CEFRIEL Consorzio per la Formazione e la Ricerca in Ingegneria dell’Informazione Politecnico di...

© 2001 William Fornaciari© 2001 William Fornaciari

CEFRIELCEFRIELConsorzio per la Formazione e la RicercaConsorzio per la Formazione e la Ricercain Ingegneria dell’Informazionein Ingegneria dell’Informazione

PolitecnicoPolitecnicodi Milanodi Milano

Architetture di calcolo e sistemi operativiArchitetture di calcolo e sistemi operativi

IntroduzioneIntroduzione

Docente:Docente:

William FornaciariWilliam Fornaciari

Politecnico di MilanoPolitecnico di [email protected]@elet.polimi.it

www.elet.polimi.it/~fornaciawww.elet.polimi.it/~fornacia

Architetture Informatiche e sistemi operaArchitetture Informatiche e sistemi operativitivi

© 2001 William Fornaciari© 2001 William Fornaciari- - 22 - -

Sistema informaticoSistema informatico

I sistemi informatici sono gli esecutori degli algoritmi (programmi)



Sistema di elaborazioneSistema di elaborazione

Hardware per elaborazione sistemi embedded workstation/PC main-frame reti di calcolatori

Sistema Operativodedicato alla gestione dell’elaboratore e all’esecuzione dei programmi

Software applicativodedicato alla realizzazione di specifiche esigenze applicative



I vari livelli di astrazioneI vari livelli di astrazione

Il SW introduce livelli di astrazione dell’hardwareTramite il sistema operativo il calcolatore diventa un sistema in grado di eseguire programmiTramite le applicazioni il calcolatore diventa un sistema in grado di svolgere un compito specifico

SW applicativo

Sistama Operativo

Hardware



Organizzazione del softwareOrganizzazione del software

Software Applicativo

Sistema Operativo

Strumentidi

Produttività

Software Personale

Ambientedi

Programmaz.



Architettura di un calcolatoreArchitettura di un calcolatore

Modello di Von Neumann (anni ‘50)Quattro elementi fondamentali

Unità diElaborazione

MemoriaCentrale

InterfaccedellePeriferiche

Bus di sistema



Elementi Von NeumannElementi Von Neumann

Memoria CentraleInformazioni necessarie all’esecuzione di un programma: istruzioni e dati

Unità di Elaborazione (CPU)Acquisisce, interpreta ed esegue le istruzioni di un programma

Interfacce delle PerifericheLe periferiche consentono l’interazione con il mondo esternoFanno parte della macchina di Von Neumann solo le interfacce verso le periferiche

Bus di sistemaOpera il collegamento fra i vari elementi



Memoria centraleMemoria centrale

La memoria centrale accoglie il “materiale di lavoro” su cui opera l’elaboratore: dati e programmiLe informazioni sono memorizzate in forma binaria: sequenze di “zeri” e “uni”La memoria centrale è una sequenza di celle di memoria, ognuna delle quali contiene una insieme di bit (8 o 16 o 32 o 64 o...)Tipi di memoria

RAM (Random Access Memory)ROM (Read Only Memory)....



Componenti di una CPUComponenti di una CPU

ALUALU

Registro IndirizziRegistro Indirizzi

ClockClock

ProgramCounter

ProgramCounter

Registro datiRegistro dati

Unità di Controllo

Unità di ControlloReg. Istruz.

Corrente

Reg. Istruz.Corrente

RegistroInterruz.

RegistroInterruz.

AA

BB




Unità di controllopreleva, decodifica ed esegue le istruzioni

Clocksincronizza tutte le operazioni

ALU - Arithmetic Logic Unitesegue operazioni aritmetiche

Registrielementi di memoria interni alla CPU




Registro istruzione correnteContiene l’istruzione in esecuzione

Program CounterContiene l’indirizzo della prossima istruzione

Registro Indirizzi e DatiTrasferimento dati da/verso memoria o perif.

