Elementi di Informatica e Programmazione. # Memoria di massa. Problema: comprare un PC. Architettura del calcolatore. Architettura di Von Neumann

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1 Elementi di Informatica e Programmazione Architettura del calcolatore (prima parte) Corsi di Laurea in: Ingegneria Civile Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Università degli Studi di Brescia Problema: comprare un PC PC Desktop Processore Intel Pentium Dual-Core,7 GHz 64 bit Hard Disk GB RAM 4GB Scheda video ATI Radeon 3 (fino a 1,37 GB) 6 porte USB - Card reader - Tastiera/Mouse USB Ethernet 1/1 Notebook Processore AMD Dual-Core E-3M (1,8 GHz, Cache L da 1 MB) Display 1,6 RAM 496 MB Hard Disk 3 GB Masterizzatore DVD±RW Wireless LAN 8.11 b/g/n Microsoft Windows 7 Home Premium Docente: Daniela Fogli Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione Struttura di un calcolatore moderno Architettura di Von Neumann Periferia Schermo Interfaccia ingresso/uscita! Tastiera Interfaccia ingresso/uscita " Mouse Interfaccia ingresso/uscita # Memoria di massa Interfaccia ingresso/uscita Bus dati Memoria centrale CPU $% $% $% $% $% $% ambiente Dispositivi di I/O (Periferiche) CPU Memoria Bus indirizzi Bus di controllo (adattata da [Sciuto et al. ]) Parte centrale NOTE: CPU = Central Processing Unit (Unità centrale) detta oggi Microprocessore o processore Bus di sistema Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 3 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 4

2 Funzionamento dell architettura di Von Neumann La memoria! Si basa sui seguenti principi:! Dati e istruzioni del programma da eseguire sono memorizzati nella memoria centrale! Il processore (CPU) legge e scrive in memoria per acquisire le istruzioni da eseguire e i relativi dati e per memorizzare i risultati delle istruzioni eseguite! Le istruzioni vengono acquisite ed eseguite dalla CPU in modo sequenziale! Le singole operazioni necessarie per l esecuzione delle istruzioni sono scandite da un orologio di sistema (clock) che definisce l evolvere del tempo all interno della macchina! La memoria può essere vista come un insieme di celle adiacenti! Ogni cella è un elemento binario, capace cioè di assumere due stati possibili ( e 1)! Ogni cella contiene un unità di informazione (un bit)! Gruppi di celle formano unità minime di informazione indirizzabili: byte, parole, doppie parole,! Il concetto di parola dipende dal calcolatore: ad esempio in un processore Intel una parola è formata da byte (16 bit) mentre in un processore MIPS è formata da 4 byte (3 bit) Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 6 Indirizzi di memoria Bit, Byte, KiloByte, MegaByte,...! Ogni unità minima indirizzabile è identificata da un indirizzo (la prima ha convenzionalmente indirizzo )! L ampiezza dell indirizzo è strettamente legata all ampiezza della memoria e al tipo di indirizzamento! Esempio: con 3 bit di indirizzo si possono avere 3 configurazioni di indirizzo diverse, ovvero indirizzare 4Giga (parole o byte)! In generale: k bit di indirizzo! k unità indirizzabili! Bit = oppure 1! Byte = 8 bit = 3! KiloByte (KB) = 1 byte = 1.4 byte! MegaByte (MB) = byte = byte! GigaByte (GB) = 3 byte = byte! TeraByte (TB) = 4 byte =! PetaByte (PB) = byte =! ExaByte (EB) = 6 byte = Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 7 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 8

