Laboratorio di Informatica Architettura di un elaboratore Lezione 1.

Laboratorio di Informatica

Architettura di un elaboratoreLezione 1

AA 2005/06© Alberti, Bruschi, Rosti

Architettura di un elaboratore

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Le principali componenti

• Un elaboratore è composto da 3 componenti principali:• Il microprocessore • La memoria• I dispositivi di Ingresso/Uscita



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Le principali componenti

• Le componenti sono interconnesse

• Il processore comunica con la memoria• La memoria si interfaccia con le unità

periferiche• Le unità periferiche si interfacciano con gli

utenti



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Schema dell’architettura

Processore Memoria I/O



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Schema delle interconnessioni

• Le componenti sono tra loro interconnesse

Il processore



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Il processore

• Il processore è composto da due componenti:

DATAPATH

CONTROLLER



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Il processore

• Il datapath o unità di elaborazione• L’insieme dei circuiti che operano e manipolano i

dati

• Il controller• L’insieme dei circuiti che interpretano un

programma e sovraintendono all’esecuzione delle istruzioni da parte delle altre componenti del calcolatore



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Ciclo del processore

• Il processore esegue in continuazione il ciclo• preleva-interpreta-esegui

preleva

Preleva dalla memoria principale la prossima istruzione di un programma

interpreta

Decodifica l’istruzione

esegui

Esegui l’istruzione



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Il linguaggio del processore

• Ogni modello di microprocessore ha un proprio linguaggio macchina diverso da quello di altri processori

• Ogni modello di microprocessore riconosce solo programmi scritti nel proprio linguaggio macchina

• Il linguaggio macchina contiene tutte e sole le operazioni che possono essere eseguite dal microprocessore



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Linguaggio macchina

• Un processore con 2 registri R1 e R2• Si debbono sommare i contenuti delle locazioni di

memoria var1 e var2 e archiviare in tot• L’operazione di somma è possibile solo sui dati

archiviati nei registri• Trasferisci il contentuto di var1 nel registro R1• Trasferisci il contentuto di var2 nel registro R2• Somma il contenuto dei due registri• Trasferisci il risultato nella locazione di memoria tot



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Linguaggio macchina –2

• È necessario disporre di• Istruzioni per il trasferimento di dati dalla memoria

ai registri e viceversa• Istruzioni aritmetiche/logiche• Eventualmente istruzioni di controllo• Esempio:

load R1, var1load R2, var2add R1, r2store R1, tot



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Linguaggio macchina - 3

se a=b allora c:=0 altrimenti c:=a+b

load R1, a

load R2, b

sub R1, R2

jzero R1, fine

load R1, a

add R1, R2

fine: store R1, c



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Le operazioni elementari

• Ogni istruzione del linguaggio macchina viene eseguita da un microprocessore svolgendo una serie di passi, le operazioni elementari

• Il numero di operazioni elementari necessario a portare a compimento un’istruzione in linguaggio macchina è dell’ordine di 7-10



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Il ciclo di clock

• Ciclo di clock• Parametro caratteristico di un processore è la

durata del ciclo di clock• Indica il tempo richiesto dal microprocessore a

compiere un’operazione elementare• La frequenza del clock è espressa in MHz (Mega

Hertz) ed è l’inverso della durata del ciclo espressa in μs = 10-6 s



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La velocità dei processori

• Dati 2 processori con lo stesso linguaggio macchina, risulterà più veloce quello con frequenza di clock maggiore

• Non è possibile dire nulla su processori con linguaggi macchina diversi• Es. Pentium Vs. PowerPC



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Confronto tra processori diversi

• Dati i calcolatori A e B con diversi linguaggi macchina• Clock di A è 500MHz • Clock di B è 400MHz• Il linguaggio di A richiede l’esecuzione di 10 operazioni

elementari per ogni istruzione• Il linguaggio di B ne richiede 6

• Per eseguire un programma di 100M istruzioni di linguaggio macchina• A impiegherà 2s = (100 * 106 * 10)/(500 * 10-6)s• B impiegherà 1,5s = (100 * 106 * 6)/(400 * 10-6)s



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La frequenza

• La frequenza di clock non è quindi un indice assoluto per quanto riguarda la bontà di un microprocessore

• Attualmente si trovano in commercio microprocessori che operano a frequenze di 1 GHz (1 Giga Hertz)



