Il sistema di elaborazione

Transcript

1 Il sistema di elaborazione Stefano Bilotta Corso di Informatica (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 1 / 57

2 Il termine Informatica Il termine Informatica deriva dall unione delle parole Informazione e Automatica. La Association for Computing Machinery (ACM), una delle principali associazioni di ricercatori e professionisti informatici, definisce l informatica come lo studio sistematico degli algoritmi (ovvero i metodi per la risoluzione di problemi) che descrivono e trasformano l informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione ed applicazione. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 2 / 57

3 Il concetto di Informazione Differenza tra dato e informazione. Il concetto di informazione ha una componente semantica (significato) che manca al concetto di dato, quest ultimo infatti prevede esclusivamente una pura formulazione sintattica (formale). Il concetto di informazione è di fondamentale importanza per la comunicazione tra gli esseri viventi. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 3 / 57

4 I primi supporti per l informazione Gli strumenti che consentono di trattare l informazione sorgono dalla necessità di conservare (memorizzare) l informazione....una vita senza memoria non è vita... I primi strumenti materiali impiegati dall uomo per contare sono state le dita della mano con l ausilio di piccoli oggetti manipolabili e trasportabili (Il termine calcolo ha origine latina e significa appunto sassolino). L abaco: strumento impiegato per svolgere semplici operazioni matematiche, usato sin dal 2000 a.c. in Cina e successivamente tra i Greci e i Romani. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 4 / 57

5 Storia del calcolatore Prime calcolatrici meccaniche: Intorno al 1624 Blaise Pascal (appena 19enne) inventa un dispositivo costituito da ruote dentate in grado di eseguire automaticamente somme e sottrazioni (in aiuto al padre ispettore delle tasse). Leibniz (matematico e filosofo tedesco) ideò intorno al 1672 la prima calcolatrice meccanica in grado di eseguire le 4 operazioni aritmetiche:...è indegno, per uomini eccellenti, perdere il proprio tempo nelle fatiche dei calcoli che potrebbero essere affidati ad una macchina... Inoltre, Leibniz fu uno dei primi pensatori ad avere la meravigliosa intuizione futuristica di una macchina universale. Era convinto che nell universo vi fosse un armonia prestabilita e di conseguenza tutti gli aspetti del mondo erano collegati da relazioni esprimibili con la ragione. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 5 / 57

6 Storia del calcolatore Gli odierni elaboratori sono stati progettati e costruiti tra la fine degli anni 1930 e inizio degli anni 1940, quando Inghilterra e Stati Uniti avevano la necessità di progettare macchine da calcolo che potessero eseguire le numerose elaborazioni richieste dalle esigenze belliche della Seconda Guerra Mondiale (in questo ambito va ricordato uno dei padri fondatori della scienza maderna: Alan Turing). Il problema era di stabilire come strutturare un dispositivo in grado di elaborare informazioni sulla base di un programma di applicabilità generale definito dall utente. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 6 / 57

7 Storia del calcolatore Un traguardo di fondamentale importanza, finito di realizzare nel 1946, fu l ENIAC ovvero una grande macchina programmabile (180 m 2 di superficie occupata) molto più potente di qualsiasi altra cosa esistesse all epoca. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 7 / 57

8 Storia del calcolatore Intorno al 1945, nel report alla Moore School intitolato First draft of a report on the EDVAC, viene proposta l architettura che descrive il modello concettuale rappresentante un computer programmabile digitale: la Macchina di Von Neumann. L EDVAC divenne operativo nel 1951 e risulta il primo calcolatore basato sull architettura di Von Neumann. Nasce così il primo computer a programma memorizzato basato sul sistema binario. Ancora oggi, i moderni calcolatori digitali sono basati sull architettura di Von Neumann. Il calcolatore digitale è uno strumento unico nella storia della tecnologia poichè è un sistema programmabile, esegue successioni di istruzioni (i programmi) senza che sia necessaria nessuna modifica della struttura fisica. Dunque si modifica il comportamento intervenendo esclusivamente a livello software lasciando inalterato il livello hardware. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 8 / 57

