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Architettura dei Calcolatori

Ing. L.Testa - Fondamenti di Informatica 2

Introduzione

Che cos’è un calcolatore? Come funziona un calcolatore?

è possibile rispondere a queste domande in molti modi, ciascuno relativo a un diverso punto di vista

in questo corso, il punto di vista prevalente è quello del calcolatore come macchina programmabile, ovvero in grado di eseguire programmi


Che cos’è un calcolatore?

“il calcolatore è un esecutore di programmi”punto di vista degli utenti finaliviene considerato l’uso del calcolatore

“il calcolatore è un sistema”punto di vista funzionaleviene considerato il suo funzionamento e la sua architettura

“il calcolatore è una macchina programmabile”punto di vista della programmazione


Calcolatori e applicazioni

Che cos’è un calcolatore?un calcolatore è una macchina programmabile, ovvero in grado di eseguire programmi

Questa definizione descrive, in parte, il punto di vista degli utenti dei calcolatori

l’utente di un calcolatore interagisce con il calcolatore attraverso una o più applicazioniuna applicazione (o programma applicativo o programma) consente di far svolgere al calcolatore una molteplicità di operazioni

ciascuna operazione di una applicazione costituisce uno strumento per l’utente dell’applicazione, da utilizzare per perseguire un certo scopo


Tipologie di applicazioni informatiche

Esistono moltissime tipologie di applicazioni per i calcolatori

dai giochi alla gestione della telefonia

dalla gestione di immagini e documenti alla possibilità di comunicare con altre persone e calcolatori

dalla gestione alla simulazione di sistemi complessi

dal supporto delle attività individuali alla gestione dei sistemi informativi di grandi organizzazioni

Fondamenti di Informatica 6

Applicazioni e risoluzione di problemi

La possibilità di poter eseguire su un medesimo calcolatore applicazioni diverse rende il calcolatore una macchina che può essere utilizzata da un utente per la risoluzione di problemi

un utente può risolvere un problema usando una applicazione e uncalcolatore se è in grado di fornire all’applicazione eseguita dal calcolatore le istruzioni dettagliate di come il problema possa essere risolto

Dal punto di vista dell’utente, con riferimento all’esecuzione di una applicazione

le istruzioni che è possibile richiedere al calcolatore di eseguire sono quelle corrispondenti alle richieste di esecuzione delle operazioni fornite dall’applicazioneciascuna applicazione può essere caratterizzata

dall’insieme delle operazioni che fornisce (e dalle regole per usarle)dalla tipologia di informazioni che permette di gestire


Uso di applicazioni

Per usare una applicazione, l’utente deve conoscere l’insieme delle operazioni che l’applicazione fornisce, comprenderne il significato e saperne richiedere l’esecuzione

la capacità di comprendere e usare una applicazione è abbastanzaindipendente dalla comprensione del funzionamento del calcolatore

è utile comprendere i principi e i meccanismi su cui è basata l’interazione con il calcolatore, e in particolare l’organizzazione e l’uso delle interfacce grafiche


Applicazioni e interfacce

Una applicazione viene utilizzata tramite la sua interfaccia utente

l’interfaccia di una applicazione è il mezzo di interazione tra l’utente (utente dell’applicazione) e il calcolatore (esecutore dell’applicazione)in generale, le applicazioni moderne dispongono di interfacce utente grafiche (GUI)

l’interazione con una GUI avviene ad esempio selezionando menu e bottoni con il mouse

alcune applicazioni sono basate su una interfaccia a caratteri

in questo caso, l’interazione può avvenire mediante la digitazione di una sequenza di comandi


Interazione con una applicazione

L’uso di una applicazione richiede la comprensionedelle operazioni che l’applicazione permette di eseguire

della corrispondenza tra gli elementi dell’interfaccia dell’applicazione e i dati e le operazioni

della modalità di richiesta dell’esecuzione di ciascuna operazione


Architettura dei calcolatori

Che cos’è un calcolatore? Come funziona un calcolatore?un calcolatore è un sistemaun sistema è un oggetto costituito da molte parti (componenti) che interagiscono, cooperando, al fine di ottenere un certo comportamento

