A.S.2011/2012Maurizio Sparacino - Note di tecnologie informatiche IL MICROPROCESSORE Il...

A.S.2011/2012 Maurizio Sparacino - Note di tecnologie informatiche

IL MICROPROCESSORE

• Il microprocessore è un singolo circuito integrato in grado di effettuare operazioni decisionali, di calcolo o di elaborazione dell’informazione.


SCHEMA GENERALE DI UNA CPU

Unità logico aritmetica

REGISTRI

INTERFACCIA CON LA RAM

MEMORYINTERFACE

PRELIEVO E DECODIFICAISTRUZIONE (INSTRUCTION FETCHER E DECODER)

ALLA MEMORIA

UNITA’ DI CONTROLLO E TEMPORIZZAZIONE

IMPULSI DI CLOCK

TEMPORIZZAZIONEUNITA’ CPU

ABILITAZIONI E DISABILITAZIONI FUNZIONI VARIE


• Il microprocessore costituisce l’implementazione fisica della CPU più comune, utilizzata dalla quasi totalità dei computer e altri dispositivi digitali.


UNITA’ DISCO

CONTROLLER HD

SISTEMA OPERATIVO

PR 1

PR 2

PR N

001110100000011110…..000001111100000000000011110101……….11111111111111110

BUS DI SISTEMA

MEMORIA RAM

PROCESSORE

ALU REGISTRI

MEMORIA CACHE(NASCONDIGLIO)

PR N-1

PR…..


Microprocessore Intel 8086

Fondamenti architetturali


00110...001111 00000111…..11111110000000000111

UN PROGRAMMA E’ COSTITUITO DA UNA SERIE DI ISTRUZIONI CIASCUNA DELLE QUALI SPECIFICA UNA DETERMINATA AZIONE.

LA PRIMA PARTE PRENDE IL NOME DI CODICE OPERATIVO, E SERVE APPUNTO A SPECIFICARE IL TIPO DI OPERAZIONE DA COMPIERE (somma, prodotto, trasferimento di dato, confronto tra dati,… ) : “CAMPO CODICE OPERATIVO”

LA SECONDA PARTE RIGUARDA LA SPECIFICAZIONE DI QUALI SIANO E DOVE SI TROVINO GLI OPERANDI : “CAMPO OPERANDI” (un operando può essere specificato direttamente, oppure indicando la sua posizione in un registro interno alla cpu oppure in memoria centrale o anche nell’interfaccia di una periferica)

CODICE OPERATIVO OPERANDI

ISTRUZIONE


Evoluzione in pillole

Introdotto nel 1978, il chip 8086 a 16 bit conteneva appena 29.000 transistor e operava a 5 MHz.

In confronto, il processore Pentium 4 contiene 55 milioni di transistor e opera a 3,06 GHz, una velocità più di 600 volte più elevata.

http://it.wikipedia.org/wiki/Immagine:I8086.jpg

http://images.google.it/imgres?imgurl=http://www.sharkyextreme.com/img/2004/08/value_guide/pentium4_pres.jpg&imgrefurl=http://www.sharkyextreme.com/guides/MVGSBG/article.php/10708_3435541__2&h=206&w=250&sz=10&hl=it&start=15&tbnid=crSC9k_tYT7dkM:&tbnh=91&tbnw=111&prev=/images%3Fq%3Dpentium%2B4%26svnum%3D10%26hl%3Dit%26lr%3D%26sa%3DG


TransistorI transistor vengono impiegati in ambito elettronico, principalmente, come amplificatori di segnali elettrici o come interruttori elettronici comandati da segnali elettrici

Processo di fabbricazione di un transistor


Struttura esterna

Il package ha una struttura

dual in line

che significa: “due file di 20 piedini (pin) parallele”


ChipIn informatica il termine chip può significare:

• circuito integrato cioè un dispositivo elettronico costituito dall'integrazione di un circuito elettronico su di un substrato di materiale semiconduttore (in genere silicio, ma a volte anche arseniuro di gallio o altri).

• microprocessore (spesso abbreviato con µP) cioè un componente elettronico digitale formato da transistor racchiuso in uno o più circuiti integrati. Uno o più processori sono utilizzati come CPU da un sistema di elaborazione digitale come può essere un personal computer, un palmare, un telefono cellulare o un altro dispositivo digitale.


Piedinatura (pin-out)

Ogni piedino fornisce una funzionalità diversa.

Il CLOCK ad esempio scandisce gli intervalli di tempo sulla base dei quali avvengono tutte le elaborazioni


Schema a blocchiRegistri generali

CU

ALU


Dalla loro introduzione ad oggi, l’evoluzione del microprocessore ha seguito con una buona approssimazione la legge di Moore, una legge esponenziale che prevede il raddoppio del numero di transistor integrabili sullo stesso chip ogni 18 mesi.


