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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA, INFORMAZIONE E BIOINGEGNERIA

INFORMATICA B Ingegneria Elettrica

L’architettura del calcolatore


Hardware

•  Componenti fisiche: circuiti, schede, memorie, periferiche, stampanti, monitor...

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Software

•  I programmi eseguibili (istruzioni e dati) che consentono all'hardware di compiere determinate funzioni

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La macchina di Von Neumann

RAM MEMORIA

CENTRALE

BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO

INTERFACCE UNITA’

PERIFERICHE

CPU

MM OUTPUT INPUT INPUT

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Elementi principali

•  CPU o Unità di elaborazione •  Elabora dati, coordina trasferimento dei dati •  Esegue i programmi, cioè interpreta ed esegue le loro istruzioni

•  Memoria Centrale •  Memorizza dati e programmi in esecuzione •  Capacità limitata

–  Volatile –  Accesso all’informazione molto rapido

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Elementi principali

•  Memoria secondaria o memoria di massa §  Memorizza grandi quantità di dati e programmi §  Persistente §  Accesso molto meno rapido della memoria centrale

•  Unità periferiche (I/O) §  Comunicazione con l’ambiente esterno §  Tastiera, mouse, video, altoparlanti, stampanti §  L’ambiente esterno non è sempre un utente umano (impianti

industriali, robot, strumenti di controllo)

•  Bus di sistema §  Collega i componenti e consente scambio di dati

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Architettura del calcolatore

RAM MEMORIA

CENTRALE


INTERFACCE UNITA’

PERIFERICHE

CPU


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Le memorie di massa

•  L’informazione è memorizzata su supporto magnetico (o ottico o altro...) di costo contenuto

•  Memoria permanente: le informazioni sono strutturate in file gestiti dal sistema operativo

•  Tipi di memorie di massa: §  Dischi rigidi: tempi di accesso dell’ordine della decina di millisecondi;

DIMENSIONE: Terabyte §  Dischi stato solido (SSD): tempi d’accesso ridotti 0.1 millisecondi;

DIMENSIONI: centinaia di Megabyte §  Nastri e Cartucce: per memorizzare informazioni “storiche” (back-‐up) §  Chiavette USB: basate su memorie flash (2-‐64 GB) §  CD-‐ROM e DVD-‐ROM: sola lettura

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Struttura dei dischi rigidi (HardDisk)

•  Struttura: §  Il disco è composto da una serie di piatti ricoperti da una pellicola

magnetica §  Ogni piatto ha due superfici su cui vengono memorizzati i dati §  Ogni superficie è organizzata in cerchi concentrici detti tracce §  Le tracce sono divise in spicchi di grandezza uguale detti settori ciascuno

dei quali memorizza una data quantità di informazioni §  Le operazioni di lettura e scrittura vengono effettuate tramite le testine §  Il controller è un componente elettromeccanico che esegue le operazioni

di lettura e scrittura

contro

ller

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RAM MEMORIA

CENTRALE


INTERFACCE UNITA’

PERIFERICHE

CPU


10


La memoria centrale

•  Contiene le istruzioni e i dati su cui la CPU può operare §  Contiene, cioè, sia i dati che i programmi §  Tutta l’informazione, per poter essere elaborata, deve passare dalla

memoria centrale (e successivamente caricata in uno dei registri della CPU)

•  Rispetto alla memoria di massa §  Memoria a breve-‐medio periodo §  Volatile

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•  Dimensioni ridotte §  Ordine dei GigaByte

•  Tempi di accesso §  ordine delle decine di nanosecondi

•  circa centinaia di migliaia di volte più veloce delle memorie di massa

•  È un insieme ordinato di parole (celle) §  Una parola = n elementi di memoria binari (8, 16, 32, 64 bit) §  La posizione di ogni parola è identificata da un indirizzo

•  La capacità di indirizzamento in memoria è definita dalle dimensioni del bus indirizzi e del registro indirizzi

La memoria centrale

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RAM e ROM

•  RAM: Random Access Memory §  Le celle sono indirizzabili in un ordine qualunque (accesso random =

diretto) §  Il tempo di accesso non dipende dalla cella

•  ROM: Read-‐Only Memory §  Per programmi protetti e definiti dal costruttore

•  Il BIOS (Basic I/O System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa

§  Esistono di diversi tipi •  “Erasable”, “Programmable”, (EPROM) •  Memorie flash (evoluzione delle EPROM) •  Una via intermedia tra Hardware e Software (Firmware)