Studiare l’architettura di un sistema vuol direindividuare ciascun componente del sistemacomprendere i principi generali di funzionamento di ciascun componentecomprendere come i vari componenti interagiscono tra di loro


Hardware e software

La prima decomposizione di un calcolatore è relativa alle seguenti macro-componenti:hardware

la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici ed elettromeccanici

softwarel’insieme dei programmi che consentono all’hardware di svolgere dei compiti utiliil software comprende il software di base (tra cui il sistema operativo) e il software applicativo


Organizzazione a livelli

Hardware e software sono organizzati a livelli (o strati)

ciascun livello corrisponde a una macchina (reale o virtuale) in grado di eseguire un proprio insieme di operazioni

ciascun livello fornisce un insieme di operazioni più semplici da utilizzare rispetto a quelle del livello sottostante

ciascun livello è realizzato in termini dell’insieme di operazioni fornite dal livello immediatamente sottostante

Software applicativo

Software di base

Hardware


Software e macchine virtuali

In generale, il software ha lo scopo di mostrare ai suoi utenti il calcolatore come una macchina virtuale più semplice da usare rispetto all’hardware che viene effettivamente utilizzato

per macchina virtuale si intende una macchina che fisicamente non esiste nella realtà, ma di cui si può avere la sensazione dell’esistenzail software di base ha lo scopo di mostrare all’utente il calcolatore come una macchina virtuale più semplice da gestire eprogrammare rispetto all’hardware utilizzatoil software applicativo mostra all’utente il calcolatore come una macchina virtuale che può essere utilizzata per la risoluzione di problemi

il software applicativo viene realizzato in termini della macchina virtuale mostrata dal software di base, e dipende solo parzialmente dall’hardware utilizzato


Organizzazione a livelli

Nell’organizzazione a livelli, l’hardware è l’unica macchina reale, mentre gli strati software corrispondono a macchine virtuali

il repertorio di operazioni (chiamate istruzioni) che l’hardware sa eseguire direttamente è chiamato linguaggio macchina del calcolatore

il linguaggio macchina è composto da istruzioni estremamente elementari, ma che il calcolatore sa eseguire in modo molto efficiente

le diverse macchine e i relativi insiemi di operazioni sono via via più astratti

nel senso che il significato di ciascuna operazione è sempre più vicino alla logica dell’utente e più lontano dalla logica del calcolatore come dispositivo elettronicoè per questo motivo che sono via via più semplici da usare

le diverse macchine sono comunque ugualmente espressivealla fin fine, l’unico responsabile dell’esecuzione del software è comunque l’hardware disponibile


Tipologie di calcolatori

Esistono diversi tipi di calcolatori:Personal computer

Dotati di monitor e tastiera separati dall’unità centraleDotati di diversi dispositivi di memoria di massa interni o esterni all’unità centrale

Notebook (portatile)Versione portatile del personal computerUsualmente dotata di caratteristiche (leggermente) inferiori in termini di potenza di calcolo e memorizzazioneIn alcuni casi la differenza è solo in espandibilità vs portabilità

Handheld computer / PDA / SmartPhoneDi dimensioni limitateUsualmente privi di memorie di massa tradizionali

Sensori intelligentiOggi la tendenza è di avere sistemi sempre più piccoli e integrati


Tipologie di calcolatori

WorkstationVersione “potente” del personal computerOrientate alle applicazioni grafiche o CADSpesso condivise da più utenti

Mainframe e minicomputerIn passato denotavano calcolatori di elevata potenza di calcolo e memorizzazioneOrientati all’elaborazione dati per l’intera aziendaCondivisibili da più utenti (anche contemporaneamente)

ClusterSistemi di calcolo basati sull’aggregazione di più macchineUtilizzati per applicazioni computazionalmente pesanti

Calcolo numerico, simulazioni, etc


Architettura del calcolatore:il modello di Von Neumann

Data la diversità di dispositivi e la complessità dell’architettura hardware di un calcolatore reale, serve un modello comune:

Tutte le diverse tipologie di calcolatori sono accomunate dalla medesima architettura logica