Le caratteristiche principali di un processore sono •il numero di transistor, •il numero di bit (che determina la quantità di dati che il processore può elaborare) •la frequenza (cioè la velocità con il quale vengono elaborati i dati).


Il valore del processo produttivo espresso in nanometri indica la distanza fra i gate dei transistor.Il processo produttivo è connesso con le dimensioni dei transistor utilizzati in una CPU. Al diminuire del processo produttivo è richiesta una tensione di alimentazione minore dai transistor producendo così meno calore e diminuendo conseguentemente i consumi di energia elettrica.Per esempio, nell'anno 2006 il processo produttivo delle CPU era di 45 nanometri contro i 22 nanometri attuali, una gran bella differenza in termini di produzione di calore e di consumi. Più è minore il valore del processo produttivo più transistor si avranno per unità di superficie e generalmente più le frequenze di clock delle CPU potranno aumentare.


I processori Dual core e Multi core mettono insieme due o più CPU indipendenti con una propria cache, controller in un singolo package.

Per quanto concerne i processori Dual core esistono tre modi diversi per crearli:

1) Die singolo. Consiste nel combinare due core su un singolo die. Un esempio di die singolo sono il Pentium D SmithField.

2) Die Doppio. In questo metodo due die separati vengono posti su un singolo package e poi collegati tra di loro da collegamenti esterni. Il primo progetto Intel cha ha sfruttato tale metodo è il Pentium D Presler.

3) Die Monolitico. Tale metodo permette di condividere alcune unità del processore, tipo la cache che in tal mdo è condivisa con tutti i core. Oltre che alla cache anche il controller della memoria RAM può essere condiviso. Tale metodologia viene impiegata con successo sui processori multi core.


Per quanto riguarda i processori Multi core si tratta di combinare i modi descritti nel Dual Core. Così avremo per esempio due core Dual Core (Conroe) costruiti su un Die Monolitico accoppiati su Die Doppio per un numero 4 di core complessivi.


Generalmente la memoria cache ha la funzione di mantenere una copia dei dati a cui si accede più frequentemente nella memoria principale di sistema. Quando la CPU deve leggere un dato dalla memoria principale di sistema controlla se questo è residente in cache e in caso positivo lo carica velocemente. In questo caso si parla di cache hit, e nel caso contrario di cache miss.


SISTEMA OPERATIVO

E’ UN’INFRASTRUTTURA SOFTWARE (strato software) CHE SI PONE TRA L’INFRASTRUTTURA HARDWARE E L’UTENTE ( O IL SOFTWARE APPLICATIVO : EDITOR DI TESTI, BROWSER WEB, …)


HARDWARE

BIOS (firmware)

KERNEL

SISTEMA OPERATIVO

APPLICAZIONI


IL SISTEMA OPERATIVO

Consente di utilizzare la risorse del sistema informatico senza preoccuparsi delle loro caratteristiche fisiche

( cioè tipo di processore, dimensione del bus dati, interfaccia video, … )

GRAZIE AL SISTEMA OPERATIVO L’UTENTE SI PONE AD “alto livello”“alto livello” RISPETTO ALL’HARDWARE



• CONSENTE L’UTILIZZO CONCORRENTE DEL SISTEMA DA PARTE DI PIU’ PROGRAMMI :

• PIU’ PROGRAMMI concorrono NELL’UTILIZZO DELLE RISORSE RENDENDO “trasparente” LA GESTIONE DELLA CONCORRENZA

( L’UTENTE NON SE NE PREOCCUPA)



• TRASFORMA LA MACCHINA HARDWARE IN UNA

“macchina astratta” ( O VIRTUALE)


ESISTE UNA GRANDE VARIETA’ DI SISTEMI OPERATIVI DIVERSI

- UNIX

- UBUNTU GNU/LINUX

- MAC OS X

- WINDOWS


IL SISTEMA OPERATIVO RISIEDE SU UNA MEMORIA DI MASSA (TIPICAMENTE UN HARD – DISK).I tablet utilizzano memorie di massa di tipo SSD ( Solid State Drive)

Cella di memoria SSD


Transistor metallo ossido semiconduttore a canale N con GATE FLOTTANTE per la memorizzazione del bit


Schiera ( ARRAY) di celle di memoria SSD


I RICERCATORI STANNO CERCANDO DI REALIZZARE hard disk TRADIZIONALI ESTREMAMENTE SOTTILI, TALI DA POTER ESSERE UTILIZZATO ALL'INTERNO DI SISTEMI TABLET


RECENTEMENTE SI E’ LAVORATO ALLA REALIZZAZIONE DIHARD DISK IN FORMATO DA 2,5 POLLICI E DA 5 MILLIMETRI DI SPESSORE, CHE PUO’ ESSERE ADATTO PER LA REALIZZAZIONE DI unità di storage ibride DA USARSI ALL'INTERNO DI TABLET MULTIMEDIALI (I ricercatori hanno preso come riferimento lo spessore di iPad 2, 8,8 millimetri )


