Architettura dellelaboratore Claudia Raibulet [email protected].

Architettura dell’elaboratoreArchitettura dell’elaboratore

Claudia Raibulet

[email protected]

ACCOUNTACCOUNT Per poter accedere ai computer durante il laboratorio di

informatica e’ richiesto un ACCOUNT In uno dei laboratori che si trovano in U1, U2, U3… chiedere

un account per poter accedere ai computer dei laboratori Orario dei laboratori si trova sul sito:

• www.lib.unimib.it I lab si trovano in:

• U1 – Lab 101 e Lab 111

• U2 – Lab 221

• U3 – Lab 311

• U5 – Lab 521

Nuovo orario laboratorioNuovo orario laboratorioTURNO ATURNO A

Lunedi’ 22 maggio 14.00 – 18.00 (4h) Lunedi’ 29 maggio 14.00 – 18.00 (4h) Lunedi’ 5 giugno 9.30 – 13.30 (4h) Venerdi’ 16 giugno 14.00 – 18.00 (4h) Lunedi’ 19 giugno 9.30 – 13.30 (4h) Lunedi’ 26 giugno 9.30 – 13.30 (4h)

Nuovo orario laboratorioNuovo orario laboratorioTURNO BTURNO B

Martedi’ 23 maggio 14.00-17.00 (3h) Mercoledi’ 24 maggio 13.30-16.30 (3h) Lunedi’ 29 maggio 09.30-12.30 (3h) Lunedi’ 05 giugno 13.30-16.30 (3h) Venerdi’ 09 giugno 09.30-13.30 (4h) Venerdi’ 16 giugno 09.30-13.30 (4h) Venerdi’ 23 giugno 09.30-13.30 (4h)

Struttura funzionale dell’elaboratoreStruttura funzionale dell’elaboratore Moduli principali:

Memorizzazione Elaborazione

Acquisizione-comunicazione di dati(comunicazione con il

mondo esterno)

Unità di memoria Unità di elaborazione

Unità di input e unità di output

canali di comunicazione

Scopo:Scopo: Esecuzione di programmi

Architettura dell’elaboratoreArchitettura dell’elaboratoreMacchina di Von NeumannMacchina di Von Neumann

Moduli principali:

• CPU (Central Processing Unit) – il processore, l’unita’ di elaborazione

o Unita’ di Controllo (CU)o Unita’ Aritmetico Logica (ALU)o Registrio Clock

• Memoriao Tipi di memoria: RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only

Memory), cache, di massa (hard disk)

• Bus di sistema

• Periferiche - Unita’ di I/Oo Tastiera (input), video (output), stampante (output), lettore ottico

(input)


Unità diElaborazione

(CPU)

MemoriaCentrale

(CM)

InterfacciaPeriferica P1

InterfacciaPeriferica P2

Bus di sistema

Memoria di massa,stampante, terminale…

Esecuzione istruzioni

Collegamento

Memoria di lavoro


video

stampante

tastiera

Dispositivi di I/O

Memoria centrale

Unità di controllo

(UC)

Unità aritmetico logica (ALU)

Registri

CPU

Bus di comunicazione (collegano le unità

funzionali del calcolatore)

Celle di memoriaindirizzo delle celle

Bus esterni

Bus interni


contiene la CPU e i circuiti di controllo

Memoria di massa

Memoria

Memoria cache

Tra la CPU e la memoria centrale

Periferiche

La scheda madreLa scheda madre Fa da supporto e connessione a tutte le componenti interne

dell’elaboratore Contiene dispositivi di controllo delle varie parti Svolgono anche funzioni audio, video e di rete (specialmente

nei PC di marca) Sulla scheda madre si

inseriscono come componenti separati il microprocessore, la RAM e le varie schede di espansione

Si trovano anche i collegamenti per l’hard disk e i dischi mobili

CPUCPU

Contiene dispositivi elettronici in grado di acquisire, interpretare ed eseguire le istruzioni di un programma

Funzioni principali della CPU:• preleva le istruzioni di un programma dalla memoria

del calcolatore e le esegue

• legge e scrive dati dalla/nella memoria contrale e li elabora sulla base del programma in fase di esecuzione

• riceve ed invia dati dalle/alle periferiche e li elabora sulla base del programma in fase di esecuzione

Struttura della CPU (processore)Struttura della CPU (processore) L’unita’ piu’ complessa del calcolatore Costituita da:

• Unita’ di controlloo legge le istruzioni dalla memoriao determina il tipo dell’istruzioneo genera i segnali di controllo che provocano i trasferimenti o le

collaborazioni necessarie per l’esecuzione dell’istruzione corrente

• Unita’ aritmetico logicao Esegue le operazioni aritmetiche e logiche

• Clocko Sincronizza le operazioni rispetto ad una data frequenza

• Registrio Elementi di memoria ad alta velocita’ o Memorizzano risultati parziali o informazioni necessarie al controlloo Due tipi di registri: generici e di uso specifico

CPUCPUBUS interno

del Processore

PC

MAR

MDR

Y

IR

Decodificatoredelle

Istruzioni

Z

ALU

R0...........