Macchina di Von Neumann: modello semplificato dei calcolatori moderni

Von Neumann è stato il progettista (intorno al 1945) del primo calcolatore in cui i programmi potevano essere memorizzati anziché codificati mediante cavi e interruttori


La macchina di Von Neumann

La macchina di Von Neumann è composta da quattro tipologie di componenti funzionali fondamentali:

unità centrale di elaborazione (CPU)componente in grado di eseguire istruzioni per l’elaborazione dei datisvolge anche funzioni di controllo (ovvero, di coordinamento) delle altre componenti funzionali

memoria centralememorizza e fornisce l’accesso a dati e programmi

interfacce di ingresso e uscita (I/O)componenti di collegamento con le periferiche del calcolatorele periferiche sono dispositivi (esterni al calcolatore) che consentono lo scambio di dati tra calcolatore e utente

bussvolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali


La macchina di Von Neumann


Funzionalità nella macchina di Von Neumann

Il funzionamento di un calcolatore può essere quindi descritto in termini di poche componenti (macro-unità) funzionali

ciascuna macro-unità è specializzata nello svolgimento di una tipologia omogenea di funzionalità, ad eccezione dell’unità centrale di elaborazione, che svolge sia funzionalità di elaborazione che dicontrollo


Funzionamento (in sintesi) della macchina di Von Neumann

Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegueLe istruzioni possono comportare operazioni di manipolazione deidati

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 detto clock

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

L’intera macchina opera in maniera sequenziale


Rappresentazione delle informazioni

Lo scopo fondamentale di un calcolatore è di permettere l’elaborazione di informazioni

le informazioni sono rappresentate sotto forma di datiun dato è una informazione elementare

I dati che un calcolatore sa rappresentare ed elaborare direttamente sono molto semplici

i dati vengono rappresentati nel calcolatore mediante delle codifiche binarie (che studieremo in seguito)


Elaborazione

Le istruzioni del linguaggio macchina di un calcolatore corrispondono ad operazioni elementari di manipolazione dei dati

operazioni aritmetichesomma, prodotto, ...

operazioni relazionali (confronto tra dati)

operazioni su caratteri e valori di verità

altre operazioni numerichecalcolo di logaritmi, funzioni trigonometriche, ...

Un calcolatore sa dunque svolgere poche tipologie di operazioni elementari

ma le sa eseguire in modo molto efficiente

un calcolatore può eseguire decine o centinaia di milioni di istruzioni del linguaggio macchina al secondo

L’elaborazione dei dati viene svolta dall’unità aritmetico-logica (ALU), che è un componente dell’unità centrale di elaborazione


Memorizzazione

Un calcolatore ha la necessità di memorizzare, in modo temporaneo o permanente, i dati per la rappresentazione delle informazioni diinteresse e i programmi per la loro elaborazione

La memoria è l’unità responsabile della memorizzazione dei datiuna unità di memoria è organizzata in celle

a ciascuna cella è associato un indirizzo, che la identifica

ciascuna cella è in grado di memorizzare un singolo dato

Una unità di memoria fornisce due sole operazioni

memorizzazione di un valore in una cella (scrittura)dato un valore da memorizzare e l’indirizzo di una cella, memorizza il valore nella cella, modificando pertanto lo stato della memoria

accesso al valore memorizzato in una cella (lettura)dato l’indirizzo di una cella, restituisce il valore memorizzato nella cella


Trasferimento

Il bus è il componente del calcolatore dedicato al trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo tra le varie parti del calcolatore

il bus è l’insieme dei collegamenti su cui vengono trasferiti i dati e i segnali di controllo in un calcolatore

L’idea alla base del bus è la seguentenel calcolatore è necessario collegare tutti i componenti tra di loro (per permettere lo scambio di dati tra componenti)ci sono due modalità per collegare un insieme di componenti

collegare ciascun componente con ogni altro componentecollegare tutti i componenti a un unico insieme di linee (il bus, appunto)

l’uso del bus favorisce la modularità e l’espandibilità del calcolatore


Controllo

Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall’unità di controllo

l’unità di controllo è un altro componente dell’unità centrale di elaborazione

ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall’unità di controllo

Caratteristiche dell’attività di controllo svolta dall’unità di controllo

il controllo avviene in modo sincrono rispetto alla scansione temporale imposta dall’orologio di sistema (clock)

il controllo consiste nel coordinamento dell’esecuzione temporale delle funzioni che devono essere svolte sia internamente all’unità di elaborazione che negli altri elementi funzionali