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Tecnologie di memoria centrale

•  La memoria RAM §  È realizzata mediante circuiti a transistori §  È modificabile (leggibile e scrivibile) ma deve essere continuamente

alimentata per mantenere le informazioni (volatile) §  All’accensione il suo contenuto è una sequenza casuale di 0 e 1

•  La memoria ROM §  È solo leggibile: le informazioni sono di solito scritte in modo

permanente dal costruttore §  È caricata al momento della produzione del calcolatore §  Vi si accede ogni qualvolta questo viene acceso §  Contiene il bootstrap, un programma contenente le prime istruzioni

che la CPU deve eseguire

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Indirizzamento della memoria centrale

•  Esiste un registro (registro indirizzi -‐ AR) della CPU per indirizzare la memoria

•  Registro di k bit: può indirizzare 2k celle §  Con 10 bit indirizzo 1.024 celle

•  1 “kilo-‐parole” §  Con 20 bit, 1.048.576 parole

•  1 “mega” parole §  30(giga), 40(tera), 50(peta)

Celle - hanno un indirizzo - contengono parole

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Registro Indirizzi (AR)

Registro Dati (DR)

h =16 bit

cella selezionata

k = 12 bit h = 16 bit

Esempio di RAM da 8 KByte

4.096 parole

000100110010

1001011001010010

1001011001010010

0

562

4.095

indirizzi delle celle

Indirizzamento della memoria centrale

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RAM MEMORIA

CENTRALE


INTERFACCE UNITA’

PERIFERICHE

CPU


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La CPU

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La CPU

•  Contiene gli elementi circuitali che regolano il funzionamento del calcolatore: §  L’unità di controllo è responsabile della decodifica e dell’esecuzione delle

istruzioni. È la parte che “dirige” l’esecuzione di tutte le altre parti §  L’orologio di sistema (clock) permette di sincronizzare le operazioni

temporizzando il funzionamento del calcolatore §  L’unità aritmetico-‐logica (ALU) realizza le operazioni aritmetiche e logiche

eventualmente richieste per l’esecuzione dell’istruzione. È priva di facoltà di scelta

§  I registri sono piccole memorie velocemente accessibili, utilizzate per memorizzare risultati parziali o informazioni necessarie al controllo. L’insieme dei valori contenuti nell'insieme di tutti i registri in un dato istante dell’elaborazione viene chiamato contesto

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La CPU

•  I registri della CPU: §  Registro contatore di programma (PC) contiene l’indirizzo di memoria della

prossima istruzione da eseguire §  Registro istruzione corrente (CIR) contiene l’istruzione correntemente in

esecuzione §  Registri operandi (A, B) contiene gli operando su cui eseguire la prossima

operazione con la ALU §  Registri di lavoro contengono i dati utilizzati di frequente nelle operazioni o

risultati intermedi (in genere i registri operandi e i registri di lavoro sono stati uniti in un’unica struttura contenente una serie di registri chiamato banco di registri)

§  Registro di stato (SR) contiene alcune informazioni sull’esecuzione dell’ultima operazione della ALU (bit di overflow, bit di segno, bit zero)

§  Registro indirizzi (AR) contiene un indirizzo di memoria in cui fare un’operazione di lettura/scrittura

§  Registro dati (DR) contiene un dato da trasferire alla memoria o ricevuto dalla memoria

§  Registro interruzioni (INTR) contiene informazioni sullo stato di funzionamento delle periferiche

§  Registro stack pointer (SP) indica l’indirizzo di memoria in cima alla stack del programma in esecuzione

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Formato delle istruzioni in linguaggio macchina

•  Costituite (ovviamente) da sequenze di 0 e 1 §  Campo codice operativo (obbligatorio) specifica l’operazione da

eseguire §  Campo operandi (facoltativo) indica i dati da utilizzare (gli operandi

possono essere uno o due) •  Può contenere direttamente il valore o l’indirizzo della cella che contiene

il valore (riferimento a una variabile) §  FORMATO ISTRUZIONE:

Cod. operativo Operandi

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Formato delle istruzioni in linguaggio macchina

•  Istruzioni di elaborazione dei dati §  Eseguono un’operazione aritmetico/logica/relazionale su due dati

specificati in due registri (in genere A e B) o in un registro ed una costante e salvano il risultato in un registro (A)

