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I.1Calcolatori Elettronici, Proff. S. Salza e G. Santucci a.a. 00-01

Parte I

Evoluzione dei Sistemidi Elaborazione


Contenuti del Corso

• L’architettura dell’elaboratore e lesue componenti

– Struttura a livelli– CPU, memoria, dispositivi di I/O– Sottosistemi di I/O– Periferiche

• Il livello della logica digitale– Circuiti logici di base– L’unità aritmetico logica– La memoria centrale– I bus e la gestione dell’I/O

• Il governo dell’unità centrale– Governo a microprogramma– Pipelining– Memorie cache


• L’architettura della macchina standard– Formato delle istruzioni– Modalità di indirizzamento– Istruzioni di I/O– Trap e interruzioni

• Il Sistema Operativo– Gestione della memoria– Gestione dei processi– Il File System

• Traduzione e collegamento– Linguaggi di programmazione– Assemblatori– Collegatori e caricatori

• Architetture parallele– Architetture SIMD– Architetture Shared-Memory– Massive Parallel Processors


Esercitazioni

• Programmazione in linguaggio C

• Enfasi sulle caratteristiche dellinguaggio e non sugli algoritmi

• Gestione dell’ I/O

• Manipolazione di stringhe

• Accesso al Laboratorio di Calcolodella Facoltà

• Distribuzione di Software:compilatori C ecc.


Riferimenti

• A.S. Tanenbaum: Architettura dei com-puter: un approccio strutturato, 4a ed.,UTET, 2000.

Edizione originale:

• A.S. Tanenbaum: Structured ComputerOrganization, 4th ed., Prentice-Hall, 1999

Per il linguaggio C:

• Darnell-Margolis, C Manuale di Pro-grammazione, Mc Graw-Hill (ristampa)

• Dispensa, Esercizi d’esame svolti diprogrammazione in C, a cura di S. Salza,G. Santucci, A. Scharef


Modalità di esame

• Prova scritta– Teoria: esercizi e domande 1.5 h– C: programmi e domande 1.5 h

• Orale– Discussione della prova di teoria– Discussione della prova di C e deiprogrammi svolti su calcolatore

• Colloquio: la prima volta in assolutoche ci si presenta all’esame (rispondereall’appello equivale a sostenere il col-loquio)

• Oltre il colloquio (uno nella vita) sipuò sostenere l’esame al massimo 2volte per anno accademico, e una persessione


Prenotazioni esami

• Le prenotazioni vanno effettuate viaInternet, all’indirizzo:

http://151.100.8.33:8080/index.html

• È possibile sia prenotarsi checancellarsi fino ad una settimana primadell’esame

• Si raccomanda di cancellarsi, quandosi decide di non venire

Prenotarsi per due volte all'esamesenza poi sostenerlo e senza averannullato la prenotazione verràconsiderato come aver sostenuto

una prova con esito negativo


Evoluzione degli Elaboratori

N.B. Quasi tutta l’evoluzione ha avutoluogo negli ultimi 50 anni


Generazione 0 (1600-1945)

• Pascal (1623-1662)– Pascaline: addizioni e sottrazioni

• Leibniz (1646-1716)– Anche moltoplicazioni e divisioni

• Charles Babbage (1792-1871)A) Macchina Differenziale

• Algoritmo fisso (differenze finite)• Output su piastra di rame

B) Macchina Analitica• Prima macchina programmabile• Primo programmatore: Ada

Lovelace (figlia di Lord Byron)• Memoria: 1000 x 50 cifre decimali• Mulino (CPU)• I/O su schede perforate• Limite: tecnologia meccanica


Generazione 0 (continua) (Macchine elettromeccaniche)

• Konrad Zuse (~1930 Germania)

–Macchina a relè

– Distrutte nella guerra

• John Atanasoff (~1940 USA)

– Aritmetica binaria

– Memoria a condensatori

• Howard Aiken (~1940 USA)

– MARK 1: versione a relè dellamacchina di Babbage

– Memoria: 72 x 23 cifre decimali

– tempo di ciclo: 6 sec.

