Lezione 3 La macchina di Von Neumann - pa.icar.cnr.it · Corso di Laurea Ingegneria Gesonale John...
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Ing. Massimo Cossen.no Lezione 3 La macchina di Von Neumann 1 Corso di Laurea Ingegneria Ges4onale Sistemi Informa.vi Aziendali a.a. 2008/2009
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Ing.MassimoCossen.no
Lezione3
LamacchinadiVonNeumann
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CorsodiLaureaIngegneriaGes4onale
SistemiInforma.viAziendalia.a.2008/2009
CorsodiLaureaIngegneriaGes4onale
John von Neumann e altri grandi
• JohnvonNeumann(1903–1957)– Inventoredell'EDVAC(ElectronicDiscreteVariables
Automa.cComputer),laprimamacchinadigitaleprogrammabiletramiteunsoKwarebasatasuquellachesaràpoidefinital'architePuradivonNeumann.
• AlanTuring(1912–1954)– InventoredellamacchinadiTuring.Unostrumento
teorico,unmetododicalcolospessousatopervalutarelacomplessitàdeglialgoritmi
• KonradZuse(1910–1995)– CostruìloZ1,moltosimileauncomputermoderno:
eraprogrammabile,dotatodiunitàdimemoriaediun'autonomaunitàdicalcoloinvirgolamobilebasatasulsistemabinario,funzionavaadunavelocitàdiclockgeneratadaunmotoreelePrico,regolabilemanualmenteconunpotenziometrodaunminimodicirca0,3ciclialsecondofinoalmassimodi1hertz.
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Il modello
• E’ilmodellosecondoilqualeèorganizzatalamaggiorpartedeimodernielaboratori
• Componen.dellamacchinadiVonNeumann:
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CPUMemoriacentrale
Interfacciaperiferica1
InterfacciaperifericaN
Busdisistema
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Il modello
• L’unitàcentraledielaborazioneoCPUècos.tuitadaicircui.elePronicicapacidileggere(dallamemoriacentrale),decodificare(interpretare)edeseguire(impartendogliopportunicomandiallevariepar.delsistema)leistruzionidiunprogramma,unaallavolta
• L’esecuzionedelleistruzionipuòcomportareoperazionidielaborazionedida.(peresempio,operazioniaritme.che)ovveroditrasferimentodida.(peresempio,dallamemoriacentraleall’interfacciadiunaperiferica)
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Il modello
• Lamemoriacentralecon.eneleistruzionidiunprogrammaeida.necessariallasuaesecuzione
• Leperiferichesonoleapparecchiaturecheconsentonoall’elaboratorediscambiareinformazioniconilmondoesterno,medianteoperazionidiingresso(versol’elaboratore)euscita(versol’esterno).
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Il modello
• Vengonoinrealtàconsiderateappartenen.allamacchinadiVonNeumannsololeinterfaccedicollegamentoversoleperiferiche,mentreleperiferichesonoconsideratecomponen.separa..
• E’danotarecomenelmodellodiVonNeumannanchelememoriedimassasianoinclusetraleperiferiche,inquantofunzionalmenteanalogheaquesteul.me,dalpuntodivistadell’interazioneconl’elaboratore
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Il modello
• Ilbusdisistemaassicuralainterconnessionetraglielemen.dellamacchinadiVonNeumann:tubitrasferimen.dida.avvengonoaPraversoilbus
• IlbusmePeincollegamentologicoidueelemen.coinvol.neltrasferimento,infunzionedell’operazionedaeseguire,mentreilcollegamentofisicoèsemprepresente
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Il modello• LefasidielaborazionesisuccedonoinmodosincronorispePoallacadenzaimpostadaunorologiodisistema(clock):èl’unitàdicontrollo,contenutadentrolaCPU,cheduranteogniintervalloditempocoordinaleabvitàchevengonosvoltedentrolastessaCPUoneglialtrielemen.delsistema
• IllimitepiùevidentedelmodellodiVonNeumannèlarigidasequenzialitàdelsuofunzionamento
• Leevoluzionidiquestomodelloprevedonoperlopiùl’introduzionediformediparallelismonellaesecuzionedelleabvitàdielaborazione
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: le istruzioni
• Da.eistruzionidiprogrammasonocodificateinformabinaria,cioèmediantesequenzefinitedibit.