•  Istruzioni di trasferimento dei dati §  Eseguono un’operazione di trasferimento di un dato da un registro di

lavoro alla memoria o viceversa

•  Istruzioni di salto (modifica del flusso di controllo) §  Valutano una condizione semplice (in genere confrontano il

contenuto di un registro con il valore 0) e se la condizione risulta vera modificano il contenuto del registro PC con un valore contenuto in un altro registro o specificato nell’istruzione stessa

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Fasi del Ciclo di CPU

•  La CPU esegue ciclicamente tre fasi §  Durante una fase viene eseguita un’istruzione

•  Prelievo (o Fetch): §  Contenuto di registro PC trasferito in registro AR §  Lettura da memoria centrale trasferito in registro DR §  Contenuto del registro DR trasferito in registro CIR §  Incremento del contenuto di registro PC

•  Decodifica: interpretazione codice operativo •  Esecuzione: attivazione esecuzione pertinente all’operazione

§  Dipendono dal tipo di istruzione

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Fasi del Ciclo di CPU

•  Esecuzione delle istruzioni di elaborazione §  Il contenuto di due registri (A e B o anche un registro di lavoro) viene inviato alla ALU §  L’ALU esegue l’operazione §  Il risultato viene salvato in un registro di lavoro (A o B o un altro registro di lavoro)

•  Esecuzione delle istruzioni di scrittura in memoria §  Il contenuto di un registro di lavoro viene trasferito al registro DR §  L’indirizzo viene trasferito nel registro AR §  Viene richiesta l’operazione di scrittura

•  Esecuzione delle istruzioni di lettura da memoria §  L’indirizzo viene trasferito nel registro AR §  Viene richiesta l’operazione di lettura §  Il contenuto del registro DR viene trasferito in un registro di lavoro

•  Esecuzione delle istruzioni di salto §  Il contenuto di un registro viene inviato alla ALU §  La ALU valuta la condizione (e.g. valore del registro == 0 ?) §  Se il risultato è vero (si controlla il registro di stato), il contenuto del registro PC viene

modificato copiandoci il contenuto di un altro registro di lavoro o una costante specificata nell’istruzione

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Esempio di esecuzione di un programma

•  Esempio di codice C: scanf(“%d”,&a);

scanf(“%d”,&b); scanf(“%d”,&c);

scanf(“%d”,&d);

z=(a+b)*(c+d);

printf(“%d”,z);

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•  Codice macchina risultante:

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0100000000010000 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 16 (a) 0100000000010001 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 17 (b) 0100000000010010 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 18 (c) 0100000000010011 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 19 (d) 0000000000010000 Carica il contenuto della cella 16 (a) nel registro A 0001000000010001 Carica il contenuto della cella 17 (b) nel registro B 0110000000000000 Somma i registri A e B 0010000000010100 Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris.parziale) 0000000000010010 Carica il contenito della cella 18 (c) nel registro A 0001000000010011 Carica il contenito della cella 19 (d) nel registro B 0110000000000000 Somma i registri A e B 0001000000010011 Carica il contenuto della cella 20 (z) (ris. parziale) in B 1000000000000000 Moltiplica i registri A e B 0010000000010100 Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris. totale) 0101000000010100 Scrivi il contenuto della cella 20 (z) (ris. totale) in output 1101000000000000 Halt



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0100000000010000 0100000000010001 0100000000010010 0100000000010011 0000000000010000 0001000000010001 0110000000000000 0010000000010100 0000000000010010 0001000000010011 0110000000000000 0001000000010011 1000000000000000 0010000000010100 0101000000010100 1101000000000000

Cella 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15

Spazio riservato per a 16 Spazio riservato per b 17 Spazio riservato per c 18 Spazio riservato per d 19 Spazio riservato per z 20

•  Organizzazione dei dati in memoria:



•  Fetch della prima istruzione:

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0000000000 PC

AR

0100000000010000

Memoria centrale (MM)

0

DR

1023

CIR

0000000000

0100000000010000

0100000000010000

Passo 1 Passo 2

Passo 3

Passo 4 Il valore di PC viene incrementato

0000000001



•  Decode della prima istruzione:

29

0100000000010000 CIR

Codice operativo 0100 = leggi da input



•  Execute della prima istruzione:

30

AR

Memoria centrale (MM)

0

DR

1023

0001000000011111 PDR

0100000000010000 CIR 16

Valore di a letto dall’input (es. 4127)