9 Sviluppo del calcolatore Massicci sviluppi tecnologici hanno permesso l aumento di potenza e la miniaturizzazione dei computer: si passa da una tecnologia a valvole ad una tecnologia a circuiti integrati mediante metalli semiconduttori come il silicio, il gallio o il germanio (le nanotecnologie). Nascita dei personal computer negli anni 70. Ulteriori sviluppi hanno permesso la creazione di portatili, palmari e telefoni programmabili. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 9 / 57

10 Caratteristiche Flessibilità di uso: la macchina rimane programmabile per compiti generici (general purpose). Facilità di uso: una interfaccia utente consente l utilizzo della macchina senza conoscere i dettagli di funzionamento (apprendimento top-down). Modularità della struttura: i diversi componenti si occupano di diverse funzionalità del computer. Scalabilità dei componenti: i componenti sono standardizzati e sostituibili. Economicità. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 10 / 57

11 Architettura Architettura di Von Neumann: un paradigma che descrive un modello concettuale rappresentante un computer programmabile formato da: Elaborazione: capacità di eseguire calcoli ed istruzioni, Memorizzazione: possibilità di mantenere e immagazzinare dati, Interfaccia: l esistenza di canali per comunicare con l utente, Interconnessione: la connessione fra le componenti di elaborazione, memorizzazione e interfaccia. Elaborazione Memorizzazione Interconnessione Interfaccia (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 11 / 57

12 Il concetto di programma La rivoluzione della Macchina di Von Neumann è rappresentatata dal fatto che il programma è inserito nella memoria stessa del calcolatore, prima di allora il programma era qualcosa di esterno all elaboratore. Per programma si intende una successione di operazioni che l elaboratore deve eseguire in modo sequenziale per risolvere un dato problema. Esempio: trovare la media di 5 numeri A,B,C,D,E: R = A+B; S = R +C; T = S +D; U = T +E; Z = U/5 (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 12 / 57

13 Realizzazione Nei moderni calcolatori, l elaborazione viene svolta dalla CPU (Central Processing Unit - Unità Centrale di Elaborazione), che si occupa di eseguire sequenzialmente le istruzioni ed i calcoli e inoltre di coordinare le altre risorse (operazioni di elaborazione e di controllo). Le memorie sono adibite a immagazzinare i dati. I dispositivi di Input ed Output (I/O) consentono la comunicazione con l utente in ingresso ed in uscita (tastiere, mouse, schermi...). (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 13 / 57

14 Realizzazione: interconnessione Queste componenti comunicano tramite un canale che li collega detto bus, che ha un flusso di dati, uno per gli indirizzi ed uno di controllo. CPU Memorie Tastiera Schermo... Interfaccia I/O Interfaccia I/O Bus Controllo Dati... Indirizzi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 14 / 57

15 Visione hardware (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 15 / 57

16 La scheda madre I circuiti del bus sono di solito integrati nella Scheda madre, una superficie di materiale plastico in cui sono montati dei connettori detti Slot. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 16 / 57

17 Bus Il collegamento a bus comprende diversi vantaggi, tra cui: La semplicità: un unica linea di connessione collega i vari componenti, L estendibilità: l aggiunta di nuovi dispositivi diventa molto semplice. La gestione del bus crea tuttavia anche diverse problematiche: La velocità del bus è condivisa tra le varie risorse, La CPU coordina l accesso al bus con conseguente perdita di velocità in fase di elaborazione. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 17 / 57

18 Rappresentazione dell informazione Ogni tipo di dato può essere ricondotto ad una forma standard, composta di due soli simboli. I due simboli che tradizionalmente si considerano sono 0 e 1 (l uso risale a Leibniz: 0=Nulla, 1=Dio; successivamente algebra di Boole: 0=Falso, 1=Vero). I due simboli sono detti bit, tale termine deriva dalla fusione di binary digit (cifra binaria). Intorno al 1940, Shannon mostra come il sistema binario permette una facile progettazione di calcolatrici elettriche (0=Spento, 1=Acceso). (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 18 / 57