– I/O su nastro perforato


I Generazione (1945-1955)(Tecnologia a tubi termoionici)

• COLOSSUS (~1940 GB)– Gruppo di Alan Turing– Decifrazione del codice Enigma– Progetto mantenuto segreto

• ENIAC (~1946 USA)– J. Mauchley, J. Eckert– 18.000 valvole– 30 tonnellate di peso– 140kw assorbimento– Programmabile tramite 6000interruttori e pannelli cablati

– 20 registri da 10 cifre• EDVAC (~1950 USA)

– Successore dell’ENIAC– Mai giunto a termine


La Macchina di Von Neumann

• IAS (~ 1950, Princeton USA)– Programma memorizzato– Aritmetica binaria– Memoria: 4096 x 40 bit– Formato istruzioni a 20 bit:

OPCODE INDIRIZZO

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Sistemi Commerciali

• Inizialmente il mercato è dominatodalla UNIVAC

• L’IBM entra nel mercato nel 1953, eassume una posizione dominante chemanterrà fino agli anni ‘80:

– IBM 701 (1953):• Memoria: 2k word di 36 bit• 2 istruzioni per word

– IBM 704 (1956):• Memoria: 4k word di 36 bit• Istruzioni a 36 bit• Floating-point hardware

– IBM 709 (1958)• Praticamente un 704 potenziato• Ultima macchine IBM a valvole


II Generazione (1955-1965)(Tecnologia a transistor)

• TXO e TX2 macchine sperimentalicostruite allo MIT

• Uno dei progettisti del TX2 fondauna propria società la DigitalEquipment Corporation (DEC)

• La DEC produce il PDP-1 (1951):

– Memoria: 4k parole di 18 bit

– Tempo di ciclo di 4µsec

– Prestazioni simili all’IBM 7090

– Prezzo meno di un decimo

– Schermo grafico 512 × 512 pixel(primi videogiochi)

– Comincia la produzione di massa


Sistemi Commerciali

Mainframe : grossi calcolatori perapplicazioni scientifiche, militari e PA

• IBM 7090– Versione transistorizzata del 709– Memoria 32k word a 36 bit– Tempo di ciclo 2 µsec– Domina il mercato fino agli anni ‘70– Pochi esemplari, costano milioni di $

Piccoli sistemi: per medie aziende o diappoggio ai mainframe

• IBM 1401– Stessa capicità di I/O del 7090– Memoria 4k word 8bit (1byte)– Orientata a caratteri– Istruzioni per la manipolazione distringhe


Il Minicomputer

• DEC PDP-8 (1965)

• Successore diretto del PDP-1

• Interconnessione a bus, molto flessibile

• Architettura incentrata sull’I/O

• Possibilità di connettere qualsiasiperiferica

• Prodotto in oltre 50.000 esemplari


Supercomputer

• Macchine molto potenti dedicate alnumber crunching

• 10 volte più veloci del 7090

• Architettura molto sofisticata

• Parallelismo all’interno della CPU

• Nicchia di mercato molto specifica(resta vero anche oggi)

• CDC 6600 (1964)

• Progettista del CDC 6600 è SeymourCray, poi fondatore della CRAY


III Generazione (1965-1980)

(Tecnologia LSI e VLSI)

• Evoluzione dell’architettura HW:– Microprogrammazione

– Unità veloci floating-point

– Processori ausiliari dedicati allagestione dell’I/O

•Evoluzione dei Sistemi Operativi– Virtualizzazione delle risorse

– Multiprogrammazione: esecuzioneconcorrente di più programmi

– Memoria Virtuale: rimuove lelimitazioni dovute alle dimensionidella memoria fisica


Serie IBM System/360

• L’ IBM introduce una famiglia dielaboratori (passo decisivo)

• Serie IBM System/360

• Macchine con lo stesso linguaggio

• Range di prestazioni (e prezzo) 1-20

• Completa compatibilità

• Portabilità totale delle applicazioni

• Sistema Operativo comune OS/360


Serie DEC PDP-11 e UNIX

• Evoluzione diretta del PDP-8

• Parole di memoria e istruzioni a 16 bit

• Architettura a bus (Unibus)

• Grande flessibilità nella gestione enell’interfacciamento di periferiche estrumentazione al bus

• Domina il mercato fino alla fine deglianni ’70

• Prodotto in milioni di esemplari

• Diffusissimo nelle università

• Supporta il sistema operativo UNIX,indipendente dalla piattaforma

• Influenzerà un’intera generazione diprogettisti e di utenti


IV Generazione: il PC

• Diretto discendente del minicomputer:

– Architettura a bus

– Parole e istruzioni a 16 bit

• Nasce nel 1980 all’ IBM (che dà cosìavvio alla propria decadenza)