Unità centrale di elaborazione (CPU)

L’unità centrale di elaborazione (o processore) è composta dall’unità di controllo e dall’unità aritmetico-logica

l’unità centrale di elaborazione controlla l’esecuzione di un programma (memorizzato in memoria centrale sotto forma di una sequenza di istruzioni del linguaggio macchina) eseguendo ordinatamente le istruzioni del programma


Periferiche e interfacce di ingresso-uscita

Un calcolatore può essere collegato a diversi dispositivi di ingresso e/o uscita (chiamati periferiche)

ad esempio, la tastiera, il mouse, lo schermo, le stampanti, il modem

anche le memorie di massa (ad esempio, le unità disco e il lettore di CD-ROM) sono considerati periferiche

Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte del calcolatore

ogni periferica viene controllata mediante un’opportuna interfaccia

una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa


Tecnologia dei calcolatori

La conoscenza dell’architettura della macchina di VonNeumann ci consente di studiare alcuni aspetti tecnologici relativi all’hardware dei calcolatori

Vengono ora introdotti alcuni principi di funzionamento e alcune caratteristiche tecnologiche dei componenti effettivamente utilizzati nei calcolatori


Codifica dei dati

In un calcolatore, i dati (e le istruzioni) sono codificati in forma binaria, ovvero mediante delle sequenze finite di cifre 0 e 1

il bit la più piccola unità di informazione in un calcolatoreun bit può avere valore 0 oppure 1la parola “bit” è una forma contratta per binary digit (cifra binaria)

ciascun bit è memorizzato da una cella elementare di memoria, fisicamente realizzata da un dispositivo elettronico in cui sonochiaramente distinguibili due stati

questi due stati vengono fatti corrispondere allo 0 e all’1

Un bit è una unità di informazione troppo piccola per essere usata individualmente

i dati vengono codificati sotto forma di sequenze di bitciascuna sequenza di bit può essere interpretata come un dato solo se viene opportunamente decodificata


Unità centrale di elaborazione (CPU):il microprocessore

L’unità centrale di elaborazione è solitamente realizzata fisicamente sotto forma di microprocessorei microprocessori sono dispositivi elettronici estremamente complessi


Unità centrale di elaborazione (CPU):il microprocessore – qualche esempio…

0.250.13

9.500.00044.000.000

450 MHz1,4 GHz

1999Pentium III

0.1890 nm

42.000.000169.000.000

1,4 GHz3,73 GHz

2001Pentium 4

0.350.25

7.500.00019.000.000

233-533 MHz1997Pentium II

0.80.35

3.100.0003.300.000

60-200 MHz1993Pentium

10.6

1.200.0001.600.000

25-100 MHz198980486

329.0005-10 MHz19788086

Tecnologia(micron)

N. TransistorsFrequenza(Hz)

AnnoProcessore


Unità centrale di elaborazione (CPU):Schema architetturale (semplificato)


Unità centrale di elaborazione (CPU):Componenti

Unità di controllo (UC)Unità aritmetico-logica (ALU)Bus internoRegistri

PC program counterContiene l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire

IR instruction registercontiene l’istruzione che deve essere eseguita

MAR registro di indirizzamento memoriaindirizzo della cella di memoria che deve essere acceduta o memorizzata

MDR registro dati di memoriadato che è stato acceduto o che deve essere memorizzato

Registro di stato (o dei flag)contiene informazioni sull’esito delle operazioni eseguite

Registri genericiper la memorizzazione degli operandi o del risultato di una operazione


Unità centrale di elaborazione (CPU):Funzionamento

L’unità di centrale di elaborazione esegue una istruzione svolgendo le seguenti tre operazioni di base

(lettura) fetchlegge dalla memoria la prossima istruzione da eseguire

(decodifica) decodeDetermina (decodifica) il tipo di istruzione che deve essere eseguito