19 Realizzazione di un bit A livello elettronico, un bit in memoria viene considerato uguale ad uno per valori di voltaggio sopra una certa soglia, ed uguale a zero al di sotto di un altra quantità. Fra le due soglie, c è un intervallo di tensione non ammessa per minimizzare il margine di errore. Valore bit: 1 Tensione Non permesso Valore bit: 0 (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 19 / 57

20 Rappresentazione dati tramite bit E facile vedere che avendo a disposizione un numero sufficiente di bit, si può rappresentare qualsiasi numero utilizzando la base 2. Diversamente, il sistema decimale usato solitamente ammette base 10 (10 simboli utilizzabili) Base 10 Base 2 Base 10 Base (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 20 / 57

21 Conversione fra basi Si possono facilmente convertire numeri dalle due basi considerando che, secondo la notazione posizionale, una cifra assume valore diverso a seconda della sua posizione: 7542 = 7 migliaia +5 centinaia +4 decine +2 = = (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 21 / 57

22 Conversione fra basi, da base 2 Da base 2 a base 10: = = = 361 (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 22 / 57

23 Conversione fra basi, da base 10 Da base 10 a base 2: Resto 361 /2= /2= /2= /2= /2= /2= /2= /2= /2= = (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 23 / 57

24 Convenienza del sistema binario La convenienza della numerazione binaria è legata alla semplicità con cui vengono eseguite le quattro operazioni elementari di addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione. Questa estrema semplicità si riflette immediatamente nel calcolo automatico. Da qui deriva il successo di Shannon....è più semplice replicare più volte una macchina semplice, che replicare poche volte una macchina complessa......ci sono 10 tipi di persone: quelle che capiscono il codice binario e quelle che non lo capiscono... (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 24 / 57

25 Rappresentazione altre informazioni A seconda del contesto, dati in binario possono rappresentare qualunque tipo di informazione, come caratteri o istruzioni. Per esempio, la sequenza può rappresentare: Il numero 65, Il carattere A, Un istruzione da eseguire,... I bit verranno interpretati nel modo opportuno a seconda del contesto in cui si trovano. Esempio: le sequenze di bit contenute in un file di testo verranno interpretate sempre come caratteri. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 25 / 57

26 Bit ed unità di misura 8 bit formano un byte, unità di misura di base delle memorie. Per motivi architetturali, le capienze delle memorie sono tipicamente multipli di 2; per questo, le potenze del byte salgono con le potenze di 2 10 = 1024 Quindi, 1 KB = 1024 byte, 1 MB = 1024 KB, 1 GB = 1024 MB... Esempio: un CD da 650MB contiene più di di byte. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 26 / 57

27 Linguaggio macchina e Assembler Ogni istruzione eseguibile da un calcolatore è scritta nel cosiddetto Linguaggio Macchina, mediante un determinato codice binario. I primi elaboratori venivano programmati direttamente in linguaggio macchina, a fronte di uno sforzo enorme sia nella scrittura di un programma, sia nella sua messa a punto (individuare un errore era tragico). L Assembler (linguaggio assemblatore) consente di utilizzare simboli per indicare il codice delle istruzioni, è il linguaggio di programmazione più vicino a quello macchina e consente di ignorare il formato binario. Assembler ADD R0 R1 R2 L. macchina (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 27 / 57

28 Esecuzione Tornando alla fase di elaborazione svolta dalla CPU, il processore esegue istruzioni contenute in memoria rappresentate da sequenze di bit. Il punto dove è arrivata l esecuzione è un indirizzo di memoria detto program counter (PC). Un indirizzo di memoria è un numero ordinale relativo all inizio della memoria. Esempio (semplificato): PC = 100 vuol dire che deve essere eseguita l istruzione definita al centesimo byte della memoria. Dopo ogni istruzione, il program counter viene incrementato di un indirizzo in modo che il processore esegua l istruzione successiva Eccezione: in caso di istruzioni di salto (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 28 / 57

29 Tipi di istruzione Alcuni tipi di istruzioni possibili: Aritmetiche: per eseguire somme, sottrazioni, moltiplicazioni, ecc..., Caricamento, salvataggio: per la manipolazione della memoria di variabili, Salto condizionato: se si verifica una certa condizione, allora imposta il program counter ad un determinato indirizzo. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 29 / 57