• Unaistruzionecodificatasicomponediduepar.:ilcodiceopera4voeunoopiùoperandi:
• Ilcodiceopera.voindividua,secondounaconvenzionedipendentedallaspecificamacchina,l’istruzionedaeseguire
• Perognimacchinaesistonotan.codiciopera.vidifferen.quantesonoleistruzionipresen.nell’insieme(set)delleistruzionichelamacchinaèingradodiinterpretareedeseguire
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CO Op.1 Op.n
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: le istruzioni
• Glioperandicontengono,ancorainunaformacodificatadipendentedallaspecificamacchina,leinformazioninecessarieareperireida.suiqualil’istruzionedeveoperare
• IllinguaggiomacchinaèquindistrePamentelegatoallaarchitePuradellamacchina
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: la memoria centrale• ConcePualmente,puòesserevistacomeunasequenzadicelle:ognicelladimemoriacon.eneunaparolaoword
• LeparolediunelaboratorehannotuPelastessalunghezza,mentreelaboratoridifferen.possonoavereparoledilunghezzadifferente
• Valori.picidellalunghezzadiparola:8/16/32/64bit
• Schema.camente,lamemoriapuòessererappresentatacomeunatabella
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: la CPU• Lafiguraseguentemostraicomponen.funzionali
dellaCPUelelorointerconnessioni
12ARDR
CIR
INTR
PC
SR
A
B
ClockCU
ALU
UNITA’DICONTROLLO(CU):èresponsabiledelprelievodelleistruzionidallamemoriacentrale,dellalorodecodificaedell’inviodeisegnalidicontrollochedannoluogoalleoperazioninecessarieperl’esecuzionedell’istruzionedecodificata.
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: la CPU• Lafiguraseguentemostraicomponen.funzionali
dellaCPUelelorointerconnessioni
13ARDR
CIR
INTR
PC
SR
A
B
ClockCU
ALU
OROLOGIODISISTEMA(Clock):sincronizzaleoperazionirispePoadunacertafrequenza.
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: la CPU• Lafiguraseguentemostraicomponen.funzionali
dellaCPUelelorointerconnessioni
14ARDR
CIR
INTR
PC
SR
A
B
ClockCU
ALU
UNITA’ARITMETICO‐LOGICA(ALU):effePualeoperazioniaritme.cheelogiche(eventualmente)richiesteperl’esecuzionedell’istruzione
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: la CPU
• LaCPUcon.eneinoltrediversiregistri.Iprincipalisono:– REGISTRODATI(DR),lungoHbit– REGISTROINDIRIZZI(AR),lungoKbit– REGISTROISTRUZIONECORRENTE(CIR),lungoHbit:con.eneinogniistantel’istruzioneinesecuzione
– CONTATOREDIPROGRAMMA(PC),lungoKbit:con.enel’indirizzodellasuccessivaistruzionedaeseguire
– REGISTROINTERRUZIONI(INTR),con.eneinformazionisullostatodifunzionamentodelleperiferiche
– Registricontenen.operandierisultatodelleoperazioniaritme.co‐logiche(peresempio,AeB)
– Registridilavoro,contenen.da.edistruzionidiusofrequente,ovverorisulta.intermedi
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: la CPU
– REGISTRODISTATO(SR),con.eneindicazioniindicazionirela.vealrisultatodelleoperazionieffePuatedallaALU.Traqueste:• Bitdicarryoriporto(indicalapresenzadiunriporto)• Bitdizero(è1sec’èunvalorenulloinA),• Bitdisegno(èilsegnodelrisultatodiun’operazione)• Bitdioverflow(è1quandoilrisultatodell’ul.maoperazionearitme.casuperailmassimovalorerappresentabile,cioè2H,seHèlalunghezzadiA)
• LemoderneALUsonoingradodieseguireoperazionimoltosofis.cateoltreovviamenteleoperazionialgebricheelogiche
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Funzionamento della macchina di Von Neumann: la CPU
• E’l’unitàdicontrolloche,dopoaverdispostoilcaricamentodiAeBconidueoperandi,inviaallaALUilcodicerela.voall’operazionedaeseguire
• Alterminedell’esecuzionedell’operazione,cheimpegnauncertonumerodiperiodidelclock,ilregistroAècaricatoconilrisultato,mentreilregistroBhauncontenutonondefinito(trannecheperladivisioneintera,perlaqualeBcon.eneilresto)
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