Nella progettazione di un hard disk di ridotto spessore è importante riuscire a risolvere la sfida di ridurre adeguatamente le dimensioni del motore di rotazione evitando allo stesso tempodi compromettere le prestazioni del dispositivo e la sua stabilità meccanica, dato che la velocità di rotazione è di qualche migliaia di giri al minuto.Tali hard-disk possono fungere da base per la realizzazione di una soluzione ibrida provvista di elementi di memoria allo stato solido (porte logiche NAND in tecnologia NMOS di tipo flash [le flash-rom], in grado di migliorare prestazioni e consumo energetico dell'unità di storage).


Resta comunque qualche dubbio sull'effettiva volontà da parte dei produttori di tablet di impiegare hard drive tradizionali : gli hard disk sono infatti costruiti con l'impiego di parti mobili, che li rendono pertanto meno affidabili dei dispositivi a stato solido. I tablet, inoltre, sono per lo più utilizzati in movimento e non su superfici stabili come ad esempio i sistemi notebook. La ricerca di per la realizzazione di hard-disk di ridotte dimensioni e alta capacità però continua, poiché il mercato dei TABLET è destinato ad arrivare a 200 milioni di unità nel corso del 2014.


E' inoltre opportuno tenere presente che le alluvioni che hannofunestato la Tailandia nel corso del 2011e che hanno causato problemi a tutta la filiera dell'industria degli hard disk, comporteranno un ritardo anche nell'eventuale adozione di nuove tecnologie.


ATTUALMENTE I TABLET UTILIZZANO memorie di archiviazioni di massadi tipo Solide State Drive (SSD o Disco allo Stato Solido in italiano).Le SSD rappresentano l’ultima frontiera dell’archiviazione di massa per i nostri PC. A differenza del tradizionale Hard Disk, non sono presenti dischi: né magnetici né di altro tipo. Nonostante tutto gli si da l’appellativo di disco perché usato in sostituzione del vecchio Hard Disk.La capacità resta (normalmente) limitata a 32, 64, 128 Gbyte.


SSD: quando e a chi conviene abbandonare l’Hard Disk tradizionale? Il vantaggio di acquisire una SSD è quello di ottenere sia un miglioramento complessivo delle prestazioni del PC sia un notevole aumento della capacità di trasferimento dati. Il prezzo di una SSD è fino a 10 volte maggiore quello di un Hard Disk tradizionale. Facendo un confronto tra il TOP delle memorie attualmente in commercio, mentre una SSD può costare da 350 euro (per la versione da 120Gb) fino a 3.000 euro (per la versione da 1 TB), un Hard Disk tradizionale 3 TB costa circa 230 euro.

Per l’utente normale di tablet, che difficilmente riempie l’hard disk ,conviene sicuramente una memoria di massa di tipo SSD con capacitàrelativamente bassa, poiché i costi sono ancora modesti.In caso di necessità di archiviazione di grosse quantità di dati ( film, ad esempio) l’uso di memorie SSD diventerebbe piuttostocostoso.


ALL’ATTO DELL’ACCENSIONE DEL CALCOLATORE E’ NECESSARIA UNAPROCEDURA PER EFFETTUARE IL CARICAMENTO IN MEMORIA CENTRALE( COSIDDETTA RAM, ESSA SI’ SEMPRE ALLO STATO SOLIDO – SI PENSI ALLE CELLE DELLE SSD MA PRIVE DEL float-gate ) DEL SISTEMA OPERATIVO ( O LE PARTI ESSENZIALI DEL S.O.)

Tale operazione viene eseguita dal BIOS, che risiede in un opportuno firmware.

Il firmware di un calcolatore è simile alle SSD, ma non è normalmente accessibile all’utente :esso è scritto su una memoria flash-rom, riprogrammabile solo attraverso particolariProcedure.


Il bios•Esegue dei test diagnostici sull’hardware inizializzando le unità I/O•Localizza il S.O. sull’H.D. e lo carica in RAM•Cede il controllo della macchina al S.O.

Solo quando il S.O controlla la macchina, può avvenire la richiesta di esecuzione di un programma, che viene perciò caricato in RAM divenendo così “processo”


Il sistema operativo fornisce all’utente le istruzioni astratte (lettura/scrittura)affinchè possa avvenire l’interazione con il calcolatore e il processo in esecuzione : le istruzioni di basso livello nei confronti delle periferiche(tastiera, mouse, monitor, stampante, …) vengono mascheratecon comandi astratti (lettura/scrittura) disponibili all’utente.