(esecuzione) executerichiede lo svolgimento di tutte le azioni necessarie per l’esecuzione dell’istruzione (compreso l’incremento automatico del registro contatore delle istruzioni) — ciascuna azione viene richiesta al componente opportuno

L’esecuzione di un programma avviene eseguendo ordinatamente le istruzioni del programma,

svolgendo ripetutamente il ciclo fetch-decode-execute


Unità centrale di elaborazione (CPU):Funzionamento - 1

L’esecuzione di un programma ha inizio con il caricamento della locazione della prima istruzione nel PC

La UC manda un segnale di controllo affinché il contenuto del PC sia spostato nel MAR

Viene inviato un segnale di controllo (read) alla memoria per effettuare la lettura del dato posto all’indirizzo specificato nel MAR

In conseguenza del passo precedente il dato viene reso disponibile nel MDR (la UC attende fino all’arrivo del segnale MFC - memory function completed)


Unità centrale di elaborazione (CPU):Funzionamento - 2

La UC manda un segnale di controllo affinché il contenuto del MDR (registro dati) sia spostato nel IR (registro istruzione corrente)

La UC decodifica l’istruzione corrente

La UC genera la sequenza di segnali di controllo necessari ad eseguire l’istruzione (vedi esempio slide successiva)

Il PC viene incrementato al fine di puntare alla prossima istruzione


Unità centrale di elaborazione (CPU):Funzionamento – 3 (esempio)

La UC genera la sequenza di segnali di controllo necessari ad eseguire l’istruzione

Esempio: caricamento di un dato presente in memoria nel registro A

Il valore del PC incrementato di 1 viene spostato nel IR (registro indirizzi)

Viene inviato un segnale di controllo (read) alla memoria per effettuare la lettura del dato posto all’indirizzo specificato nel IR

In conseguenza del passo precedente il dato viene reso disponibile nel registro dati MDR (la UC attende il segnale MFC)

La UC manda un segnale di controllo affinché il contenuto del registro dati MDR sia spostato nel registro A


Unità centrale di elaborazione (CPU):Tipologia di istruzioni eseguibili

Le istruzioni eseguite dal processore possono essere classificate in tre categorie principali:

Istruzioni aritmetiche/logicheSomme, sottrazioni, moltiplicazioni, divisioni, etc.And, or, minore, maggiore

Istruzioni di salto (... condizionale, chiamate a sottoprogramma)

Istruzioni di trasferimento dei datiDa un registro all’altroDa uno dei registri alla memoria o viceversa


Esempio: Fase di fetch

0000000000PC

MAR

0100000000010000

Memoria centrale (MM)

0

MDR

1023

IR

0000000000

0100000000010000

0100000000010000

0000000001

Passo 1 Passo 2

Passo 3

Passo 4


Esempio: Fase di decode

0100000000010000IR

Codice operativo 0100 = scrivi il registro B in memoria


Esempio: Fase di esecuzione

MAR

Memoria centrale (MM)

0

MDR

1023

0001000000011111B

0100000000010000IR 16

Valore del registro B (es. 4127)

Indirizzo operando00000010000 = cella 16

0000010000

0001000000011111

0001000000011111

Passo 1

Passo 2

Passo 3


Unità centrale di elaborazione (CPU):le interruzioni (interrupt)

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 (interrupt)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

Quando la procedura di gestione delle interruzioni termina lo stato del processore viene ripristinato ed il programma viene ripreso


Unità centrale di elaborazione (CPU):caratteristiche dei microprocessori

Caratteristiche principali di un microprocessorerepertorio di istruzioni

le istruzioni del linguaggio macchina del processorevelocità (misurata come frequenza del clock)

la frequenza del clock misura la durata del ciclo macchina, che è l’unità di tempo all’interno del processoreva osservato che l’esecuzione di ciascuna istruzione richiede solitamente più cicli macchina

ampiezza del busnumero di bit nel bus interno del processore

co-processorei moderni processori sono integrati a co-processori specializzati (ad esempio, il co-processore matematico)

cacheuna memoria veloce locale al processore, che consente una accelerazione nell’esecuzione dei programmi