3 Esempio: memoria di 16 parole Bus di sistema Indirizzo di parola 4 bit ( 4 =16) Parola ( byte) byte La parola il cui indirizzo è 1 vale E se volessimo indirizzare ogni singolo byte?! BUS: Insieme di collegamenti (linee) che permettono di trasferire dati da più sorgenti a più destinazioni (componenti del calcolatore)! Il bus può essere suddiviso funzionalmente in:! Bus dati (trasferisce i dati scambiati tra componenti)! Bus indirizzi (trasferisce gli indirizzi della memoria o delle interfacce di ingresso-uscita coinvolte nel trasferimento)! Bus comandi o di controllo (trasferisce segnali di controllo che regolano le operazioni del sistema di elaborazione) Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 9 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 1 Lettura e Scrittura in memoria Lettura dalla memoria Due operazioni possibili sulla memoria: lettura e scrittura di una parola all indirizzo specificato (cancellazione non ha senso)! L indirizzo della parola da leggere viene messo sul bus indirizzi! Il comando di lettura viene asserito sul bus comandi! Dopo un certo tempo, la memoria rende disponibile sul bus dati il contenuto della parola richiesta! Nell esempio: lettura del contenuto di memoria all indirizzo Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 11 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 1

4 Scrittura in memoria Risultato della scrittura in memoria! L indirizzo della parola di memoria in cui scrivere viene messo sul bus indirizzi! Il dato da scrivere nella parola di memoria viene messo sul bus dati! Il comando di scrittura viene asserito sul bus comandi! Dopo un certo tempo, l operazione è completata e il dato è memorizzato all indirizzo desiderato! Dopo un certo tempo, l operazione è completata! Il dato è memorizzato nella parola di memoria all indirizzo 3 (sovrascrivendo il valore precedente)! Nell esempio: scrittura nella parola di memoria all indirizzo 3 del valore (binario) Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 13 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 14 Programma e dati in memoria Linguaggio macchina Indirizzo zona della memoria che contiene le istruzioni zona della memoria che contiene i dati (numeri, caratteri, testi, immagini, ) zona libera Istruzioni: di che tipo sono? Come sono codificate Dati: abbiamo già visto come sono codificati! Linguaggio macchina: costituito da istruzioni macchina! E il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore! Ogni CPU è caratterizzata funzionalmente dal suo linguaggio macchina (ISA Instruction Set Architecture):! per es. le istruzioni dei processori Intel sono diverse da quelle del processore MIPS! esistono CPU di marca diversa con diversa struttura fisica che risultano compatibili (es. Intel e AMD)! Le istruzioni del linguaggio macchina sono caratterizzate da:! Codice operativo! tipo istruzione! Operandi! dati su cui l istruzione deve operare e/o indirizzi dove recuperare i dati o memorizzare i risultati MEMORIA codice operativo operandi Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 1 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 16

5 Operandi I registri della CPU! Ogni istruzione specifica operandi sorgente e destinazione! Un operando può essere:! Un valore indicato nel campo dell istruzione (operando immediato) codice operativo altri operandi 1 Inteso come valore 4! Sono celle di memoria a n bit ! Un indirizzo di memoria centrale (operando in memoria) codice operativo altri operandi 1! Un registro dell unità centrale (operando registro) (vedi esempio dopo) Memoria 111! Quanti bit per registro? Esistono processori a 16, 3, 64 bit! Quanti registri? Dipende dal processore! POSSONO MEMORIZZARE OPERANDI DELLE ISTRUZIONI! Costituiscono la memoria a breve termine del calcolatore Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 17 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 18 Un esempio ipotetico (con operandi registro) codice operativo Supponiamo indichi istruzione somma Somma i valori dei registri 4 e 3, mettendo il risultato nel registro 1 (il precedente valore del registro 1 è sovrascritto) operandi destinazione sorgente 1 sorgente ! Nota: quanti bit servono per il campo degli operandi registro? Esempio: CPU con 16 registri, occorrono 4 bit per identificare uno dei Stato registri dopo esecuzione registri nelle istruzioni i campi per gli operandi registro saranno di 4 bit 1 1 Linguaggio assembler! Usare direttamente il formato binario per scrivere (e leggere) programmi sarebbe impraticabile " uso del linguaggio assembler! Il linguaggio assembler è la rappresentazione simbolica della codifica binaria usata dal calcolatore (linguaggio macchina)! L assembler è più leggibile: utilizza simboli anziché bit! utilizza codici operativi simbolici anziché sequenze di bit che richiamano direttamente il significato dell istruzione (es. ADD)! permette l utilizzo di etichette per identificare indirizzi di parole di memoria o di registri (es. R1, R, ) che contengono dati o istruzioni! Assemblatore: traduce linguaggio assembler in linguaggio macchina Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 19 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione

6 Linguaggio macchina vs. Linguaggio assembler Tipologie di istruzioni Codice macchina di una procedura che calcola e stampa la somma dei quadrati degli interi fra e Traduzione tramite programma chiamato assemblatore Codice assembler di una procedura che calcola e stampa la somma dei quadrati degli interi fra e 1 addiu $9, $9, -3 sw $31, ($9) sw $4, 3($9) sw $, 36($9) sw $, 4($9) sw $, 8($9) lw $14, 8($9) lw $4, 4($9) multu $14, $14 addiu $8, $14, 1 slti $1, $8, 11 sw $8, 8($9) mflo $1 addu $, $4, $1 bne $1, $, -9 sw $, 4($9) lui $4,496 lw $, 4($9) jal addiu $4, $4, 17 lw $31, ($9) addiu $9, $9, 3 jr $31 move $, $! Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati)! Somma, Sottrazione, Divisione,! And, Or, Not,! Maggiore, Minore, Uguale, Minore o uguale,! Istruzioni di controllo (del flusso delle istruzioni)! Salti condizionati! Salti incondizionati! Istruzioni di trasferimento! Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria! Istruzioni di ingresso/uscita! Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di ingresso/ uscita (attraverso le relative interfacce) Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 1 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione ISA load-store Esempi di istruzioni aritmetiche! Faremo riferimento a un esempio di ISA load-store, ovvero:! Istruzioni aritmetico-logiche e di manipolazione di bit! Lavorano solo su registri! Istruzioni di trasferimento! Trasferiscono valori da memoria a registri (load) o da registri a memoria (store)! Quindi, per elaborare più valori in memoria, il programma dovrà: 1. Trasferire i valori dalla memoria ad opportuni registri (load). Elaborare i valori dei registri con opportune istruzioni aritmeticologiche 3. Trasferire i valori ottenuti in memoria (store) add $r1, $r3, $r4 # somma il contenuto del registro $r3 col # contenuto di $r4 e poni il risultato in $r1 sub $r, $r1, $r # sottrai dal contenuto di $r1 il contenuto di # $r e poni il risultato in $r Stato iniziale dei registri Stato registri: dopo la prima $r $r1 $r $r3 $r4 4 1 $r $r1 $r $r3 $r Stato registri: dopo la sec. $r $r1 $r $r3 $r Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 3 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 4

7 Esempio di istruzione di trasferimento (lettura da memoria) Esempio di istruzione di trasferimento (scrittura in memoria)! Istruzione lw (load word) lw $r1, $r, 4 significa: carica nel registro $r1 il contenuto della cella di memoria il cui indirizzo si trova sommando 4 al contenuto di $r! Istruzione sw (store word) sw $r1, $r, significa: copia il contenuto del registro $r1 nella cella di memoria il cui indirizzo si trova sommando al contenuto di $r $r $r1 $r $r3 $r4 Registri Memoria e il valore 3 viene copiato in $r1 $r $r1 $r $r3 $r4 Registri Memoria e il valore viene copiato nella cella il cui indirizzo è 8 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 6 Istruzioni di controllo Esempi di istruzioni di controllo! Normalmente, le istruzioni sono eseguite dalla CPU in sequenza! Talvolta si vuole alterare questo comportamento, soprattutto per poter prendere delle decisioni! Istruzioni di salto :! salto incondizionato (jump): salta ad un istruzione! salto condizionato (branch): salta ad una istruzione solo se si verifica una determinata condizione (ad esempio se due registri hanno lo stesso valore) Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 7! Esempi con beq branch if equal (salto condizionato) e j jump (salto incondizionato) Esempio 1: beq $r3, $r4, L1 j L L1: add $r, $r1, $r L: sub $r, $r, $r3 Esempio : beq $r3, $r4, L1 sub $r, $r1, $r j L L1: add $r, $r1, $r L: L1 e L sono etichette, ovvero nomi che identificano degli indirizzi di parole di memoria che contengono istruzioni Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 8