• Esplosione del mercato dei ‘cloni’

• Crollo dei costi ed enorme espansionedell’utenza

• Dai grandi Centri di Elaborazione aun contesto di Informatica Distribuita

• L’espansione del PC è trainata da trefattori:

– Aumento della capacità della CPU

– Discesa dei costi della memoria

– Discesa dei costi dei dischi


La legge di Moore (1965)

Il numero di transistor su di un chipraddoppia ogni 18 mesi

• Circa un aumento del 60% all’anno

• Conseguenze:

– Aumento della capacità dei chip dimemoria

– Aumento della capacità delle CPU


Legge di Moore per le CPU

• Più transistor in una CPU significano:

– Eseguire direttamente istruzioni piùcomplesse

– Maggiore memoria sul chip (cache)

– Maggiore parallelismo interno

N.B. Altro fattore tecnologico decisivoè la frequenza di funzionamento


Legge di Nathan

Il software è un gas: riempie semprecompletamente qualsiasi contenitorein cui lo si metta

(ma sicuramente non è un gas perfetto!)

• Al calare dei costi e all’aumentaredella memoria disponibile, le dimen-sioni del software sono sempre cre-sciute in proporzione

• Il Circolo Virtuoso

– Costi più bassi e prodotti migliori

– Aumento dei volumi di mercato

– Fattori di scala nella produzione

– Costi più bassi …...


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Tipologie di computer (2)

• Personal Computer

– Sappiamo chi è

• Server– Su rete locale o Web server– Memorie fino a qualche Gbyte– Molti Gbyte di disco– Gestione di rete efficiente

• COW (Cluster of workstations)– Sistema multiprocessore adaccoppiamento lasco

– Hardware di tipo standard: costicontenuti

– Strutture di connessione veloci– Elevata capacità di elaborazionecomplessiva


Tipologie di Computer (3)

• Mainframe

– Diretti discendenti della serie 360

– Gestione efficiente dell’I/O

– Periferie a dischi di molti Tbyte

– Centinaia di terminali connessi

– Costi di parecchi miliardi

Perché sopravvivono?

– Gestiscono applicazioni legacy

– Costi di migrazione delle appli-cazioni molto superiori a quellidell’HW


La fa

mig

lia In

tel


La Famiglia SPARC

• Scalable Processor ARChitecture• Proposta da Sun Microsystems nel ’87• Dedicata a workstation Unix• Non prodotta direttamente da Sun• Caratteristiche principali

– Insieme ridotto di istruzioni (55)– Esecuzione non interpretata– Architettura a 32 bit– Unità FP addizionale (14 istr.)

• UltraSPARC I (1995)– Registri e indirizzi a 64 bit– VIS (Visual Instruction Set)– Dedicata a sistemi high-end :dozzine di CPU, memorie di Tbyte

• Ultra SPARC II e III


Java e Java Virtual Machine

• Java: linguaggio di programmazioneorientato agli oggetti introdotto da Sun:

– In alternativa al C++

– Risolve i problemi di sicurezza

– Gestione della multimedialità

• JVM (Java Virtual Machine) :

– Macchina virtuale che esegue uncodice speciale (Java byte code)

– Il codice JVM può essere eseguitoda interpreti software su diversepiattaforme

• Obiettivo:

distribuire, eventualmente su rete,software indipendente dalla piatta-forma

I.31C

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Portabilità delle applicazioni Java

JAVACompiler

Codice JAVA

Codice JVM

R E T E

JAVAMachine

(HW)

InterpreteJVM(SW)

CompilatoreJust In Time

(SW)

Codice piattaforma HW


Portabilità ed efficienza

• Vantaggi di Java:

– Indipendenza dalla piattaforma

– Totale portabilità delle applicazioni

• Svantaggi di Java:

– Inefficienza degli interpreti

– Inefficienza del linguaggio

• Tipico contesto applicativo: il Web

– Applets: piccoli programmi inseritinelle pagine html

– I browser hanno al loro internointerpreti JVM

– Semplice sviluppo di applicazioniclient-server su Internet


Java: Soluzioni HW e SW

• Soluzione SW (parziale):

– Compilatori JIT (Just In Time)

– Compilazione al volo subito primadell’esecuzione

– Ritardo di compilazione

• Soluzione HW:

– Java Machine: implementazioneHW della Java Virtual Machine

– PicoJava I e II :

• Architettura definita da Sun

• Diverse implementazionidisponibili

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