30 Tipi di istruzione Allo scopo di eseguire calcoli, all interno del processore sono presenti una o più componenti dedicate, dette Arithmetical Logical Unit (ALU). In particolare il processore esegue operazioni solo tra un numero limitato di variabili. I dati in esame risiedono all interno del processore stesso in alcune unità di memorizzazione temporanea dette registri. Un altra componente principale del processore è l unità di controllo che consente di controllare le operazioni svolte dalla ALU e di gestire il trasferimento dati da e verso i registri. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 30 / 57

31 Tipi di istruzione Esempio: viene eseguita una somma tra i registri R1 ed R2, ed il risultato viene inserito in R0. R0 R1 R2 R3 Istruzione (add) Esito X X + Y X Y ALU X + Y Y (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 31 / 57

32 Tipi di istruzione I dati da elaborare sono conservati all interno dei registri e passati all unità ALU che esegue le operazioni, il risultato viene poi scritto in uno dei registri. In questo caso l unità di controllo gestisce: i collegamenti, ovvero decide quali registri collegare in ingresso/uscita dell ALU, invia all ALU il codice dell istruzione da eseguire rileva l esito dell operazione svolta dall ALU, in modo da garantire la corretta conclusione dell operazione o che si è verificata una situazione anomala (divisione per 0, overflow). (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 32 / 57

33 Formati delle istruzioni Un istruzione è rappresentata da sequenze di 32 bit o 64 bit formattate in modo diverso a seconda dell istruzione: Codice istruzione Destinazione Sorgente 1 Sorgente 2 Codice istruzione Destinazione Sorgente Operando Codice istruzione Condizione Indirizzo Codice istruzione Indirizzo (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 33 / 57

34 Formati delle istruzioni Vediamo alcuni esempi di possibili istruzioni, tradotte dalla sequenza di bit al loro significato: Add R2, R3, R4 Somma i valori nei registri R3 ed R4, e imposta il valore risultante in R2. Add R2, R4, 1 Somma 1 al valore di R4, e imposta il valore risultante in R2. Store R2, 5000 Scrivi il contenuto di R2 in memoria all indirizzo Branch if lower than 0 R4, R7 Se il contenuto di R4 è minore di 0, salta all indirizzo contenuto in R7. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 34 / 57

35 Esempio di istruzioni Vediamo come viene scomposta in comandi elementari l operazione di somma di tre numeri A+B +C Supponiamo che le variabili A, B e C siano in memoria rispettivamente agli indirizzi 4000, 4004 e 4008 e che il risultato della somma A+B +C venga inserito all indirizzo load R2, 4000 load R3, 4004 add R1, R2, R3 load R2, 4008 add R1, R1, R2 store R1, 4000 (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 35 / 57

36 Esempio: esecuzione di istruzioni Vediamo ora un esempio semplificato su come vengano eseguite queste istruzioni:... R4 R3 R2 R1 R0 Processore Unita di controllo PC = 789 ALU Registri 1492 fetch 789 load R2, 4000 fetch Comunicazione tramite bus Memoria load R2, 4000 load R3, 4004 add R1, R2, R3 load R2, 4008 add R1, R1, R2 store R1, Indirizzi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 36 / 57

37 Esempio: esecuzione di istruzioni (2)... R4 R3 R2 R1 R0 Processore Unita di controllo PC = 790 ALU Registri Memoria fetch 790 load R2, 4000 load R3, 4000 load R3, 4004 add R1, R2, R3 load R2, 4008 fetch 4004 add R1, R1, R2 store R1, Comunicazione tramite bus Indirizzi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 37 / 57

38 Esempio: esecuzione di istruzioni (3)... R4 R3 R2 R1 R0 Processore Unita di controllo PC = 791 add ALU Registri Memoria fetch 791 load R2, 4000 add R1, R2, R3 load R3, 4004 add R1, R2, R3 load R2, 4008 add R1, R1, R2 store R1, Comunicazione tramite bus Indirizzi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 38 / 57