Il bus di sistema

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

Approccio master-slave

CPU = master

Periferiche = slave


Il bus di sistema

Il bus è suddiviso in tre insiemi di linee:Bus dati

utilizzato per trasferire dati (es. fra memoria e CPU, fra CPU einterfacce di I/O)

Bus indirizziidentifica la posizione delle celle di memoria un cui la CPU va a scrivere o leggere

Bus di controlloin cui transitano i segnali di controllo che consentono di selezionare le unità coinvolte in un trasferimento dati (sorgente e destinazione), di definire la direzione dello scambio (scrittura o lettura), informazioni di temporizzazione


Il bus di sistema: vantaggi e svantaggi

Semplicità: 1 sola linea di connessione per qualunque # di dispositivi

Estendibilità: nuovi dispositivi possono essere aggiunti tramite un’interfaccia al bus senza influenzare l’HW preesistente

Standardizzabilità: definizione di normative che consentono a periferiche di costruttori diversi di interagire correttamente

Lentezza: l’uso in mutua esclusione del bus inibisce almeno parzialmente la parallelizzazione delle operazioni di trasferimento di dati tra dispositivi

Limitata capacità: al crescere del numero di dispositivi la presenza di una sola linea comporta un limite alla capacità di trasferire dati

Sovraccarico della CPU: l’unità centrale viene coinvolta in tutte le operazioni di trasferimento di dati


La memoria centrale

La memoria centrale (o principale) è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acceduti i dati e i programmi

Una memoria:si compone di una sequenza di celle (o locazioni)ogni cella di memoria è in grado di memorizzare una parola di memoria (ovvero, un sequenza di bit di lunghezza fissata)

la lunghezza di una parola dipende dalla macchina

ogni cella è caratterizzata daun indirizzo, che è un numero che identifica la cella e ne consente l’accessoun valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella fornisce le operazioni di lettura e scrittura


La memoria centrale: schema semplificato


La memoria centrale: caratteristiche

Caratteristiche principali:

capacitàil numero di bit che possono essere memorizzati, misurati in byte (e multipli del byte)

velocità di accessomisura la velocità di esecuzione delle operazioni di lettura/scrittura

organizzazione/lunghezza parola

volatilitàIndica la capacità o meno di mantenere le informazioni memorizzate in mancanza di alimentazione elettrica (RAM, ROM)


La memoria centrale: RAM e ROM

Spesso ci si riferisce alla memoria centrale come memoria RAMRAM Random Access Memory (memoria ad accesso casuale)Viene cosi detta una memoria il cui tempo di accesso sia indipendente dall’indirizzo della parola alla quale si vuole accedereSi tratta di una memoria volatileI dati possono essere sia letti che scritti

Altri tipi di memoria presenti in un calcolatore sono le memorie ROMROM Read Only MemoryHanno caratteristiche generali simili alle RAMUn tempo di accesso notevolmente maggioreSi tratta di memorie permanentiI dati possono essere solamente lettiSono tipicamente utilizzate per memorizzare quei dati e programmi che servono al momento dell’accensione dell’elaboratore, prima del caricamento del S.O.


Memoria vs CPU

Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie L’aumento di integrazione ha consentito di progettare CPU pipelined, superscalari, molto velociNelle memorie è aumentata più la capacità che la velocità

L’accesso alla memoria passa attraverso il busLa frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa di quella della CPUGran parte delle istruzioni eseguite sono di accesso alla memoria

Esempio:Il tempo di accesso alla RAM è di ~30-70 nsUn processore con clock ad 1Ghz esegue in media 1 istruzione ogni ns

Se un processore deve accedere alla memoria, si blocca per molto tempo in attesa dei dati

La velocità effettiva del sistema computer è quella della memoria, non quella della CPULa memoria è un “collo di bottiglia” per le prestazioni del sistema computer

Migliorare la velocità di accesso alla memoria significa migliorare notevolmente le prestazioni d’insieme


Gerarchie di memorie

Memorie di gran capacità, relativamente lente, economiche ed accessibili tramite il bus

MGL ovvero Memoria Grossa e Lenta

Memorie veloci integrate nello stesso chip della CPU ma costose

MPV ovvero Memoria Piccola e Veloce

Obiettivo: Realizzare una memoria grossa e veloceDimensioni: pari a circa quelle della memoria grossaPrestazioni: pari a circa quelle della memoria veloce

E’ possibile realizzare questo obiettivo?


