Calcolatori Elettronici (9 crediti)

Informazione generali sul corso

• Obiettivo del corso: – Conoscenza del funzionamento di un calcolatore

elettronico • Verifica

– 2 prove scritteprogettino, prova scritta (5-6 domande) + orale/discussione compito scritto

• Sito del corso– http://www.dis.uniroma1.it/~ciciani/teaching.shtml(in costruzione...)

• Testo e Materiale integrativo– Trasparenze del corso – Testo: XXXX– Dispense

Programma del corso

• Introduzione• Rappresentazione numerica e codici• Il livello logico digitale• Struttura di un calcolatore• Programmazione di interfacce di

periferiche (driver)• .....• ....

Gamma dei sistemi di calcolo

• Sistemi “ embedded ” : incorporati in altri sistemi– automobili, aerei, telefoni cellulari, PDA ...

• Personal Computer, PC: diverse potenze di calcolo• Server e Mainframe: caratteristiche molto diverse

– Applicazioni usate da molti utenti, – webserver, sistemi per la gestione del sistema informativo di una

organizzazione (es:banca)– Supercalcolatore ( es. Previsione del tempo)

• embedded 90%; personal computer: 9-10%; server: 0.5%• Reti di Workstation : Aumento della potenza di calcolo

mediante il collegamento di PC o WS mediante rete ad alta velocità

Introduzione Esempio d’impiego di calcolatori

• Posta elettronica

personal computerApplicazioneClient di posta

Client Server

Server

Breve Storia dei Sistemi di Elaborazione

Preistoria (1600-1900)• Pascal (1623-1662)

– Pascaline: addizioni e sottrazioni

• Leibniz (1646-1716)– Anche moltiplicazioni e divisioni

• Charles Babbage (1792-1871)A) Macchina Differenziale

• Algoritmo fisso • Output su piastra di rame

B) Macchina Analitica• Prima macchina programmabile• Memoria: 1000 x 50 cifre decimali• I/O su schede perforate• Limite: tecnologia meccanica

Generazione zeroMacchine elettromeccaniche• Konrad Zuse (~1930 Germania)

– Macchina a relè– Distrutta nella guerra

• John Atanasoff (~1940 USA)– Aritmetica binaria– Memoria a condensatori

• Howard Aiken (~1940 USA)– MARK 1: versione a relè della macchina di Babbage

(~100 anni dopo!)– Memoria: 72 x 23 cifre decimali– tempo di ciclo: 6 sec.– I/O su nastro perforato

Generazione zeroTubi termoionici • COLOSSUS (~1940 GB) Gruppo di Alan Turing, Progetto segreto

• ENIAC (~1946 USA) J. Mauchley, J. Eckert 18.000 valvole 30 tonnellate 140kw assorbimento Programmabile tramite 6000 interruttori e pannelli cablati

20 registri da 10 cifre

La Macchina di Von Neumann

• IAS (~ 1950, Princeton USA)– Programma in memoria, Aritmetica binaria, Memoria: 4096 x 40 bit

– Formato istruzioni a 20 bit:

OPCODE INDIRIZZO12

8

I Generazione: Sistemi Commerciali

• Inizialmente il mercato è dominato dalla UNIVAC

• L’IBM entra nel mercato nel 1953, e assume una posizione dominante che manterrà fino agli anni ‘80:– IBM 701 (1953):

• Memoria: 2k word di 36 bit• 2 istruzioni per word

– IBM 704 (1956):• Memoria: 4k word di 36 bit• Istruzioni a 36 bit• Floating-point hardware

– IBM 709 (1958)• Praticamente un 704 potenziato• Ultima macchina IBM a valvole

II Generazione (1955-1965)

Tecnologia a transistor

• TXO e TX2 macchine sperimentali costruite al MIT• Uno dei progettisti del TX2 fonda una propria

società la Digital Equipment Corporation (DEC)• La DEC produce il PDP-1 (1951):