Registro interruzioniColloquio con le periferiche



Interfacce verso le perifericheInterfacce verso le periferiche

Elementi circuitali per collegare l’elaboratore alle perifericheContengono i registri per

inviare comandi alla perifericaregistro comando

scambiare datiregistro dati periferica

controllo funzionamentoregistro informazioni



Il bus di sistemaIl bus di sistema

Collega tutte le unità del sistemaIn ogni istante collega 2 unità

una trasmetteuna riceve

Il bus è sempre sotto il controllo della CPU che seleziona le unità che devono collaborare (master e slave)Tre categorie

bus datiTrasporta i dati

bus indirizziSpecifica una cella di memoria o una periferica per trasferimento di dati

bus controlloSpecifica l’operazione da eseguire (lettura o scrittura)



Le perifericheLe periferiche

Le periferiche sono esterne all’elaboratore, ma sono un componente fondamentaleAnalizzeremo due tipi di periferiche

I terminaliLe stampanti



TerminaliTerminali

Un terminale è costituito dauna tastiera e un (eventuale) mouse (input)un video e scheda grafica relativa (output)

Caratteristiche importanti video:numero coloririsoluzione (pixel - picture element)dimensione (pollici)capacità grafica (immagini o solo testo)



StampantiStampanti

Parametri caratteristici:velocitàrisoluzione (dpi)set di caratteri (font)rumorosità

Tecnologiead aghia getto d’inchiostrolaser



Estensioni all’architetturaEstensioni all’architettura

Principale limite di Von Neumannsequenzialità delle operazioni

Tutte le estensioni tendono a superare questo limite o, in generale, a migliorare le prestazioni

uso di processori dedicatiprocessore intrinsecamente paralleloarchitetture multi-processoregerarchie di memoria



Architettura di un ambiente Architettura di un ambiente PCPC

Concepito per applicazioni generiche e uso personale



Architettura di un PC (1)Architettura di un PC (1)

Tradizionalmente il PC è il Personal Computer IBM compatibile

stesso sistema operativostessa famiglia di CPU (o compatibili)

Oggi il termine PC si riferisce a svariati tipi di macchine

diversi sistemi operativi (DOS, Windows 98/NT, OS/2, MacOS, Linux?, ...)diversi tipi di CPU (Pentium, PowerPC,…)



Architettura di un PC (2)Architettura di un PC (2)

Gli elementi che costituiscono un PC sono:

RAMCPUMotherboardSchede di espansione

scheda videoscheda audio...

Memorie di massa



CCentral entral PProcess rocess UUnit - CPUnit - CPU

Le CPU tipiche di un PC sono prodotte da Intel e hanno la caratteristica di mantenere la compatibilità con il loro antenato 8086 (inizio anni ‘80)In ordine di potenza

80x86 (286, 386, 486)PentiumPentium ProPentium MMXPentium II (Pentium Pro + MMX)Pentium III...

-

+

Potenza di calcolo



Caratteristiche delle CPUCaratteristiche delle CPU

Le CPU si differenziano innanzitutto per l’architettura interna

Esempio: possibilità di eseguire più istruzioni in parallelo

Un’altra importante distinzione è la frequenza di funzionamento

Attualmente si va da 500 Mhz a 1.2 GHz



RAMRAM

E’ la memoria centrale del sistemaValori tipici

minimo: 32 MBmassimo: 256x3 MB

La RAM si differenzia per la velocitàSIMM: tempi di accesso dell’ordine di 60 nsDIMM: tempi di accesso di 10 ns



MotherboardMotherboard

La motherboard è una scheda su cui sono montati tutti i componenti del sistema



Caratteristiche Caratteristiche MotherboardMotherboard

Alloggiamento della CPUEsempi: Socket 7 (Pentium), Slot 1 (Pentium II)

Alloggiamento della RAMSIMM o DIMM

Slot di espansioneDifferenti standard: ISA, EISA, VESA, PCISi differenziano per le prestazioni e il tipo di connessione (novita’: USB)Esempi di schede di espansione: Scheda video, Scheda audio, Controller memorie di massa



Memorie di MassaMemorie di Massa

Le memorie di massa di un PC comprendono:Dischetti removibili

Dischi da 1,44 Mega o dischi ZIP da oltre 100 MBHard Disk Drive:

Si differenziano per prestazioni e capacità, 10-20 GB sono tipici

Unità nastroElevata capacità. Es. Unità DAT da 2 GB

CD-ROM DriveSi differenziano prestazioni. Esempio: 52x

CD-R e CD-RW DriveConsentono la scrittura e riscrittura di un CDPrezzi: meno di mezzo milione di lire