Gerarchie di memorie

Memoria formata da una MPV e da una MGL

La MPV contiene una copia di alcune celle della MGL

Quando la CPU chiede una particolare cella di memoria la richiesta va ad entrambe le memorie

Se il dato si trova nella MPV viene passato direttamente alla CPU

Se il dato si trova nella MGL viene anche caricato nella MPV


Principio di località

Località spazialeQuando si accede ad un indirizzo A è molto probabile che gli accessi successivi richiedono celle vicine ad A

Le istruzioni del codice vengono in genere lette da locazioni consecutive in memoriaGli accessi ad array o a strutture dati sono “vicini”

Località temporaleQuando si accede all’indirizzo A, è molto probabile negli accessi successivi si richieda di nuovo la cella A

Cicli di istruzioni accedono ripetutamente alle stesse locazioni di memoriaIstruzioni vicine tendono ad utilizzare le stesse variabili


Memoria cache

CPUregistri

Memoria cachedi livello 1 (L1)

Memoria cachedi livello 2 (L2)

Memoria centraleRAM

Memoria di massaHard disk

velocità capacità Costo (€/bit)

alta

bassa alta

altobassa

basso


Memoria cache

Denominazione Capacità Tempo di accesso

Registri < 1 KB < 1 nsCache di livello 1 2 KB – 64 KB 1 nsCache di livello 2 256 KB – 2 MB 2 nsMemoria centrale 256 MB – 2 GB 10 nsHard Disk 40 GB –300 GB 10 ms


Memoria cache

La presenza di una memoria cache efficiente (che, cioè, risponde “al posto della RAM” nel 95-98% dei casi) è fondamentale per le prestazioni del sistema computer

La presenza della cache complica notevolmente l’architettura di un sistema di elaborazione

Problema del rimpiazzoProblema della scrittura (coerenza dei dati)


L’interfaccia delle periferiche

Concettualmente si occupa della gestione dello scambio di dati tra processore e periferiche

In generale contiene:Un registro dati della periferica (RDP)

Un registro di comando della periferica (RCP)

Un registro di statoTalvolta collegato al registro delle interruzioni del processore

A seconda del processore, i registri delle periferiche possono:

Condividere lo spazio di indirizzi della memoria (memory mapped I/O)

Adottare uno spazio di indirizzi distinti


L’interfaccia delle periferiche: schema

Bus dati

Bus indirizzi

Bus di controllo

Decodificatoredegli indirizzi

Circuiti dicontrollo

Registri dei datie di stato Interfaccia di I/O

Periferica


L’interfaccia delle periferiche: standardizzazione

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

Interfaccia PS2

Interfaccia USB (Universal Serial Bus)

Interfaccia parallela Centronix

Interfaccia ISA

Interfaccia SCSI

Interfaccia EIDE


Gestione delle periferiche

I moderni processori operano a velocità notevolmente maggiori di ogni altra periferica

sorge la necessità di sincronizzare le operazioni di processore e periferiche

Due approcci possibili:

a controllo di programma (polling)o mediante interrupt

La gestione a polling: un esempio di lettura da memoria di massaIl processore invia sul bus il comando di lettura e si pone in attesa che il dato sia disponibile sul registro dati della periferica

Durante l’attesa il processore esegue un ciclo verificando il valore del registro di stato della periferica

Appena il dato è pronto il processore lo trasferisce dal registro dati della periferica in uno dei suoi registri interni e da qui in memoria


Gestione delle periferiche

Difetti dell’approccio a polling

Il processore resta impegnato in un ciclo in attesa del dato

La gestione a interrupt: un esempio di lettura da memoria di massaIl processore invia sul bus il comando di lettura e procede nelle sue operazioni

Quando il dato è disponibile la periferica “solleva” un interruzione

Il processore interrompe le sue operazioni, salva il proprio stato ed esegue una opportuna routine di gestione delle interruzioni (parte del S.O.)

