Componenti ed Architetture di...

Componentied Architetture

diElaborazione

AlessandroFarinelli

C.1.1Componenti eArchitetture diElaborazione

Componenti ed Architetture diElaborazione

Alessandro Farinelli

Dipartimento di Informtica e SistemisticaUniversita di Roma “La Sapienza”


diElaborazione

AlessandroFarinelli

C.1.1Componenti eArchitetture diElaborazioneComponentiHardware

C.1.2 Architettura diun Calcolatore

C.1.3 Componenti diElaborazionemultimediale

Cosa e un ElaboratoreBlocchi Funzionali

Immagine tratta da www.dis.uniroma1.it/∼ciciani/DIDATTICA/CALCOLATORI-I/info.html

Blocchi Funzionali Elaboratore Elettronico

Unita di controllo: coordina flusso datiUnita di calcolo: esegue operazioni sui datiMemoria: immagazina i datiInterconnessioni: busDati: segnali elettrici, codifica binaria


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Scheda Madre

Componenti scheda madre

CPU (Central Processing Unit)Sistema ControlloROM (Read Only Memory)Slot per espansioni (Random Access Memory e altro)


diElaborazione

AlessandroFarinelli




CPU

Caratteristiche CPU

Set IstruzioniMemoria Cache: RegistriArithmetic Logic Unit ALUUnita di controllo


diElaborazione

AlessandroFarinelli




CPU

Caratteristiche CPU

Set IstruzioniComplex Instruction Set Computer CISCReduced Instruction Set Computer RISC

Memoria Cache: RegistriArithmetic Logic Unit ALUUnita di controllo


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Funzionamento della CPU

Fasi del Ciclo macchina della CPU

Fetch: caricamento della istruzione che si deveeseguire dalla RAM.Decode: decodifica dell’istruzione.Execute: esecuzione dell’istruzione.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Il concetto di Pipeline

Parallelizzare le operazioni

Le varie fasi del ciclo macchina impegnano diversistadi della CPUMentre un istruzione viene decodificata l’istruzioneseguente viene caricata dalla memoria.Non puo essere fatto per tutte le istruzioni⇒ esistonoprocedure apposite per diverse istruzioniCome la pipeline viene realizzata dipendedall’architettura del processore.L’utilizzo della pipeline aumenta il throughput1

dell’elaboratore.

1Numero di istruzioni eseguite nell’unita di tempo


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Memorie

Operazioni principali

AccessoLetturaScrittura

Caratteristiche Memorie

Sequenziali (Dischi,Nastri, etc.)Casuali (RAM)Sola lettura (ROM)Stabilita temporale

Caratteristiche Memorie

Velocita, tempo per leggere o scrivere un datoCapacita, misurata in multipli di byte (Kilo, Mega, GigaByte).Costo, per bit/byte della memoria.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




ROM

Read Only Memory

Memoria non volatileDati scritti una solaPROM (Programmable ROM) ed EEPROM(Electronically Erasable PROM) consentono un numerolimitato di scritture.Mantengono il BIOS (Basic Input/Otput System) neglielaboratori.Alloggiata sulla scheda madre


diElaborazione

AlessandroFarinelli




RAM

Random Access Memory

Memoria Volatile, organizzata in parole (in genere 4Byte)Utilizzata per immagazzinare dati dinamiciBrevi tempi di lettura/scritturaStatic RAM: piu veloce, alto costoDynamic RAM: piu lenta, basso costo, necessita hwdedicato per aggiornare dati in memoriaPackaging Single Inline Memory Module (SIMM),Double Inline Memory Module DIMM


diElaborazione

AlessandroFarinelli




BUS

Stutture di interconnessione

composti da connettori e mezzi trasmissiviStruttura condivisa da piu dispositiviUn bus puo veicolare: Indirizzi, Dati, Segnali dicontrollo.Un bus puo essere sincrono o asincronoGerarchie di BUSI bus sono interconnessi tramite device dedicati.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