8 CPU - Unità Centrale di Elaborazione I registri della CPU Componenti della CPU Batteria di registri Esempi di processori commerciali: Intel, AMD Unità di controllo ALU! Memoria a breve termine del calcolatore! Sono celle di memoria utilizzate per immagazzinare le informazioni necessarie per l esecuzione delle istruzioni! Registri per memorizzare gli operandi delle operazioni da eseguire! Il loro numero dipende dal tipo di CPU! Gli operandi delle istruzioni aritmetico/logiche possono contenere un indirizzo di registro! Esempio: CPU con 3 registri nelle istruzioni i campi per gli operandi registro saranno di bit Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 9 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 3 Registri speciali ALU Unità Aritmetico/Logica! PC: program counter, registro contatore delle istruzioni - detto IP (instruction pointer) A dispetto del nome non conta le istruzioni ma contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire! E il circuito che svolge le operazioni aritmetiche (+, -, ) e logiche (and, or, not, ) sugli operandi forniti nei suoi registri di ingresso! IR: instruction register, registro delle istruzioni contiene una copia dell istruzione da eseguire! PSW: processor status word, parola di stato del processore detto anche FLAGS contiene informazioni circa le condizioni verificatesi a seguito dell esecuzione di un istruzione e sulle modalità di funzionamento dell unità di elaborazione Quanti bit? Comando di selezione dell operazione R A ALU R B Bit di zero, riporto, overflow, R C Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 31 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 3

9 Unità di Controllo Esecuzione di un programma! E il componente che coordina il funzionamento delle varie unità della CPU nell esecuzione dei programmi! Decodifica le istruzioni in base al loro codice operativo! Manda opportuni comandi (segnali di controllo) alla ALU (per la selezione dell operazione), alla batteria di registri (per la lettura/scrittura), al bus comandi per accedere alla memoria, e altri ancora! La CPU può essere intesa come un dispositivo che opera in modo ciclico, ripetendo, per ogni programma i seguenti passi: 1. Prelievo dell istruzione (fetch). Decodifica dell istruzione (decode) 3. Esecuzione dell istruzione (execute) Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 33 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 34 Ciclo Macchina: fetch-decode-execute Struttura di una CPU e suoi collegamenti Prelievo CPU PC Unità di controllo Decodifica IR No Esecuzione Fine programma? Sì Bus indirizzi Bus dati Bus di controllo ALU R A R B R C R 1 R R n Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 3 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 36