– Memoria: 4k parole di 18 bit– Tempo di ciclo di 4sec– Prestazioni simili all’IBM 7090– Prezzo meno di un decimo– Schermo grafico 512 512 pixel (primi videogiochi)– Comincia la produzione di massa

II Generazione: Minicomputer

• DEC PDP-8 (1965) • Successore diretto del PDP-1• Interconnessione a bus, molto flessibile• Architettura incentrata sull’I/O• Possibilità di connettere qualsiasi periferica• Prodotto in oltre 50.000 esemplari

II Generazione: Supercomputer

• Macchine molto potenti dedicate al number crunching

• 10 volte più veloci del 7090

• Architettura molto sofisticata

• Parallelismo all’interno della CPU

• Nicchia di mercato molto specifica (resta vero anche oggi)

• CDC 6600 (1964)

• Progettista del CDC 6600 è Seymour Cray, poi fondatore della CRAY

III Generazione (1965-1980)

Tecnologia LSI e VLSI• Evoluzione dell’architettura HW

– Microprogrammazione– Unità veloci floating-point– Processori ausiliari dedicati alla gestione dell’I/O

• Evoluzione dei Sistemi Operativi– Virtualizzazione delle risorse– Multiprogrammazione: esecuzione concorrente di più

programmi– Memoria Virtuale: rimuove le limitazioni dovute alle

dimensioni della memoria fisica

III GenerazioneIBM: Serie IBM System/360 (famiglia elab.)• Macchine con lo stesso linguaggio • Range di prestazioni (e prezzo) 1-20• Completa compatibilità• Portabilità totale delle applicazioni• OS comune OS/360Digital PDP 11 • Architettura a bus (Unibus)• Prodotto in milioni di esemplari• Sistema operativo UNIX, indipendente dalla piattaforma

…. nacque il Personal Computer• fine anni 70: Apple I, progettato in un garage

nel tempo libero, venduto in scatola di montaggio

• 1981 PC IBM con Intel 8088 e MS DOS della minuscola Microsoft

• Informatica diffusa non solo per specialisti• Duopolio Intel/Microsoft

La legge di Moore (1965)

La capacità delle memorie DRAM quadruplica ogni tre anni (60% anno)

• Analogo aumento del numero di transistor sul chip• Aumento della capacità dei chip di memoria• Aumento della capacità di calcolo delle CPU

Legge di Moore per le CPU

• Più transistor:– parallelismo interno

• Maggiore frequenza di funzionamento

• Rapp.prestazioni/costo – 1951 valvola 1– 1965 transistor 36– 1975 circuito integrato 900– 1995 circuito VLSI 2.400.000– 2005 circuito ULSI

6.200.000.000

Legge di Nathan

Il software è come un gas: riempie sempre completamente qualsiasi contenitore in cui lo si metta

Al calare dei costi e all’aumentare della memoria disponibile, le dimensioni del software sono sempre cresciute in proporzione

• Il Circolo Virtuoso– Costi più bassi e prodotti migliori– Aumento dei volumi di mercato– Fattori di scala nella produzione– Costi più bassi …...

Calcolatore elettronico oggi…

Sistema elettronico digitale programmabileElettronico digitale

• Sfrutta componenti elettronici digitali (porte logiche) che operano su grandezze binarie (bit) che possono assumere due soli valori (0 e 1)

Sistema: Parti (o componenti) che interagiscono in modo organico fra loro (architettura di von Neumann)

Programmabile• Il comportamento del sistema è flessibile e

specificato mediante un programma, ossia un insieme di ordini

Intel Computer Family

Grandezze elettriche (1)

• Analogiche– Il più possibile analoghe a ciò che

rappresentano (all’originale)• Ex: forma corrispondente alla voce

tempo

Pre

ssio

ne a

ria

Tensi

one e

lett

rica

tempo

Grandezze elettriche (2)

• Digitali– Possono assumere solo valori finiti, che rappresentano

in modo approssimato una grandezza fisica.