Anche gli “Hard Disk” SSD devono essere organizzati logicamente al fine di poter reperire in modo efficiente le informazioni.

Devono perciò essere “formattati” e suddivisi in cartelle (directory) organizzate in modo gerarchico.

Il S.O. si occupa di gestire tale struttura tramite il file system.


Il file system rende trasparente i dettagli di lettura/scrittura dell’informazione indipendentemente dai supporti hardware.

Nel corso degli anni la tendenza è stata quella di ridurre la funzionalità del kernel al minimo indispensabile in modo da poter integrare le varie funzionalità di gestione dell’hardware periferico con moduli personalizzati.


Il S.O. si occupa anche della gestione della CPU e della memoria centrale.

In particolare pianifica l’utilizzo della CPU e l’allocazione in RAM da parte dei processi in esecuzione.


Un processo ( detto anche task – azione, lavoro, incombenza,…) è un programma in esecuzione.

Contrariamente ad un programma che è un oggetto statico ( una pura sequenza di istruzioni), un processo è un oggetto dinamico : il suo ”stato” cambia nel tempo.

Lo stato di un processo è costituito dai valori contenuti in memoria e nei registri della CPU.


Lo stesso programma può dare vita a più processi distinti ( detti “figli”, ad esempio più finestre di un browser web).


Quando più processi sono attivi, si parla di elaborazione parallela a livello di processo : viene gestito dal sistema operativo che viene perciò classificato come S.O. multitasking.


SE UN PROCESSO E’ IMPEGNATO IN OPERAZIONI DI I/O ( input/output –lettura di dati in ingresso o scrittura di dati in uscita)NON DEVE IMPEGNARE LA CPU NELL’ATTESA DELLA FINE DI TALE OPERAZIONE, FACENDOLA RIMANENERE INOPEROSA.LE OPERAZIONI DI I/O SONO INFATTI DI PERECCHI ORDINI DI GRANDEZZAPIU’ LENTE DELLE OPERAZIONI LOGICO/ARITMETICHE.

E’ ANCHE NORMALE CHE LA MAGGIOR PARTE DEI PROCESSI SIANOCOSTITUITI DA OPERAZIONI DI I/O, INTERVALLATE DA BREVI PERIODI DI ELABORAZIONE.

L’ACCESSO AL H.D. COSTITUISCE ANCH’ESSO UN’ OPERAZIONE DI I/O


E’ CHIARO A QUESTO PUNTO CHE IN OGNI ISTANTE UN SOLO PROCESSOIMPEGNA LA CPU CON UNA SUA ISTRUZIONE.

E’ POSSIBILE UN’ELABORAZIONE PARALLELA A LIVELLO DI ISTRUZIONI( DUE PROCESSI CHE IN UN DATO MOMENTO HANNO UNA PROPRIA ISTRUZIONE IN ESECUZIONE IN MODO SIMULTANEO) SE L’HARDWAREHA DUE UNITA’ DI ELABORAZIONE, CIOE’ DUE CPU( PROCESSORE DUAL-CORE )


GLI ALTRI PROCESSI SI POSSONO TROVARE IN UNO DEI DUE STATI

pronto ( cioè in grado di far eseguire una proria istruzione appena la cpu diviene disponibile )

in attesa ( di un evento esterno : accesso ad un h.d., pressione di un tasto,…)

E’ IL KERNEL CHE GOVERNA IL CONTROLLO DEI PROCESSI, FACENDOLI PASSARE DA UNO STATO ALL’ALTRO A SECONDA DELLA FASE IN CUI SONO


SE UNA PERIFERICA HA PRONTO IL DATO RICHIESTO DA UN processoin attesa AVVISA IL KERNEL CON UN SEGNALE DETTO DI interrupt.

A QUESTO PUNTO IL KERNEL “RISVEGLIA” IL PROCESSO PONENDOLOIN STATO DI pronto.

LO SCHEDULER E’ IL MODULO DEL KERNEL CHE DECIDE QUALE TRA I PROCESSI pronti DEBBA IMPEGNARE LA CPU CON LE PROPRIEISTRUZIONI.PRIMA DI RENDERE EFFETTIVA L’ESECUZIONE DI UN PROCESSOEFFETTIVO, LO SCHEDULER DEVE RECUPERARE IL SUO “contesto” CHE AVEVA SALVATO IN UNA AREA DI RAM.il contesto viene caricato nei registri interni della cpu.


PROCESSO IN ESECUZIONE

EFFETTIVA

LISTA PROCESSIPRONTI

LISTA PROCESSI IN ATTESA

COMANDO DI ESECUZIONE DI UN

PROGRAMMA

FINE ESECUZIONE

FINE “QUANTO” DI TEMPO

PRIMO PROCESSO NELLA LISTA “PRONTI”

INTERRUPT INTERNAINTERRUPT ESTERNA

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