R31

TEMP

Comandi ALU(dall’Unità di Controllo)

Riporto inIngresso

(dall’Unità di Controllo)

AddSub

XOR

Campi dell’Istruzione(all’Unità di Controllo)

BUS delCalcolatore

Indirizzi Dati

32

32

32

32

3232

32

32

32

32

16

32

32

32

32

32

32

32 32

1

1

A B

C

PC – program counter (contatore di programma)

IR – instruction register (registro delle istruzioni)

MAR – memory address register (registro di indirizzamento della memoria)

MDR – memory data register (registro dati di memoria)

TEMP – temporary register PSW – program status word

Segnali di controllo del processoreSegnali di controllo del processore

Schema logico di (parte del) processore, con il flusso di dati e le relative porte di lettura/scrittura, con i segnali di controllo

BUS internodella CPU

Ri

Y

Z

ALUComandi

ALU

Carry-in(riporto iningresso)

AddSub

XOR

Riin

Riout

Yout

Yin

Zout

Zin

32

32

32

3232

32

32

32

1

1

1

1

1

1

1

porta di scrittura

porta di letturaUnità diControllo

Campi dellaIstruzione

BUS di Controllodel Calcolatore

Clear Y

A B

C

1

ReadWrite

WMFCWPFC

Elementi base dell’architetturaElementi base dell’architettura Transistor

• Rappresenta l’elemento base degli attuali elaboratori elettronici digitali

• E’ di piccole dimensioni

• Ha un basso consumo di energia

• Alta velocita’ di funzionamento (milioni di operazioni al secondo)

Chip• Nei chip i transistor sono stampati su fogli di silicio -> in pochi

millimetri quadrati risiedono migliaia/milioni di transistor

Microprocessore• E’ un circuito (chip) ad altissimo grado di integrazione in cui risiedono

tutte le funzioni tipiche dalle CPU

MemoriaMemoria Nella memoria vengono rappresentate e memorizzate le

informazioni:• dati e istruzioni

Come? In che formato? ->problema della rappresentazione dell’informazione

Unita’ di informazione: BIT (binary digit) Perche’ il bit? -> i dispositivi fisici dell’elaboratore lavorano su

segnali elettrici con due valori di tensione significativi: alto e bassoSituazione fisica Rappresentazione logica

Valore di tensione basso 0

Valore di tensione alto 1

La memoria e’ costituita da elementi bistabili (flip-flop): dispositivi che possono assumere e conservare stabilmente due soli stati

MemoriaMemoria Organizzata in celle Le celle hanno uguale dimensione e contengono un numero

finito di bit Ogni cella di memoria e’ caratterizzata da un indirizzo e da un

contenuto (valore in essa memorizzato); il contenuto e’ una sequenza di bit

Osservazione: anche l’indirizzo delle celle di memoria e’ rappresentato mediante una sequenza di bit

Contenuto di una cella di memoria (parola)

(la cella ha in questo caso lunghezza 8 bit)

0 1 0 0 1 1 0 1

MemoriaMemoria 1 bit – possibili valori: 0 oppure 1 Insieme di 8 bit = 1 BYTE (binary term) La dimensione della memoria si misura in byte:

• 1 KiloByte (KB) = 1024 byte = 210 byte

• 1 MegaByte (MB) = 1024 KB = 220 byte

• 1 GigaByte (GB) = 1024 MB = 230 byte

L’unita’ minima di memoria che puo’ essere singolarmente indirizzata e’ detta parola di memoria

Le distinte sequenze di bit di lunghezza n sono 2n Domanda: perche’ la dimensione della memoria e

data in byte e non in parole di memoria?

RAM e ROMRAM e ROM RAM – Random Access Memory

• Si puo’ leggere e scrivere• Volatile -> le informazioni rimangono memorizzate fintanto che la

memoria e’ “alimentata” -> a causa di un arresto di corrente le informazioni contenute nella RAM vengono perse

ROM - Read Only Memory• Si puo’ solo leggere (la scrittura delle informazioni avviene una

tantum)• Non e’ volatile• Contiene informazioni di base utilizzate all’accesnsione della macchina

(in programma con le prime istruzioni che la CPU deve eseguire) EPROM – Programmable ROM (si puo’ programmare una sola

volta) EPROM – Erasable PROM (e’ cancellabile, si puo’

riprogrammare) EEPROM – Electrically Erasable PROM (riprogrammabile

elettricamente)

Memoria cacheMemoria cache Sono memorie ad accesso veloce poste tra la RAM e

la CPU (di solito si trovano sullo stesso chip della CPU)

Sono di accesso molto veloce ma sono costose -> se ne usano poche e di picole dimensioni

Il loro uso e’ combinato a quello della memoria centrale

Utilita’ durante l’esecuzione di programmi (per ridurre i tempi di accesso ai dati)

Osservazione: le memorie cache risiedono anche su alcune periferiche (per esempio stampanti)

Esecuzione delle istruzioniEsecuzione delle istruzioni 3 fasi principali:

• FETCHo Preleva dalla memoria l’istruzione il cui indirizzo e’ nel

registro PC e la memorizza nel registro IRo Incrementa il registro PC che cosi contiene l’indirizzo

della prossima istruzione• DECODE

o Determina il tipo dell’istruzione attivao Se e’ necessario un dato allora determina il suo indirizzo

• EXECUTEo Se necessario mette il dato in un registroo Esegue l’istruzioneo Torno al primo punto di fetch per eseguire l’istruzione

successiva

Esecuzione di un programmaEsecuzione di un programma

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