39 Esempio: esecuzione di istruzioni (4)... R4 R3 R2 R1 R0 Processore Unita di controllo PC = 792 ALU Registri Memoria fetch 792 load R2, 4000 load R2, 4008 load R3, 4004 add R1, R2, R3 load R2, 4008 fetch 4008 add R1, R1, R2 store R1, Comunicazione tramite bus Indirizzi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 39 / 57

40 Esempio: esecuzione di istruzioni (5) Processore Unita di controllo PC = 793 add ALU Registri R4 R3 R R R0 Memoria fetch 793 load R2, 4000 add R1, R1, R2 load R3, 4004 add R1, R2, R3 load R2, 4008 add R1, R1, R2 store R1, Comunicazione tramite bus Indirizzi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 40 / 57

41 Esempio: esecuzione di istruzioni (6)... R4 R3 R2 R1 R0 Processore Unita di controllo PC = 794 ALU Registri Memoria fetch 794 load R2, 4000 store R1, 4000 load R3, 4004 add R1, R2, R3 load R2, 4008 store 5416, 4000 add R1, R1, R2 store R1, Comunicazione tramite bus Indirizzi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 41 / 57

42 Parametri della CPU Molti parametri influenzano la velocità di esecuzione di una CPU: Frequenza di clock (circa uguale al numero di istruzioni al secondo); Numero di registri; Velocità del bus; Architettura. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 42 / 57

43 Multicore e prestazioni La frequenza ed il numero di registri all attuale stato tecnologico sembrano difficilmente migliorabili. Per migliorare le prestazioni, si sta attualmente puntando sulla tecnologia multi-core: un chip contiene più CPU che lavorano contemporaneamente (es. un dual-core ha due CPU, un quad-core ne ha 4). Inoltre, occorre considerare che la velocità complessiva di una macchina dipende in primo luogo dal suo componente più lento, occorre tipicamente pensare innanzitutto al cosidetto collo di bottiglia. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 43 / 57

44 Legge di Moore La legge di Moore sulle prestazioni delle CPU, è una predizione che sostiene che la velocità delle CPU raddoppia ogni due anni. Dal 1971 ad oggi, la previsione si è rivelata in buona approssimazione veritiera. Anche se con tempi diversi, tutte le componenti dei computer tendono a migliorare in modo esponenziale con l avanzare della tecnologia. A causa di questa crescita esponenziale, i computer tendono a diventare macchine obsolete molto rapidamente. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 44 / 57

45 La memoria Dopo aver analizzato la realizzazione della componente di esecuzione, vediamo come viene realizzata la memorizzazione. In un calcolatore esiste una memoria di supporto alla CPU nell esecuzione, dove sono contenuti sia dati che istruzioni. In questo caso si utilizza una memoria elettronica detta memoria centrale o di lavoro, con le seguenti caratteristiche: Velocità di accesso elevata, Economicamente costosa, Volatile: i dati contenuti vanno persi con lo spegnimento del computer. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 45 / 57

46 La memoria In un calcolatore è necessaria inoltre una memoria di archivio, capace di mantenere grandi quantità di dati anche a computer spento. Solitamente, si utilizza all interno del computer una memoria a dischi magnetici, più economica ma notevolmente più lenta della memoria elettronica. Per mantenere dati su un supporto slegato dal calcolatore, si utilizzano dischi basati su tecnologia ottica come CD e DVD. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 46 / 57

47 Memorie esterne Altre alternative per la memoria esterna: le memorie USB rappresentano una memoria elettronica permanente e riscrivibile. Per copiare grandi quantità di dati a livello industriale si utilizzano a volte nastri magnetici. Molto lenti ma con grande capacità, Consentito solo l accesso sequenziale. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 47 / 57

48 La memoria centrale La memoria centrale è quella che contiene i programmi attualmente in esecuzione ed i rispettivi dati. In particolare, la memoria centrale è costituita da una successione di bit raggruppati in unità minime indirizzabili, dette celle. Tali dati sono dunque associati ad un loro indirizzo univoco, rappresentante la loro posizione. La memoria centrale dell elaboratore è spesso indicata con l acronimo RAM, che sta per Random Access Memory, letteralmente Memoria ad Accesso Casuale. Si noti che l accesso non è casuale perchè fatto a caso, ma la parola random sta ad indicare che l accesso ad un dato qualsiasi (quindi preso a caso) avviene in un tempo costante, indipendente dalla posizione del dato stesso nella memoria. Così che il dato si trovi collocato all inizio della RAM, nel centro o verso la fine, l elaboratore riesce a recuperarlo nella stessa quantità di tempo. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 48 / 57