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Processori

• I microprocessori più diffusi, prodotti da case diverse, sono:

• Intel (x86)• Motorola (68xxx)• IBM (PowerPC)• HP (PA-RISC)• DEC (Alpha)



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Un processore

La memoria



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La memoria

• Svolge la funzione di magazzino per i programmi e i dati su cui deve operare il microprocessore

• L’informazione digitalizzata viene rappresentata e salvata in memoria sotto forma di numeri binari

• Dati e programmi sono memorizzati in unità minime chiamate Byte• Un byte è a sua volta costituito da 8 bit, una

sequenza di 8 cifre binarie



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La memoria

0 1 1 0 0 0 1 0

Il significato della stringa di bit dipende dalla codificase letto come testo, è la lettera bse letto come numero, è il valore 98



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Rappresentazione binaria

• La singola cifra binaria è detta bit (0 o 1)

• La scelta è dettata da ragioni di praticità ed economia

• Il bit rappresenta due stati• Come una lampadina: accesa (1) o spenta (0)

• Combinazioni di bit in sequenze di lunghezza opportuna rappresentano i dati



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Combinazioni di bit1 bit

01

2 bit

00011011

3 bit

000001010011100101110111

4 bit

00000001001000110100010101100111

10001001101010111100110111101111

Ogni bit in più raddoppia il numero delle combinazioni possibili



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Combinazioni di bit

• Ogni combinazione rappresenta un valore diverso• Ci sono 2N combinazioni lunghe N bit

• Quindi, ci vogliono N bit per rappresentare 2N valori distinti

21 = 2 valori

22 = 4 valori

23 = 8 valori

24 = 16 valori

25 = 32 valori

1 bit ?

2 bit ?

3 bit ?

4 bit ?

5 bit ?

Quanti valoripossiamo

rappresentare con



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Struttura della memoria

La memoria è organizzata in locazioni di memoria o celle

92789279

9280928192829283928492859286

Ogni cella ha un indirizzo numerico, che la identifica univocamente



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Struttura della memoria - 2

92789279

9280928192829283928492859286

Valori grandi possono essereimmagazzinati in celleconsecutive (2/4/6 byte)

10011010La memoria è organizzata in celle di una data lunghezza (spesso 1 byte di 8 bit)



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Dimensione della memoria

• La capacità di immagazzinare informazione in memoria (storage capacity) è indicata dal numero di byte di cui è costituita

• La capacità è espressa in diverse unità di misura:

KB 210 = 1024

MB 220 (> 1 milione)

GB 230 (> 1 miliardo)

TB 240 (> 1000 miliardi)

unità simbolo numero di byte

kilobyte

megabyte

gigabyte

terabyte



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La memoria

• Per questioni di costi ed efficienza la memoria di un elaboratore è distribuita su dispositivi hardware diversi, che nel loro insieme costituiscono il sistema memoria dell'elaboratore, più comunemente chiamato

gerarchia di memoria



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La memoria

• Ai livelli più alti di questa gerarchia sono presenti le memorie più veloci, e quindi più costose. Ai livelli bassi sono presenti le memorie più economiche ma anche più lente

• La velocità di una memoria è misurata in base al tempo di accesso speso dal microprocessore



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La memoria

• I livelli di memoria generalmente presenti sono• i registri, le cache, la memoria centrale, i dischi.

• Una configurazione standard di un PC• 32 registri, 256Kbyte di cache, 64-128MB di

memoria centrale e un disco di 16GB.



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La memoria

• I livelli più alti sono più vicini al processore• registri nel datapath• memoria cache sul chip del processore

• Il livello intermedio è la memoria centrale• 64-128KB, su chip separati

• I livelli bassi sono fisicamente lontani• dischi, nastri, CD-ROM



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La memoria



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Legenda della figura

• I registri sono nel chip del processore.

• La cache di I livello può anch’essa essere nel processore o esterna.

• Backing store quando c’è svolge le funzioni di buffer per i dischi. Questa funzione può essere svolta dalla memoria centrale.

• I nastri magnetici sono piuttosto in disuso, al loro posto si usano spesso batterie di cd-rom.