Schede videoSchede video

Lo standard video di base per i PC è denominato VGA (Video Graphics Array)Nella versione base consente risoluzioni di 640x480 a 16 coloriLe schede video si diferenziano per:

Memoria video (legato al parametro precedente)Tipo di connessione (ISA, VESA, PCI, AGP)Risoluzioni e numero di colori supportatiVelocità (eventuale presenza di processori dedicati)



Il Sistema OperativoIl Sistema Operativo

Il sistema operativo è un insieme di programmi che operano direttamente sulla macchina fisica, mascherandone le caratteristiche e fornendo agli utenti un insieme di funzionalità di alto livello

Protezione delle risorseCondivisioneGestione del sistema e sviluppo applicazioni in maniera modulare e flessibile



Il Sistema OperativoIl Sistema Operativo

Il sistema operativo migliora le caratteristiche della macchina realizzando una macchina virtualeIl SO operativo può, per esempio, rendere lo stesso hardware

Monoutente e monoprocesso Monoutente e multiprocesso Multiutente e multiprocesso



Architettura di un SO Architettura di un SO (1)(1)

Architettura a buccia di cipolla Facilita la concezione Garantisce la modularità del sistema

Ciascun strato realizza una macchina virtuale

ovvero rende disponibili al livello superiore funzionalità non presenti nel livello sottostante



Architettura di un SO Architettura di un SO (2)(2)

MACCHINA FISICA

PROGRAMMI UTENTE

Interprete Comandi

File System

Gestione delle periferiche

Gestione della memoria

Gestione dei processi (nucleo)

SistemaOperativo



Gestione dei processi (1)Gestione dei processi (1)

Il Nucleo è responsabile dell’esecuzione dei programmi da parte della CPUProcesso

unità di esecuzione, ad ogni programma è associato un processo che evolve con i suoi dati

Esecuzione di un programmamandare in esecuzione il corrispondente processo

In un sistema esistono in genere più processi in esecuzione quasi-parallela



Gestione dei processi (2)Gestione dei processi (2)

Compiti del nucleoGestione della CPU (anche fra molti utenti e/o processi)Segnalazione e gestione di eventi provenienti da unità periferiche

Macchina virtuale a strati superioriCiascun programma opera come se avesse a disposizione un’unità di elaborazione dedicata



Gestione della memoriaGestione della memoria

Il Gestore della memoria ha il compito di allocare la memoria e partizionarla fra i processi che la richiedono

Maschero condivisione regolando accessoFornisco spazio di indirizzamento superiore alla capacità fisica della memoria centrale

Macchina virtuale a strati superioriCiascun programma opera come se avesse disponibile una memoria dedicata



Gestione delle perifericheGestione delle periferiche

Il Gestore delle periferiche è responsabile delle operazioni di I/O che coinvolgono le periferiche

Tutto il software di gestione delle periferiche è detto driver e deve essere “caricato” nel sistema operativo

Macchina virtuale a strati superioriCiascun programma opera come se avesse a disposizione una periferica dedicata



Gestione dei fileGestione dei file

Il file system è responsabile della gestione dei file in memoria di massa

Consente una strutturazione dei dati tramite file e contenitori di fileConsente operazioni di alto livello per leggere e scrivere datiConsente di definire dei diritti di uso/visibilità per vari utenti

Macchina virtuale a strati superioriGestione strutturata delle memorie di massa



Interprete dei comandi Interprete dei comandi (1)(1)

Consente all’utente di attivare i programmi

Consente di accedere al programma tramite il file systemalloca memoria e carica il programmaattiva il processo

L’interprete sfrutta tutti gli strati del Sistema Operativo



Interprete dei comandi Interprete dei comandi (2)(2)

L’interprete è quello che ha il maggior impatto sull’utente finale poichè costituisce ciò che l’utente vedeEsempi

DOS: interprete dei comandi a carattereC:\>Windows: interprete dei comandi a finestre grafiche

CEFRIEL Consorzio per la Formazione e la Ricerca in Ingegneria dell’Informazione Politecnico di...

Documents

Transcript of CEFRIEL Consorzio per la Formazione e la Ricerca in Ingegneria dell’Informazione Politecnico di...