49 La memoria centrale Per modificare o leggere i dati dalla memoria centrale occorre utilizzare il bus, il flusso viene suddiviso tra: bus dati (per il dato stesso) bus indirizzi (per l indirizzo desiderato) e bus di controllo (per specificare l operazione effettuata). Bus dati Bus indirizzi 7 Bus controllo scrivi (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 49 / 57

50 Memoria e CPU All attuale stato tecnologico, la CPU è molto più veloce della memoria: Le memorie sembrano crescere più in capacità che in velocità Se il processore dovesse attendere per troppo tempo l operatività della memoria, questo collo di bottiglia vanificherebbe la velocità del processore. Analogamente, anche il bus per la comunicazione tra i due componenti prevede una velocità limitata. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 50 / 57

51 Memoria interna alla CPU La soluzione al precedente problema prevede di utilizzare più tipi di memoria in combinazione: Viene Utilizzata una memoria piccola e veloce per i dati che (crediamo) vengano utilizzati più frequentemente. Tale piccola memoria prende il nome di cache (dal francese nascosto). Nei moderni processori, questa idea viene iterata per creare due diversi tipi di cache, una di primo livello (più veloce) ed una di secondo (più lenta ma più grande). (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 51 / 57

52 Utilizzo della cache Descriviamo adesso le modalità che consentono di decidere quali dati mantenere nella cache in modo da ottimizzare le prestazioni di sistema. Due criteri danno solitamente una buona stima di quali dati saranno riutilizzati prossimamente: il primo è il principio di località spaziale ed il secondo è il principio di località temporale. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 52 / 57

53 Località spaziale Il principio di località spaziale afferma che se si legge una cella di memoria, è probabile che le celle vicine saranno presto necessarie. Durante l esecuzione di un programma, in genere, dopo aver caricato un istruzione sarà necessario caricare anche quella successiva. Dunque, quando viene carica una cella di memoria, viene caricato anche tutto il blocco di celle adiacenti. Si noti che questo non ha un costo molto superiore, in proporzione, al trasferimento di una singola cella. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 53 / 57

54 Località temporale Il principio di località temporale dice che una cella di memoria è stata letta o modificate recentemente, è probabile che sia utilizzata di nuovo in un futuro prossimo. Quando si eseguono dei calcoli per esempio, è facile che la stessa variabile venga riutilizzata più volte. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 54 / 57

55 Memorie: gerarchia Le memorie formano così una gerarchia: Velocita Registri: < 1KB Cache liv. 1: KB Registri CPU Cache livello 1 Cache liv. 2: 1-2 MB Cache livello 2 RAM: 2-8 GB Chip Memoria centrale (RAM) Memorie esterne Scheda madre Disco fisso: GB Disco fisso Capacita Computer (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 55 / 57

56 Prestazioni Molti indici per misurare le prestazioni di una memoria, tra cui: La volatilità, La velocità, suddivisibile in tempo di accesso, il tempo di ciclo e la velocità di trasferimento, La capacità, anche in proporzione al costo, La modalità di accesso, che può essere casuale, sequenziale, mista,... (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 56 / 57

57 Memoria ROM All interno di un calcolatore esiste inoltre un ulteriore memoria molto importante: la memoria ROM (Read Only Memory, memoria a sola lettura) che consente il bootstrap ovvero il processo di avvio del calcolatore. Questa memoria ROM contiene le istruzioni di base che vengono eseguite quando viene acceso un computer, consentendo dei controlli di integrità e l avvio del sistema operativo. Tale memoria di sola lettura risulta non volatile e non modificabile, garantisce inoltre l esecuzione di un piccolo programma di base che consente il ripristino del sistema se il resto della memoria risultasse persa. (Stefano Bilotta) Il sistema di elaborazione Corso di Informatica 57 / 57