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Elementi di Informatica - Architettura del Calcolatore 1 © A. Valenzano – 1996-2002

Architettura del

calcolatore


Sommario

• Struttura del calcolatore• CPU, memoria, unità di I/0• Istruzioni e loro esecuzione• Software: linguaggi macchina, assem-

bler e ad alto livello


Schema a blocchi di un calcolatore (Von Neumann)

UNITA' DICONTROLLO

UNITA' ARITMETICA

MEMORIACENTRALE

UNITA' DIINGRESSO

UNITA' DIUSCITA


Control unit (I)• Coordina tutte le attività della macchina e

garantisce la corretta sequenza delle operazioni.

• Esegue sempre un ciclo operativo del tipo: Preleva una istruzione dalla memoria (instruction fetching);Interpreta l'istruzione analizzandone il codice operativo (instruction decoding);Genera i segnali con le tempistiche opportune per eseguire l'istruzione (instruction execution).


Control unit (II)

Contiene i seguenti elementi:• Contatore di programma (Program counter)• Registro di istruzione (Instruction register)• Registri aritmetici (condivisi con la ALU)• Flags (registri da 1 bit condivisi con la ALU)• Registri puntatori alla memoria• Registri di uso generale


Control unit (III)Esempio di control unit:

Buffer datiBuffer indirizzi

Instruction register

+1

Program counterReg. ausiliari

Registri aritmetici (ALU)

Alla/dalla memoria

Circuiti dicontrollo

addressbus

databus


Arithmetic-logic unit (I)

• Esegue operazioni aritmetiche (+,-,x,:), logiche (AND,OR,NOT) e di manipolazione di dati (shift,...) sotto il controllo della CU.

• Contiene:registri aritmetici (condivisi con la CU);flags (condivisi con la CU).

• Realizza operazioni fixed-point (sempre meno raramente anche in floating-point) in singola e (spesso) doppia precisione.


Arithmetic-logic unit (II)

Esempio di ALU:

Registro aritm. B

Sommatore

Registro aritm. A


Memoria principale• E' costituita da componenti a semiconduttore.• E' organizzata come una sequenza di locazioni

con la stessa dimensione (byte, word, long-word etc.).

• Ad ogni locazione è associato un indirizzo (po-sizione che la locazione occupa rispetto all'origine della memoria).

• Ogni locazione ha un contenuto (informazione).• Ogni locazione è accessibile in modo diretto (ran-

dom access).


Organizzazione della memoria

Dato 1Istruz. 2 (I)Istruz. 2 (II)

Dato 2Dato 3

Istruzione 1 0

21

43

5

Indirizzi

Il numero di bit di indirizzo determina il numero delle celle.Il numero di bit di dato determina la dimensione di ogni cella.

Contenuti


Tipi di memoria

• RAM (Random Access Memory)

• ROM (Read Only Memory)

• PROM (Programmable ROM)

• EPROM (Erasable Programmable ROM)

• EEPROM (Electrically Erasable ProgrammableROM)

• . . .


Gerarchia di tipi di memoria

RegistriCPU

Memoriacache

Memoriaprincipa-

le

Memoriadi massa

tipo: semicond. semicond. semicond. dischi, nastri etc.

tempo di accesso

capacità

costo


Input unit (I)

• Contiene dispositivi dedicati all'introduzione di informazioni nel calcolatore.

• Può essere pensata come costituita da 2 parti:una parte meccanica o elettromeccanica;una parte elettronica (interfaccia).

• Svolge 2 tipi di funzioni:introduzione di dati e programmi;comunicazione con dispositivi non compati-bili con il calcolatore (interfacciamento).


Input unit (II)

Esempio di Input Unit:

Parte elettronica

registro di stato

registro comandiregistro datiParte

meccanica oelettromeccanica

dati dati

alcalcolatore


Output unit

Serve ad emettere informazioni ed ha una struttura logica simmetrica alla IU:

Parte elettronica

registro di stato

registro comandiregistro dati Parte

meccanica oelettromeccanica

datidati

dalcalcolatore


Formato delle istruzioni

COD. OPERATIVO OPERANDI

E' un campo sempre pre-sente. Indica l'operazione che la CPU (CU + ALU) de-ve eseguire.

Se presenti sono costituiti da uno o più campi che con-tengono i dati su cui opera-re e/o le indicazioni neces-sarie a rintracciare i dati.


Linguaggio macchina

3E

21

43

56

0

87

3EH20H27H03H

3AH

C6H

10H20H76H

Sposta nel reg. A il dato specifi-cato

Sposta nel reg. B il dato specifi-cato

Somma i reg. A e B - risultato in A

Sposta il dato dal reg. A alla loca-zione di memoria che ha l’indiriz-zo specificato

Stop


Esecuzione del programma (1)