10 Ciclo fetch-decode-execute (in dettaglio) Esecuzione di una istruzione aritmetica PRELIEVO! L unità di controllo fornisce alla memoria l indirizzo della cella che contiene la prossima istruzione da eseguire e il contenuto di quella cella viene copiato in IR: 1) invio sul bus indirizzi del valore presente in PC ) attivazione leggi sul bus di controllo 3) lettura dal bus dati e memorizzazione dell istruzione in IR! Incremento del contenuto di PC DECODIFICA! Esame dell istruzione in IR per determinare le operazioni da svolgere ESECUZIONE! Le unità interessate all esecuzione vengono opportunamente comandate dall unità di controllo e avviene l esecuzione Il ciclo ricomincia dalla fase di prelievo dell istruzione successiva add $r, $r4, $r " somma il contenuto del registro R 4 al contenuto del registro R e memorizza il risultato in R PC add $r, $r4, $r lw $r4, $r, 4 Programma in memoria in linguaggio macchina Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 37 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 38 Passi per eseguire la addizione Passi per eseguire la addizione! Passo 1: Carica istruzione in IR IR 1111 (si indica di solito con IR (PC) ) e aggiorna PC PC PC + 1 (indirizzo prossima istruzione) # L indirizzo dell istruzione contenuto nel PC viene inviato sul bus indirizzi # Contemporaneamente viene attivato il segnale leggi del bus di controllo # La CPU incrementa il valore in PC e si pone in attesa della risposta dalla memoria # La memoria accede alla cella indirizzata e ne pone il contenuto (la prossima istruzione da eseguire) sul bus dati # Tale istruzione viene quindi trasferita in IR! Passo : Decodifica istruzione in IR add $r $r4 $r altri segnali di controllo In pratica, l unità di controllo - legge il contenuto di IR - effettua la decodifica dell istruzione (dai bit del codice operativo scopre che è una add) - identifica gli operandi (i registri coinvolti nell operazione) Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 39 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 4

11 Passi per eseguire l addizione (continua) Istruzione di lettura da memoria! Passo 3: Caricamento valori dei registri R A R Unità di controllo manda segnali di lettura e scrittura dei registri! Il PC è stato aggiornato è punta all istruzione successiva alla add R B R 4! Passo 4: Somma (operazione con ALU) R C R A + R B Unità di controllo manda segnali di lettura e scrittura dei registri + comando ad ALU per selezione operazione PC ! Passo : Memorizza risultato in R R R C TOTALE = passi Unità di controllo manda segnali di lettura e scrittura dei registri! Istruzione lw $r4, $r, 4! Carica nel registro R 4 il valore della parola presente all indirizzo di memoria ottenuto sommando 4 al contenuto in R Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 41 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 4 Passi per eseguire una load Passi per eseguire una load (continua)! Passo 1: Carica istruzione in IR e aggiorna PC IR (PC) PC PC + 1! Passo : Decodifica istruzione in IR lw $r4 $r offset = 4! Passo 3: Copia 4 e R nei registri usati dalla ALU R A 4 R B R! Passo 4: Somma contenuto registri R C R A + R B! Passo : Copia contenuto di R C sul bus indirizzi! Passo 6: Accedi alla memoria e carica il dato sul bus dati! Passo 7: Copia il contenuto del bus dati in R 4 TOTALE = 7 passi Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 43 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 44

12 Periodo di clock e frequenza di clock Un segnale di clock! Le varie unità della CPU operano in modo coordinato! Un orologio generatore di impulsi elettrici (clock) fornisce una cadenza temporale a cui tutte le attività elementari della CPU sono sincronizzate! Un segnale di clock evolve con un periodo (tempo di ciclo) predeterminato e costante (periodo = intervallo di tempo fra impulsi di clock consecutivi)! La frequenza di clock è l inverso del periodo (numero di impulsi cicli - di clock al secondo) Fronte di salita Periodo (ciclo) di clock Livello alto Livello basso Fronte di discesa Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 4 Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 46 Misure! Frequenza di clock: misurata in Hertz! 1Hz = 1 ciclo/secondo! Periodo di clock: normalmente misurato in ns (nanosecondi, 1-9 secondi)! Esempio: clock con frequenza Ghz: miliardi di impulsi al secondo, periodo = 1/(x1 9 ) =,x1-9 =, ns! I passi per compiere le operazioni viste sono in genere eseguiti in cicli di clock successivi: es. passi ( cicli di clock). Se un ciclo è di. ns, occorrono. ns per svolgere una operazione di addizione! Il numero di passi è diverso da istruzione a istruzione e dipende da come è fatta la specifica CPU Daniela Fogli Elementi di Informatica e Programmazione 47

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