BUS


composti da connettori e mezzi trasmissiviStruttura condivisa da piu dispositiviUn bus puo veicolare: Indirizzi, Dati, Segnali dicontrollo.Un bus puo essere sincrono o asincronoGerarchie di BUS

BUS per la memoria (PCI) e dispositivi di particolarerilevanza (Accelarated Graphic Port) molto performantiBUS con periferiche a basse prestazioni (USB,FireWire, IDE/ATA)

I bus sono interconnessi tramite device dedicati.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




BUS


composti da connettori e mezzi trasmissiviStruttura condivisa da piu dispositiviUn bus puo veicolare: Indirizzi, Dati, Segnali dicontrollo.Un bus puo essere sincrono o asincronoGerarchie di BUSI bus sono interconnessi tramite device dedicati.

SouthBridge⇒ collega bus ad alte prestazioni con glialtri BUSNorthBridge⇒ collega CPU e RAM al PCI (controlloredel sistema)


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Valutazione di un Elaboratore

Parametri di Valutazione di un Elaboratore

Parallelismo processore: dimensione in bit dei regisriinterni (8, 16, 32, 64).Parallelismo memoria: dimensione di ciascun blocco(parola) di memoriaParallelismo dei BUSFrequenza di clock del processore: frequenza delsegnale di temporizzazioneDurata ciclo macchina: ciclo fetch-decode-execute.Numero di operazioni al secondo: MegaFLOPSFLoating point Operations Per SecondBenchmarks: sequenze di operazioni prefissate, simisura tempo di esecuzione


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Sistema di I/O

Componentio necessari alla comunicazioneCPU-periferiche

Interfaccia per inviare e ricevere segnaliUn mezzo ficiso di colegamento (BUS)Un protocollo per scambiare i dati


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Interfacciamento CPU-Periferica

Componenti Interfaccia

Registro Controllo: memorizza comandi dal processorealla perifericaRegistro Stato: memorizza segnali di stato dallaperiferica al processore.Registro Dati: memorizza i dati scambiati con laperiferica.Driver: programma che gestisce la trasmissione dati,usa tali registri


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Controllo Periferica

Controller

Componente dedicato al controllo della perfiferica.Traduce i segnali del BUS in segnali elettrici per laperiferica.Connessione fisica tramite connettori (dipendono dalcontroller e dall’interfaccia)


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Protocollo

Insieme condiviso di regole per la temporizzazione delloscambio dati.

Implementazione

Specificato dalla temporizzazione dei segnali dicontrollo.Processore utilizza il registro di controllo ed il registro distato.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Esempio Protocollo: handshacking lettura

Immagini tratte da www.dis.uniroma1.it/∼ciciani/DIDATTICA/CALCOLATORI-II/info.html


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Meccanismi di comunicazione

Temporizzazione

Sincrona: i due sistemi hanno uno stesso clock chescandisce la communicazione.Asincrona: clock diversi, messaggi di gestione delloscambio.

Tipologie di BUS

PCI bus sincrono.Il bus PCI e il bus di sistemaAltri BUS per le periferiche (USB, firewire, etc. etc.)


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Modalita di gestione della periferica

Polling

Interruzione


diElaborazione

AlessandroFarinelli





Polling

Il processore interroga la periferica sulla possibilita discambiare dati.Conveniente con periferiche che hanno frequentiscambi.

Interruzione


diElaborazione

AlessandroFarinelli





Polling

Interruzione

La periferica ”Interrompe” il processore quando devescambiare dati.L’interruzione viene comunicata scrivendo in unregistro.Esitono routine apposite per gestire l’interruzione.(Interrupt Service Routine).Conveniente per periferiche lente e che scambiano datinon di frequente.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Modalita di scambio dati

I/O bufferizzato

I dati da trasferire vengono memorizzati in appositibufferPuo essere fatto sia in input che in outputRiduce l’overhead di gestione del protocollo di scambioed i conflitti sui BUS.

