Università degli Studi G. d'annunzio C.L. Economia e Informatica per l'impresa. Sistemi Operativi e Reti A.A. 2014/2015 prof.

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1 Università degli Studi G. d'annunzio C.L. Economia e Informatica per l'impresa Sistemi Operativi e Reti A.A. 2014/2015 prof. Gianluca Amato Architettura degli elaboratori

2 Architettura Hardware

3 Architettura Software

4 CPU e memoria

5 La memoria centrale (MM) Parola (word) h = 8 bit RAM Volatile Dati e ROM e istruzioni 0 1 Registro indir. (AR) store load k = 10 bit Registro dati (DR) h = 16 bit Indirizzo cella Dato da leggere/scrivere Spazio di indirizzamento 210=

6 Stato CPU Operazioni Flag: C, Z, S, V aritmetiche e logiche L unità di elaborazione (CPU) Indirizzo prox istruzione Registro contatore di programma (PC) Registro di stato (SR) Registro interruzioni (INTR) A B Registri generali Registro istruzione corrente (CIR) Istruzione in elaborazione Sincronizzazione Unità aritmetico Registri operandi logica (ALU) Unità di controllo (CU) Clock Controllo: Registro indirizzi -Prelievo Registro dati (DR) (AR) -Decodifica Parola letta/da scrivere in MM Indirizzo cella MM-Esecuzione

7 Sequenza di lettura Passo 3 0 Passo 1 Passo 4 2 SR PC A INTR ALU B CIR Ck 42 DR 42 CU 123 AR 1023 READ OK Bus indirizzi Bus dati Bus controllo

8 Sequenza di scrittura Passo 2 0 Passo 1 Passo 5 3 SR PC A INTR ALU B CIR Ck 70 DR CU Passo AR 1023 WRITE OK Bus indirizzi Bus dati Bus controllo

9 Linguaggio macchina Linguaggio comprensibile dalla CPU Vari tipi di istruzioni: Lettura dalla memoria in un registro Scrittura in memoria di un registro Spostamento dati tra registri Istruzioni aritmetiche Istruzioni logiche (AND, OR, etc...) Istruzioni di salto

10 Codifica istruzioni Esempi sul linguaggio macchina del processore MIPS Notazione mnemonica (assembly) Caricamento da memoria: lw $1, 234 Salvataggio di memoria: sw $1, 234 Istruzioni aritmetiche: add $1, $2, $3 Codifica binaria (vero linguaggio macchina) add $d, $s, $t ss ssst tttt dddd d sw $s, loc ss sss iiii iiii iiii iiii

11 Fetch Fetch: si carica ed interpreta una istruzione si legge dalla memoria principale l'istruzione che si trova all'indirizzo indicato dal registro PC l'istruzione viene scritta all'interno del registro CIR si incrementa il valore del registro PC la UC decodifica l'istruzione e individua la sequenza di azioni che devono essere svolte all'interno del processore

12 Execute Execute: si eseguono le azioni specificate dall'istruzione, e cioè: in corrispondenza di istruzioni di lettura dalla memoria, la UC attiva i meccanismi di lettura; in corrispondenza di istruzioni di scrittura in memoria, la UC attiva i meccanismi di scrittura; in corrispondenza di istruzioni aritmetiche o logiche la UC attiva la ALU per eseguire l'operazione; in corrispondenza di istruzioni di salto si modifica il valore del registro PC scrivendo l'indirizzo della istruzione cui si deve saltare.

13 Es.: valutazione di espressione Vogliamo calcolare il valore di (a+b) (c+d) dove a, b, c, d sono interi a 32 bit già in memoria. Vogliamo salvare il risultato in nuove locazioni di memoria (che indichiamo con e)

14 Un algoritmo generale 1. Leggi dal dispositivo di ingresso il valore delle variabili a, b, c, d 2. Somma il valore di a al valore di b 3. Salva il risultato parziale ottenuto 4. Somma il valore di c al valore di d 5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato 6. Salva in e il risultato 7. Termina l esecuzione del programma.

15 L algoritmo dettagliato (1) 1. Somma il valore di a al valore di b 2.1 Copia il contenuto della cella di memoria riservata ad a nel registro v0 2.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a b nel registro v1 2.3 Somma il contenuto dei registri v0 e v1 2. Salva il risultato parziale, contenuto nel registro A, in una cella di memoria predisposta per il risultato (z).

16 L algoritmo dettagliato (2) 4. Somma il valore di c al valore di d 4.1 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a c nel registro v0 4.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a b nel registro v1 4.3 Somma il contenuto dei registri v0 e v1 5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato 5.1 Copia il contenuto della cella riservata a z nel registro v1 (z e v1 contengono ora a+b, v0 contiene c+d) 5.2 Moltiplica il contenuto dei registri v0 e v1.