Indirizzo operando 00000010000 = cella 16

0000010000

0001000000011111

0001000000011111

Passo 1

Passo 2

Passo 3



RAM MEMORIA

CENTRALE


INTERFACCE UNITA’

PERIFERICHE

CPU


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Il bus di sistema

•  Insieme di connettori (conduttori elettrici) che trasportano bit di informazioni collegando fra di loro l’unità di elaborazione, la memoria e le varie interfacce di ingresso/uscita

•  I trasferimenti sono gestiti dalla CPU (modalità master/slave) e si chiamano cicli del bus, che con la sua capacità ne determina la velocità

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Componenti del bus di sistema

•  Bus Dati §  Trasferisce dati da master a slave e viceversa

•  Bus Indirizzi §  Trasferisce indirizzi, per esempio l’indirizzo di un dato dal registro

indirizzi alla memoria, per accedere al dato stesso

•  Bus di Controllo §  Read/Write §  Errore §  Richiesta e risposta (lavoro eseguito) §  Memoria o I/O

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Componenti del bus di sistema

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Registro istruzione corrente (CIR)

Registro dati (DR) Registro indirizzi

(AR)

Registro contatore di programma (PC)

Registro di stato (SR)

Registro interruzioni (INTR)

A

B

Unità di controllo (CU)

Clock

Unità aritmetico logica (ALU)

CPU

Bus di sistema


Operazioni di trasferimento sul bus

• Operazione di lettura da memoria centrale (LOAD): 1.  la CPU carica l’indirizzo della parola di memoria nel registro AR e lo

trasmette alla memoria via bus indirizzi 2.  la CPU invia il comando di Read Memory sul bus di controllo 3.  la memoria trasmette sul bus dati il contenuto della parola verso il

registro DR 4.  la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione

è stata completata con successo: il dato si trova nel registro dati

35



36

CIR

DR AR

PC SR

INTR A

B

CU Ck

ALU

0

1023

123 42 123

123

Passo 1

READ

Passo 2

42

Passo 3

OK

Passo 4



• Operazione di scrittura in memoria centrale (STORE): 1.  la CPU carica indirizzo della parola di memoria dove si vuole scrivere

nel registro AR e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi 2.  la CPU carica nel registro DR la parola da scrivere in memoria 3.  la CPU invia il comando di Write Memory sul bus di controllo 4.  la CPU trasmette sul bus dati il contenuto del registro DR verso

l’indirizzo di memoria segnalato 5.  la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione

è stata completata con successo: il dato si trova nella parola di memoria destinazione

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38

CIR

DR AR

PC SR

INTR A

B

CU Ck

ALU

0

1023

123 42 123

123

Passo 1

WRITE

Passo 3

OK

Passo 5

70

Passo 2

70

Passo 4



RAM MEMORIA

CENTRALE


INTERFACCE UNITA’

PERIFERICHE

CPU


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Interfacce di I/O

•  Consentono il collegamento tra elaboratore e periferiche •  Possono essere dispositivi elettromeccanici •  Contengono registri accessibili dalla CPU per

§  Inviare comandi alla periferica •  Registro comandi periferica (PCR) – collegato al bus di controllo

§  Scambiare dati •  Registro dati della periferica (PDR) –

collegato al bus dati

§  Controllare il funzionamento della periferica •  Registro stato periferica (PSR) – pronto,

occupato, errore, ...

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Bus di sistema

Peripheral Data Register (PDR)

Peripheral Command Register (PCR)

Peripheral State Register (PSR)

Interfaccia periferica 1


Il sistema operativo

•  Il sistema operativo è un programma che viene utilizzato per far fronte alla complessità della gestione del calcolatore

•  Obiettivi: §  Gestione delle risorse §  Fornire una visione di macchina semplificata ed estesa ad i programmi in

esecuzione

•  Macchina semplificata: fornisce ai programmi una serie di funzioni di alto livello per interagire con il calcolatore

•  Macchina estesa: mostra al programma una macchina con maggiori risorse rispetto a quelle reali

•  Funzioni: §  Gestione dei processi: gestisce più programmi in esecuzione

contemporaneamente §  Gestione della memoria: gestisce la memoria principale che viene utilizzata dai

programmi in esecuzione §  Gestione dei dispositivi: fornisce un’interfaccia semplificata (basata su driver) per

l’utilizzo delle periferiche §  Gestione del file system: organizza in modo strutturato le informazioni sulla

memoria di massa

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