La routine di gestione delle interruzioni verifica che un dato è disponibile sulla periferica e lo trasferisce dal registro dati della periferica in uno dei registri interni del processore e da qui in memoria


Tipologie di periferiche

Memorie secondarie (di massa)Floppy disk, hard disk, CD, DVD, Nastri magnetici

Periferiche di inputTastiera, mouse

Periferiche di outputMonitor, speaker, stampanti

Periferiche di comunicazioneInterfaccia di rete, modem

VarieScanner, webcam, microfoni, etc


Memorie secondarie (o di massa)

Con il termine memoria di massa ci si riferisce ad un dispositivo di memorizzazione permanente capace di contenere grosse quantità di dati

Caratteristiche specifiche (che la differenziano dalla memoria centrale):non volatilità

i dati memorizzati non vengono persi allo spegnimento del calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica anziché elettronica)

grande capacitàuna unità di memoria secondaria ha capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale

bassi costiil costo per bit di una memoria secondaria è minore (di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale

bassa velocità di accessoi tempi di accesso a una memoria secondaria sono maggiori (di qualche ordine di grandezza) rispetto alla memoria principale


Memorie secondarie (o di massa)

Esiste un numero grandissimo di dispositivi di tale tipo

Possibili categorizzazioniDispositivi ad accesso sequenziale o casualeDispositivi in sola lettura (RO), in lettura e scrittura (RW) o WORM (Write Once Read Many)Dispositivi magnetici, ottici o magneto-ottici

Dimensioni tipiche delle principali memorie di massa odierneFDD: 1.44 MBCD: 650 MBDVD: 4 GBHard-Disk: 80+ GBNastri: QIC80: 350 MB, DAT 4¸20+ GB


Memorie secondarie

In pratica, i dati di una memoria secondaria per essere acceduti dal processore devono comunque transitare nella memoria centrale

la memoria secondaria memorizza tutti i programmi e i dati del calcolatore

la memoria centrale memorizza i programmi in esecuzione e i dati necessari per la loro esecuzione


Hard disk

Un disco magnetico (disco fisso) è composto da uno o più piatti di alluminio rotanti ricoperti di materiale magnetico e da un gruppo di testine

una testina permette la scrittura e lettura di bit su un disco, memorizzati sotto forma di stati di polarizzazione (positiva e negativa)


Hard disk

In un disco magneticociascun piatto è composto da due superfici (facce)ciascuna faccia è suddivisa in tracce(circolari) e settori (a spicchio)

un cilindro è l’insieme delle tracce in una data posizione radiale

i settori sono le unità logiche di memorizzazione

la capacità di un settore è tipicamente di 512 byte

l’indirizzo di un settore è dato dalle seguenti informazioni: cilindro, superficie, settore


Hard disk: caratteristiche prestazionali

Caratteristiche prestazionali di un HDTempo di posizionamento (seek time): il tempo necessario a posizionare le testine sulla traccia richiesta

Nell’ordine di 8-10 ms

Tempo di latenza o di rotazione (latency time): il tempo affinché il settore richiesto “passi” sotto la testina (dipende dalla velocità di rotazione del disco)

Nell’ordine di 2-4 ms

Tempo di trasferimento: il tempo per trasferire i dati dal disco alla memoria

In genere trascurabile

Tempo di accesso (la somma dei tre tempi precedenti)


Hard disk: esempi

Il disco WD Caviar SE16 (SATA)Caratteristiche costruttive

Number of Heads (Physical) 6 Capacity 250 GB Number of Platters 3 Bytes Per Sector 512

Caratteristiche prestazionaliRotational Speed 7,200 RPM Average Latency4.20 ms Seek Times

Read Seek Time 8.9 ms Write Seek Time 10.9 ms (average) Track-To-Track Seek Time 2.0 ms (average)

Transfer Rates Buffer To Host (Serial ATA) 300 MB/s (Max) Buffer To Disk 748 Mbits/s (Max)

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