• Binarie– Grandezze digitali che possono assumere due soli

valori, comunemente indicati con 0 ed 1• La grandezza fisica può essere una tensione, corrente,

ampiezza…

tempo

V2

V1

Andamento ideale0-> V1, 1-> V2

oppure0-> V2, 1-> V1 …

Grandezze elettriche (3)

• Binarie– In realtà…

• i valori 0 ed 1 sono rappresentati mediante valori di un intervallo

• Il cambiamento da 0->1, 1->0 non è istantaneo

tempo

3.32.8

0.50.0

Andamento realerumore

Technology State 0 State 1

Relay logic Circuit Open Circuit ClosedCMOS logic 0.0-1.0 volts 2.0-3.0 voltsTransistor transistor logic (TTL) 0.0-0.8 volts 2.0-5.0 voltsFiber Optics Light off Light onDynamic RAM Discharged capacitor Charged capacitorProgrammable ROM Fuse blown Fuse intactMagnetic disk No flux reversal Flux reversalCompact disc No pit Pit

Mapping from physical world to binary world

Vantaggi dei sistemi digitali

• Riproducibilità del risultato – rumore

• Facilità di progetto• Flessibilità• Programmabilità• Velocità di funzionamento (ns, 10-9 s)• Economia

La nozione di macchina …

Per studiare l’architettura di un calcolatore è conveniente introdurre la nozione di macchina

• Macchina: entità in grado di eseguire istruzioni appartenenti ad un linguaggio – Una macchina può essere fisica o virtuale

• Una macchina è composta da un insieme di risorse che sono controllare e gestite dalle istruzioni – Il significato di ogni istruzione è dato facendo

riferimento alle risorse

Architettura a livelli di un sistema di elaborazione

• Un sistema di elaborazione è costituito da varie macchine virtuali

• L’architettura di un sistema di elaborazione è la descrizione delle caratteristiche delle varie macchine virtuali (livelli)

Macchina fisica MF e linguaggio macchina LF

Macchina virtuale Mv1 e linguaggio macchina Lv1

Macchina virtuale Mvn e linguaggio macchina Lvn

Livello applicativo

• E’ il livello usato da chi scrive applicazioni per uno specifico problema (es programmi in java)

Program in Java

Programma eseguibile

int i; i=i+2;… bytecode

Compilat.Compilat. JVMJVM

Macchina ISA

eseguita daISA: Instruction Set Architecture (Macchina di von Neumann)

Macchina di von Neumann

Unità di Calcolo

Unità di Controllo

Memoria dilavoro

Unità di Ingresso

Unità di Uscita

Macchina di von Neumann

Unità di Calcolo

Unità di Controllo

Memoria dilavoro

Unità di Ingresso

Unità di Uscita

CPU

Caratteristiche distintive..

• Singola memoria “monodimensionale” acceduta sequenzialmente

• Memorizzazione sia di dati che del programma

• Il tipo di dato non è memorizzato

• La macchina di von Neumann esegue le istruzioni del programma (nel linguaggio macchina)

Livelli di astrazione

Hardware

Software

Livello fisico(transistor..)

Livello porte logiche

Livellofirmware

INSIEME DELLE ISTRUZIONI(linguaggio macchina)

Il livello firmware (microarchitettura)

Interpreta le istruzioni del linguaggio macchina

Le componenti principali di tale livello sono • Registri (in grado di memorizzare gruppi di

bit, ex: 16-32 bit)• ALU (Unità Aritmetica Logica) • Data-path (connessioni per il trasferimento

dei dati)

Utilizza le porte logiche (livello 1)

Implementazione

• A una istruzione macchina corrisponde una sequenza di comandi del livello 1 che la realizzano

Istruzionemacchina…

1 2 3 kISequenza

equivalente

Istruzione L2