Direct Memory Access

Area di memoria riservata per la periferica.CPU scrive in memoria e delega al DMA controller loscambio dati.Il DMA controller e un processore dedicato alloscambio dati con la periferica.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Parametri generici periferiche

Problematiche e caratteristiche delle periferiche

Requisiti per lo scambio datiTipologia di connessioneCompatibilita con il sistema operativoModalita di scambio datiParametri specifici della periferica


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Periferiche Ingresso

Principali Periferiche di Ingresso

TastieraCratteristiche: layout (QWERTY), umero tastiCollegamento: cavo (PS/2, USB)

MouseCratteristiche: ”Pallina” + 2 encoder, OtticiCollegamento: cavo (PS/2, USB), radio.

Joystick (non solo ingresso...)


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Periferiche Uscita

Monitor

Dispositivi di Stampa


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Periferiche Uscita

Monitor

Cathode Tube RaySchermo diviso in Pixels, Ciascun Pixels 3 colori (RGB)Caratteristiche: Frequenza refresh, risoluzione (DotsPer Inch), Lunghezza diagonale (pollici)

Thin Film Transitor (Schermo Piatto)Ogni pixel⇒ dispositivo elettronico dedicato.Qualita immagine migliore, angolo di visuale ridotto.Caratteristiche: Tempo di reazione

Collegamento: cavo Video Graphic Array alla scheda video.



diElaborazione

AlessandroFarinelli




Periferiche Uscita

Monitor


AghiNastro tra carta ed aghi, aghi premono sul Nastro

Getto di InchiostroTestine che rilasciano gocce di inchiostro

Laser (oggi utilizzate anche come Plotter)Toner: caricato elettricamente, scaricato selettivamentedal Laser, ricoperto polvere di Inchiostro elettrizzato.Immagine fissata tramite calore (Xerigrafia)

Collegamento: porta parallela, USB, ethernet.Caratteristiche: DPI, colori, vel stampa (pag./min),form. carta.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Tipologie di Connessione

Porta SerialeConnessione tramite unico filoDati serializzatiTastiere, Mouse, Modem.

Porta ParallelaConnessione ParallelaStampante.

PCI Periperal Component InterconnectStandard generico.Autoconfigurazione periferiche.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Tipologie di Connessione... continua

IrDA InfraRed Data AssociationPDA, Palmari.instabile, distanza ridotta.

Blue Tooth (wireless a 2.4 Ghz)Distanze piu ampieTrasferimenti a 2.1 Mbit/sec.

USB (Universal Serial Bus)trasferimenti molto veloci (2.0 480 Mbit/sec).hot swapping (interconessione senza riavvio).dispositivi alimentati tramite la porta.una porta USB puo gestire molti dispositivi (Hub)

FireWireSimile USB (hot swapping, gestione multi-dispositivo)Circa 740 Mbit/sec


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Connessione alla Rete

Dispositivi di Connessione

Modem: interno (bus), esterno (seriale), ethernet(ADSL)PCCards: PCMCIA Personal Computer Memory CardInt. Ass.Scheda di Rete: PCI


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Gerarchie di linguaggio



diElaborazione

AlessandroFarinelli




Architettura CPU


Principali Registri CPU


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Architettura CPU



Instruction Register(IR): Contienel’istruzione inesecuzione. Caricatonella fase di fetch dalController pergenerare i segnali dicontrollo.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Architettura CPU



Program Counter(PC): Contienel’indirizzo dellaprossima istruzioneda eseguire.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Architettura CPU



Memory AddressRegister (MAR):Contiene la locazionedi memoria daleggere.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Architettura CPU



Memory DataRegister (MDR):Contiene l’ultimo datoletto dalla memoria.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Architettura CPU



R1, ..., Rn: Registriinterni del processore.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Linguaggio Assembler

Caratteristiche Linguaggio

Istruzione Assembler⇒ Istruzione processoreIndirizzi di memoria mnemoniciDipende dal processore

