Modo2 Op2

È la codifica dell’operazione da eseguirees:

ADD 0001LOAD 0110STORE 0111

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• Vediamo i vari campi del formato :


È la codifica primo operando, MODO1dice a cosa si riferisce OP1es:

se MODO1 = 00 l’operando è nel registro interno del processore (e OP1 è il numero del registro)se MODO1 = 01 l’operando è in memoria (e OP1 è l’indirizzo)se MODO1 = 10 l’operando è immediato, cioè OP1 è direttamente il valore dell’operando

Lo stesso vale per il secondo operando!

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• Tipicamente la codifica di una istruzione ‘ lunga come una parola o multipli della parola per poterla leggere dalla memoria in modo più efficiente :– es : con parole di 4 byte (32 bit)


2bit 2bit4bit 12bit 12bit

31


• Problema …..– es : con 12 bit posso indirizzare ‘solo’ 212 parole di

memoria centrale (RAM) !

Cioè posso avere al massimo una RAM di 4K parole … se ne ho di più (oggi si arriva tranquillamente a 512K e siamo sempre in aumento …) devo inventarmi codifiche diverse….



32


• Codifica binaria diLOAD 01101, R1

ADD 2, R1

STORE R1, 11100


MODI00 registro01 memoria10 immediatoCODICI OPERATIVIADD 0001LOAD 0110STORE 0111


0110 01 01101 00 00001 load

0001 10 00010 01 00001 add

0111 00 00001 01 11100 store

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Il processore

• Come è strutturato il processore per riuscire ad eseguire i programmi in linguaggio macchina che abbiamo appena visto ….

• Dati e programmi sono codificati in binario e risiedono in Memoria Centrale (RAM) ad opportuni indirizzi

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Il processore (2)

• Esegue il seguente ciclo ininterrottamente :1. (fetch) legge una nuova istruzione da eseguire

dalla memoria centrale

2. (decode) risale alla operazione richiesta decodificando la rappresentazione binaria

3. (execute) porta a termine l’operazione richiesta

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Il processore: struttura base

Processore

Parte controllo

PC

IR

PSW

R0

R1R2...

R16 Registri generali

ALU

Operazione

Esegui

Esito

MAR

MDR

Memoria

centrale

Bus dati

Bus indirizzi

Bus controllo

Registro/i coinvolti

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Il processore struttura base (2)• PC (program counter)

indica l’indirizzo di memoria della prossima istruzione da eseguire

• IR (Instruction register) contiene copia della codifica dell’istruzione da eseguire

• MAR, MDR (Memory Address Register, Memory Data Register)contengono l’indirizzo della cella di memoria che vogliamo

leggere/scrivere (MAR) ed i dati da/per la memoria (MDR)

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Il processore struttura base (3)• PSW (program status word)

contiene informazioni, opportunamente codificate, sull’esito di operazioni aritmetico logiche o sull’esito di operazioni di confronto e informazioni sul funzionamento della macchina (le vedremo qundo parleremo dei sistemi operativi)

• ALU (Arithmetic-Logic Unit) effettua operazioni di tipo aritmetico e logico-

booleano (+,-,and,or …)

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Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 1)

Processore

Parte controllo

40

IC

PSW

R0

R1R2...


ALU

Operazione

Esegui

Esito

MAR

MDRBus dati

Bus indirizzi

Bus controllo


000..01

40

memoria

Indirizzo della istruzione

codifica

PC

39


Processore

Parte controllo

41

IC

PSW

R0

R1R2...


ALU

Operazione

Esegui

EsitoMDRBus dati

Bus indirizzi


000..0140

memoria

Indirizzo della istruzione

codifica

PC

40

MAR

Leggi!

40


Processore

Parte controllo

41

000110000100100001

PSW

R0

R1R2...


ALU

Operazione

Esegui

Esito

Bus dati

Bus indirizzi


000..0140

memoria

PC

MAR

MDR

IC

41

Un esempio : ADD 2, R1 (dec)

Processore

Parte controllo

41

000110000100100001

PSW

R0

R1R2...


ALU

addEsegui

Esito

Bus dati

Bus indirizzi


000..0140

memoria

PC

MAR

MDR

IC

42

Un esempio : ADD 2, R1 (exe 1)

Processore

Parte controllo

41

000110000100100001

PSW

00010

R1R2...


ALU

addEsegui

Esito

Bus dati

Bus indirizzi


000..0140

memoria

PC

MAR

MDR

IC

43


Processore

Parte controllo

41

000110000100100001

PSW

00010

34R2...


ALU

addEsegui

Esito

Bus dati

Bus indirizzi


000..0140

memoria

PC

MAR

MDR

IC

44


Processore

Parte controllo

41

000110000100100001

PSW

00010

36R2...