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Memorie: confronti

SRAM (Static RAM) per le cache di I e II livello

DRAM (Dynamic RAM) per la memoria

memorie Tempo di accesso Costo in $ nel 97

SRAM 5 -25 ns 100 -250

DRAM 50 -120 ns 5 -10

Dischi magnetici

10 -20 milioni di ns 0.10 - 0.20



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La memoria

• Esistono due categorie di dispositivi di memoria: • le memorie volatili • le memorie non volatili



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La memoria

• Le memorie volatili sono i dispositivi di memoria che perdono il loro contenuto quando viene loro a mancare l'alimentazione elettrica

• Le memorie non volatili invece mantengono l'informazione registrata anche in assenza di alimentazione elettrica



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Le memorie volatili

• genericamente indicate con il termine RAM (Random Access Memory)• i registri di CPU, le cache e la memoria centrale • sono realizzati rifacendosi alla tecnologia dei

circuiti integrati



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Le memorie volatili



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Le memorie non volatili

• I dispositivi più diffusi come memoria non volatile, sono i dischi magnetici



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La memoria

• A elaboratore spento tutte le informazioni risiedono su disco

• All'accensione, le informazioni necessarie al funzionamento vengono trasferite da disco a memoria centrale, sino ai livelli più alti della gerarchia di memoria in funzione del loro utilizzo

I dispositivi di I/O o periferiche



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I dispositivi di I/O

• Rappresentano l’interfaccia del calcolatore verso il mondo esterno



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monitor

tastiera

memoriaprincipale

processore

dischetto

disco rigido

Le periferiche di input e output consentono interazione

schermitastieremousescannertouch screen



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I dispositivi di input

• I dispositivi di input acquisiscono informazioni espresse in un formato consono all’operatore umano

• Le traducono in un formato consono all’elaboratore

• le trasmettono alle componenti opportune del calcolatore• Es.: mouse, tastiera, scanner, microfono



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I dispositivi di output

• I dispositivi di output acquisiscono informazioni dall’elaboratore nel formato di rappresentazione interno

• le traducono in un formato consono all’operatore umano

• le visualizzano• Es.: video, stampante



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• Ogni periferica è costituita da 3 componenti:• Una componente visibile, il dispositivo in senso

lato detto device• Una componente elettronica di controllo chiamato

device controller• Una componente software device driver



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Il controller

• Riceve gli ordini dal microprocessore e li impartisce al dispositivo fisico

• Risiede su un circuito stampato ed è solitamente esterno all’unità periferica ed all’interno dello chassis

• Il collegamento tra il controller e la periferica avviene attraverso opportuni connettori



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Il device driver

• Componente sw necessaria per la gestione della periferica

• Ogni periferica ha un proprio driver che viene consegnato su un disco all’atto dell’acquisto della periferica

• Prima di utilizzare la periferica è necessario installare il driver corrispondente



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I Bus

• I controller di tutte le periferiche devono essere collegati al microprocessore per poter prendere ordini dallo stesso

• Per svolgere questa funzionalità ogni elaboratore è provvisto di uno o più bus• il bus è un insieme di cavi• il bus fa convergere al microprocessore le

informazioni provenienti dai vari controller• paragonabile ad una strada su cui convergono più

vie laterali provenienti dai vari controller



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I Bus• Periferiche diverse possono usare tipi di bus diversi,

in genere in funzione della velocità di trasmissione dati

• I bus più diffusi:• PCI

• Generalmente usato sulla scheda madre tra memoria e processore

• SCSI• Usato per diversi tipi di periferiche in catena

• IDE• Generalmente usati per i dischi

• USB• Usato per periferiche di I/O



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Monitor

• La dimensione fisica di un monitor (17") si misura diagonalmente, come per la TV

• I monitor di oggi hanno capacità multimediali

• gestiscono testo, grafica, video, graphics, video …

• Un monitor ha una risoluzione, che indica il numero di picture elements, detti pixels, che può visualizzare (es: 1280 per 1024)

• Una risoluzione alta (più pixels) fornisce immagini più chiare



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Modem

• Ci sono strumenti per trasferire dati tra due computer

• Molti computer incorporano modem, che consente di trasferire dati sulla linea telefonica

• Uno strumento per trasferire dati ha una velocità massima di trasferimento

• Un modem può avere una velocità di trasferimento di 56,000 bits per second (bps)



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Le specifiche del computer

• Dare le specifiche di un personal computer, ad esempio:

• 600 MHz Pentium III Processor• 256 MB RAM• 16 GB Hard Disk• 24x speed CD ROM Drive • 17” Multimedia Video Display con risoluzione 1280 x 1024• 56 Kps Modem

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