Formato Istruzioni

Etichetta Istruzione Operandi CommentiM MOVE R0,R1 ;sposta R0 in R1

Etichetta: rappresenta l’indirizzo simbolicodell’istruzione o del datoIstruzione: codice per l’istruzione da eseguireOperandi: registri o locazioni di memoriaCommenti: commenti del programmatore


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Operazioni di salto

Salto incondizionato

Istruzione JMP ETICHETTAPermette di saltare all’istruzione contenuta inETICHETTACarica ETICHETTA nell PCEquivalente a goto

Salto codizionato

Salta se si verifica una condizioneLe condizioni si riferiscono in genere alle SRParicolare bit dello SR indicano eventi di interesse

flag Overflowflag di Zero

Permette di eseguire l’istruzione if


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Puntatore allo Stack (Stack Pointer)

Permette di gestire pile di datiUtillizzato per gestire sotto-routine (i.e. routine per leinterruzioni)

Gestione sub-routine

Lo stato del processore viene salvato.PUSH dei registri di interesse.PC viene sempre salvato nell SP.Al termine della routine si fanno dei POP dallo SP perripristinare lo stato.


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Sistemi multiprocessore

Caratteristiche

Piu processori sulla stessa scheda madreI processori sono identici e alla stessa frequenza diclockMigliorano le performance della macchina (throughput)Il miglioramento non e lineare nel numero deiprocessori


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Sistemi multimediali

Sistemi che permettono di presentare diversi tipi diinformazione (testo, immagini, musica, etc. ect.)

Esempi

PC + casse + CDRomTelevisione

Interattivita

Flusso di informazioni bidirezionaleEs. televideopresentazione pagina (sistema televideo)scelta pagina (utente)


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Sistemi Multimediali: problematiche

Grandi quantita di dati da elaborare

Molta memoriaRAMMemoria di massa

Processamento dati molto veloceFlusso di dati⇒ Ampia banda passante

Soluzioni

Hw piu performanteCompressione datiSistemi di immagazzinamento dati innovativi


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Standard di compressione/rappresentazionedati

Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPAudioVideo


diElaborazione

AlessandroFarinelli





Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPBMP nessuna compressioneJoint Photographic Experts Group, comprime immagini

AudioVideo


diElaborazione

AlessandroFarinelli





Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPAudio

WAV nessuna compressione, suono campionato (44MHz) e quantizzato (8, 16, 24 bit)MP3 compresso, elimina determinate frequenze,compressione molto elevata.

Video


diElaborazione

AlessandroFarinelli





Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPAudioVideo

MPEG, AVI, QuickTimeProblemi di copyright (dati crittografati)


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Salvataggio dati

Supporti utilizzati

Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskOttici: CD, DVDStato solido: flash card, USB pen


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Salvataggio dati

Supporti utilizzati

Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskLettura e scrittura tramite testinaNastri⇒ tracce, Dischi⇒ settoriFD 1,44 MB, accesso lentoHD decine di GB, accesso molto veloce (microsecondi)

Ottici: CD, DVDStato solido: flash card, USB pen


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Salvataggio dati

Supporti utilizzati

Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskOttici: CD, DVD

Policarbonato rivestito in plastica, informazione data dadepressioni del policarbonato (pit/land).In genere non sono riscrivibili, se riscrivibili scritturelimitateCD 800 MB, DVD-single layer 4.7-8.5 GB, DVD-doublelayer 9.4-17 GBAccesso piu lento di HD, minor velocita rotazione emaggior peso dispositivo ottico lettura

Stato solido: flash card, USB pen


diElaborazione

AlessandroFarinelli




Salvataggio dati

Supporti utilizzati

Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskOttici: CD, DVDStato solido: flash card, USB pen

Simili a ROM programmabili.Al massimo 1 GBTempo di lettura buono tempo di scrittura abbastanzaelevatoDispositivi molto piccoli, comodita d’uso (lettori MP3)

Componenti ed Architetture di...

Documents

Transcript of Componenti ed Architetture di...