ALUEsito

Bus dati

Bus indirizzi


000..0140

memoria

PC

MAR

MDR

IC

45

Il processore : il clock ed i GHz• I vari sotto-passi che compongono l’esecuzione di una

istruzione seguono algoritmi cablati nei circuiti della macchina

• L’esecuzione è sincrona, – cioè esiste un segnale di ‘inizio della sottooperazione’ (detto

tick, in quanto generato da un clock) riconosciuto da tutti i componenti

• La frequenza con cui viene inviato il tick è misurata in ‘numero di tick al secondo’ (Hz) – nei computer attuali 1Ghz (giga hertz), ovvero uno al

nanosecondo, o più

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Il processore : nella realtà ...• La struttura è estremamente più complessa

– ci sono più registri interni di quelli mostrati, es Stack Pointer (SP) usato per implementare le chiamate a sottoprogrammi

• Vengono eseguite più attività in parallelo:– pipelining : si eseguono fasi diverse di istruzioni

consecutive contemporaneamente (es. fetch I3, decode I2, execute I1...)

– superscalari : più istruzioni sono eseguite in parallelo (duplicazione unità funzionali)

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Il processore : nella realtà … (2)• E molto altro ancora ….

• Per chi è interessato – Patterson Hennessy. Computer Organization

and Design: The Hardware / Software Interface (3ed). Morgan and Kaufmann, 2004

48

Le memorie

• Cosa vorremmo :– una memoria veloce– abbastanza grande da contenere tutti i dati e i

programmi che servono– persistente (o non volatile) cioè capace di

mantenere il suo contenuto anche in assenza di alimentazione elettrica

– di basso costo

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Le memorie (2)

• Cosa può fare la tecnologia ?– Memorie relativamente piccole (qualche centinaio di

MB) e veloci, volatili, a costo medio alto • RAM : lettura e scrittura nell’ordine delle decine di

nanosecondi per parola

– Memorie grandi, molto capienti (decine di GB), persistenti e lente

• Dischi rigidi : lettura e scrittura nell’ordine di alcuni millisecondi per blocco (qualche KB)

• Nastri magnetici, CD ROM, DVD

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Le memorie (3)

• I computer quindi utilizzano supporti di memorizzazione di più tipi :– una memoria centrale, tipo RAM : contiene i

programmi durante la loro esecuzione ed i dati relativi

• altrimenti il processore sarebbe per la maggior parte del tempo fermo in attesa di dati da/per la memoria

– una o più memorie di massa (dischi etc.) : che mantengono tutti i dati ed i programmi in attesa di essere eseguiti (in modo persistente)

51

La memoria centrale

52

Struttura di un calcolatore (ancora!)


Processore

bus


Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O


53

Struttura di una RAM elettronica

...

Bus dati

Bus indirizzi

Bus controllo

00003

memoria

Decodificatore

1 0 1 01 0

01234

00010..000000

1 0 1 01 0

Dato letto o da scrivere

Parola :gruppo minimodi bit indirizzabili

Indirizzo

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Struttura di una RAM elettronica (2)

• La dimensione massima della RAM è data dalla dimensione della parte indirizzi del bus– al solito con N linee posso indirizzare da

0 a 2N-1

• Velocità, ordine decine di nanosecondi– ancora troppo lenta per i processori attuali (1 op

elementare al nanosecondo o più)

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Struttura di una RAM elettronica (3)E allora ? • Si usano memorie velocissime e molto piccole

realizzate con tecnologia speciale• Si usa il principio dello scaffale e della scrivania

ovvero– tengo impilati sulla scrivania i testi che sto consultando

per la mia attività corrente– se prendo un nuovo testo dallo scaffale generalmente poi

lo poso per un po’ sulla scrivania in attesa che mi serva di nuovo

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Memoria cache

Processore Cache

Memoria piccolae molto veloce

RAM

57

Memoria cache

Processore Cache

Memoria piccolae molto veloce

RAM

Tutti i dati

Copia dei dati usati di recente

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Memoria cache (2)

Algoritmo seguito:

• Il dato viene cercato prima nella cache

• Se è presente abbiamo finito (cache hit)

• Se non è presente si legge in RAM e si mette una copia nella cache (cache miss)

• Per le scritture generalmente si scrive la RAM e si aggiorna la copia se c’è

59

Memoria cache (3)

• Costo medio di un accesso :

tempo_RAM *p + tempo_cache * (1-p)

– p è un valore compreso nell’intervallo (0,1) ed esprime la probabilità che si verifichi un cache miss

– p può essere reso piccolo usando il principio di località

60

Memoria cache (4)

• Località temporalese un programma accede una parola al tempo t è

molto probabile che la stessa parola sia acceduta di nuovo a breve

• Località spazialese il programma accede all’indirizzo K è molto

probabile che anche gli indirizzi vicini siano acceduti a breve

61

Memoria cache (5)E se devo inserire un nuovo dato e non c’è più posto

nella memoria cache?– Questo accade perché le memorie cache sono molto più

piccole delle RAM (< 1MB)– La soluzione è sovrascrivere una posizione già in uso.– Ci sono diverse strategie : di solito si sovrascrive la

posizione con dati utilizzati meno di recente (strategia LRU Least Recently Used) applicando il principio di località.