+1

Pr. counter

Circuitidi

controllo

Instr. register

Addr. buffer

W Z Data buffer

Registro A Registro B

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0000

Circuitidi

controllo

Instr. register

Addr. buffer

W Z Data buffer


Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0000

Circuitidi

controllo

Instr. register

0000

W Z Data buffer


Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0000

Circuitidi

controllo

Instr. register

0000

W Z 3E


Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0001

Circuitidi

controllo

3E

0000

W Z 3E


Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0001

Circuitidi

controllo

3E

0001

W Z 3E


Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0001

Circuitidi

controllo

3E

0001

W Z 20


Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0002

Circuitidi

controllo

3E

0001

W Z 20

20 Registro B

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0002

Circuitidi

controllo

3E

0002

W Z 20

20 Registro B

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0002

Circuitidi

controllo

3E

0002

W Z 27

20 Registro B

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0003

Circuitidi

controllo

27

0002

W Z 27

20 Registro B

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0003

Circuitidi

controllo

27

0003

W Z 27

20 Registro B

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0003

Circuitidi

controllo

27

0003

W Z 03

20 Registro B

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0004

Circuitidi

controllo

27

0003

W Z 03

20 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0004

Circuitidi

controllo

27

0004

W Z 03

20 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0004

Circuitidi

controllo

27

0004

W Z C6

20 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0005

Circuitidi

controllo

C6

0004

W Z C6

20 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0005

Circuitidi

controllo

C6

0004

W Z C6

20+03 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0005

Circuitidi

controllo

C6

0004

W Z C6

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0005

Circuitidi

controllo

C6

0005

W Z C6

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0005

Circuitidi

controllo

C6

0005

W Z 3A

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0006

Circuitidi

controllo

3A

0005

W Z 3A

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0006

Circuitidi

controllo

3A

0006

W Z 3A

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0006

Circuitidi

controllo

3A

0006

W Z 10

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0007

Circuitidi

controllo

3A

0006

10

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11

W 10



+1

0007

Circuitidi

controllo

3A

0007

W 10 10

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0007

Circuitidi

controllo

3A

0007

W 10 20

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11



+1

0008

Circuitidi

controllo

3A

0007

20

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11

20 10



+1

0008

Circuitidi

controllo

3A

2010

23

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 11

20 10



+1

0008

Circuitidi

controllo

3A

2010

23

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 23

20 10



+1

0008

Circuitidi

controllo

3A

0008

W 10 23

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 23



+1

0008

Circuitidi

controllo

3A

0008

20 10 23

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 23



+1

0008

Circuitidi

controllo

3A

0008

20 10 76

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 23



+1

0009

Circuitidi

controllo

76

0008

76

23 03

Sommatore

0000 3E0001 200002 270003 030004 C60005 3A0006 100007 200008 760009 ...

2010 23

20 10


Linguaggi assembler

Semplificano la codifica in linguaggio macchina di un programma. L'uso del linguaggio macchina è oneroso per:– l'ampiezza del set di istruzioni;– la difficoltà di "ricordare" codici operativi ed

indirizzi degli operandi in memoria;– la scarsa flessibilità riscontrata nella modifi-

ca/correzione dei programmi.L'assembler consente di definire in modo simbo-lico indirizzi, dati ed istruzioni.


Assemblatore

E' un programma che consente di tradurre il testo (simbolico) del programma utente in istruzioni macchina.

TextEditor

Assem-bler Linker

testo delprogramma

file sorgente(.asm)

file oggetto(.obj)

file eseguibile(.exe)


Esempio di istruzioni assembler

move A, dato1

move B, dato2

add A,B

store risul,Ahalt

define dato1 20Hdefine dato2 03H

define risul 2011H

3E 20

3F 03

C6

10 20 11

76

linguaggio macchina

linguaggio assembler


Limiti del linguaggio assembler

• "machine-dependent" (i programmi non sono "portabili");

• non è possibile definire strutture dati complesse;

• debugging del programma non agevole;• elevata probabilità di commettere errori;• scarsa "leggibilità" del programma.


Linguaggi ad alto livello (HLL)

Hanno caratteristiche complementari ai linguaggi assembler:

• "machine-independence" (o quasi !);• gestione di strutture dati complesse;• ridotta possibilità di errore;• maggior facilità di "debugging";• maggior "leggibilità" e semplicità di docu-

mentazione del s/w;• maggior produttività nello sviluppo del s/w.


Programmazione in HLL

• non occorre indicare gli indirizzi delle aree di memoria destinate a contenere le variabili;

• non occorre scrivere programmi per gestire operazioni matematiche comuni o per effettuare operazioni di I/O.

L'associazione tra nomi delle variabili e locazioni in memoria è sotto il controllo del compilatore che si occupa di tradurre le istruzioni (statement) in operazioni macchina e di richiamare gli opportuni sottoprogrammi dove richiesto.


Compilatori• Effettuano la traduzione da HLL a linguaggio

macchina.• Occorrono compilatori diversi per ogni

linguaggio e per ogni tipo di ambiente s/w (sistema operativo).

Es. di programma in linguaggio C:main(){

printf("Hello world\n");}


LinkerPermette di :• realizzare un programma suddividendolo in

moduli fisicamente indipendenti;• collegare i moduli ed i sottoprogrammi di

"libreria" utilizzati dal programma.Il linker ha funzioni di

collegamento di moduli (risoluzione dei riferi-menti).rilocazione degli indirizzi.


Esempio di uso del linker (I)

MAIN SUBR1 SUBR2

000

xxx

000 000

yyy

zzz

moduli "oggetto"compilati separatamente

call subr1

call subr2


Uso del linker (II)

MAIN SUBR1 SUBR2

000

xxx

kkk j j j

kkk + yyy

j j j + zzz

call kkk

call j j j

programma in linguaggio macchina;i moduli sono stati rilocati in memoriae sono stati "risolti" i riferimenti tra moduli


Linguaggi interpretati

La traduzione in linguaggio macchina av-viene al tempo dell'esecuzione tramite un apposito programma detto interpreter.Vantaggi:

• semplicità di debugging;• ridotta occupazione di memoria.

Svantaggi:• efficienza ridotta (ogni istruzione vie-

ne "interpretata" tutte le volte che de-ve essere eseguita).

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