– Nelle cache si usa con successo anche la Random

62

Memoria cache (6)

• I computer attuali hanno tutti 1 o più livelli di cache

• Si riesce ad approssimare la velocità della memoria più piccola e le dimensioni della memoria grande a prezzi contenuti

63

Le memorie secondarie

64

Hardware del disco (1)

Struttura di un disco rigido

Braccio (direzioni movimento)

Testine (una per superfice)

Superfici 0

1

65

Hardware del disco (2)

• Ogni superficie è divisa in tracce concentriche (una per ogni possibile posizione della testina)

traccia

settore

Unità minima diinformazione leggibile/scrivibileAmpiezza standard:512 byte

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Struttura di un settore

preambolo dati ECC

Codici correttori di errore :dati in più per accorgersi se la lettura è andata bene

dati

Permette alla testina di capire chesta iniziando un nuovo settore, fornisceil numero del settore etc

67

Sommario memorie

Tipo Dimensioni T. accesso Volatile?

Registri < 1KB < .5 ns si

Cache < 1MB < 10ns si

RAM < 1GB < 100ns si

Dischi > 50 GB 10 ms ca.

Nastri > 10 GB 100 ms ca.

No

No

CD-ROM 650 MB 10 ms ca NoCD-RW DVD 17 GB 10 ms ca No(Digital Versatile Disc)

68

Dispositivi di ingresso/uscita (I/O)

(o periferiche)

69



Processore

bus


Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O

Interfacciadi I/O


70

La connessione dei dispositivi di I/0 (periferiche)

• L’interfaccia (adapter) : – traduce i segnali interni al calcolatore in modo

comprensibile alla periferica– mantiene informazioni sullo stato della periferica

• La periferica– è connessa all’interfaccia tramite porte di I/O (mouse,

tastiera …)– oppure è integrata assieme all’interfaccia internamente

al calcolatore (dischi, schede di rete)

71

La connessione dei dispositivi di I/0 (periferiche) (2)

• Diversi tipi di porte :– seriali (i bit arrivano uno alla volta)

• mouse, modem, collegamenti wireless,IR

– parallela (tutto il byte assieme)• stampante

• Diversi standard per scambiare il segnale sui vari tipi di porte :– seriale : RS - 232C, USB, Firewire,Bluetooth– parallela : Centronics

72


Interfaccia I/O

Registro dati

Registro stato

Unità di controllo

Bus datiBus indirizzi

Bus controllo

Periferica

porta

Sottoprogramma per realizzarel’operazione richiesta

Operazione /esiti

Dati da/perla periferica

73


• Vari tipi di gestione delle interazioni con le periferiche– a controllo di programma : il processore esegue

personalmente tutti i trasferimenti dalla RAM alle periferiche e viceversa

– in DMA (Direct Memory Transfer) l’interfaccia può accedere direttamente alla RAM

• possibilità di trasferire dati mentre il processore elabora

• la periferica avverte quando ha finito attraverso una particolare linea di controllo del bus (interruzione)

74

L’hardware del Video (1)

Si usano delle schede di interfaccia speciali che effettuano tutto il calcolo necessario all’invio dei segnali analogici per il video

Parallel portSegnale analogico per il dispositivo

Scheda grafica

75

Domande ed esercizi

• È possibile far eseguire direttamente al processore un programma ad alto livello (C/Java)?

• Che differenza c’è fra linguaggio assembler e linguaggio macchina?

• Cosa contiene un file eseguibile?

• Cos’è un compilatore?

76

Domande ed esercizi (2)

• In cosa consiste il ciclo fetch, decode execute?

• Che differenza c’è fra una memoria persistente ed una volatile?

• Supponedo un hit-rate dell’80%, tempo di accesso alla cache di 1ns, e tempo di accesso in RAM di 70ns, calcolare il tempo medio di ogni accesso alla memoria.

77

Domande ed esercizi (3)

• Perché è necessario utilizzare diversi tipi di memorie all’interno della macchina?

• A cosa servono i registri PC ed IC del processore?• Come vengono collegati i dispositivi?• Fornire esempi di informazioni che vengono

inviate sui diversi gruppi di linee del bus• Costruire la tabella di verità di

– (~ a) AND (b OR c)

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