17 L algoritmo dettagliato (3) 6. Scrivi sul dispositivo di uscita il risultato della valutazione complessiva 6.1 Memorizza il risultato appena calcolato (e disponibile nel registro A) nella cella di memoria riservata a z 6.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a z nel registro dati della periferica di uscita 7. Termina l esecuzione del programma.

18 Forma mnemonica del prog..data a:.word b:.word c:.word d:.word e:.word z:.word text lw $v0, a lw $v1, b add $v0, $v1, $v0 sw $v0, z lw $v0, c lw $v1, d add $v0, $v1, $v0 lw $v1, z mul $v0, $v1, $v0 sw $v0, e Pseudo-Istruzioni

19 Forma binaria del programma Locazione Valore Mnemonico 0 0x3c x8c lw $v0, a 8 0x3c x8c lw $v1, b 16 0x add $v0, $v1, $v0 20 0x3c xac sw $v0, z 28 0x3c x8c lw $v0, c 36 0x3c x8c23000c lw $v0, d 44 0x add $v0, $v1, $v0 48 0x3c x8c23000c lw $v1, e 56 0x mul $v0, $v1, $v0 60 0x3c xac sw $v0,e

20 Processori CISC e RISC Processori CISC (Complex Instruction Set Computers) Molte istruzioni complesse, ma richiedono più cicli macchina Es: Intel x86 Processori RISC (Reduced Instruction Set Computers) Ridotto set di istruzioni, ma processate in un solo ciclo macchina Es: ARM, MIPS

21 Memoria cache Memoria più veloce tra la CPU e la memoria centrale

22 Vantaggi della cache Hit rate del 90% è comune Aumento prestazioni La cache funziona per la località di riferimento Variabili usate assieme sono spesso usate assieme Una variabile usate in un certo istante sarà molto probabilmente usata dopo poco

23 Cache a più livelli

24 Gerarchia di memoria

25 Memoria secondaria

26 Memoria secondaria Alta capacità di archiviazione Tempi di accesso lenti Costi bassi Memorizzazione permanente Varie tecnologie A stato solido Magnetica (Hard disk, Floppy disk, nastri) Ottica (CD, DVD, Blu-Ray)

27 Memoria a stato solido Memoria Flash Non volatile Solitamente sola lettura Si può scrivere ma a costi molto alti (in termini di tempo) e un numero limitato di volte Usata per Firmware Dischi a stato solido

28 Prestazioni di un disco Tempo di accesso: time required to move from one track to another Latenza: time required for disk to rotate to beginning of correct sector Tempo di trasferimento: time required to transfer a block of data to the disk controller buffer

29 Dischi magnetici

30 Floppy disk

31 RAID RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) RAID 0: Striping Due dischi sono visti come un unico disco e i dati sono sparsi tra i due RAID 1: Mirroring Due dischi contengono le stessi informazioni RAID 4 Come il RAID 0 ma un disco è dedicato ai controlli di parità RAID 5 Come il RAID 4 ma la parità è distribuita tra due dischi RIAD 6 Come il RAID 5 ma più di un blocco di parità

32 Memorie a nastro Accesso solo sequenziale Usato per i backup

33 Memorie ottiche Usano luce riflessa da una superfice Dischi (ri)scrivibili usano campi magnetici per modificare la riflettività

34 Traccia a spirale Disco ottico Disco magnetico

35 Tipi di supporti ottici CD (compact disk) Laser da 780nm (quasi infrarosso) Velocità lineare costante Fino a 700 MB di dati DVD (digital versatile disk): simili a CD ma Laser rosso da 650nm Multi-strato Fino a 8 Gb di dati Blu ray: simili ai DVD Laser blu da 450nm Fino a 50 Gb di dati

36 Periferiche

37 Le interfacce delle periferiche Interfaccia periferica 1 Peripheral Data Register (PDR) Interfaccia periferica 2 Peripheral Data Dato da leggere/scrivere Register (PDR) Peripheral Command Register (PCR) Peripheral Command Comando da eseguire Peripheral State Register (PSR) Stato dellaregister periferica (PSR) Register (PCR) Peripheral State Bus di sistema

38 Tecniche di I/O Istruzioni per accesso ai registri di I/O Memory mapped I/O Istruzioni I/O specifiche I/O programmato Interruzioni Le periferiche avvertono la CPU quando sono pronte DMA (diretto accesso alla memoria) Le periferiche scrivono direttamente in memoria

39 Bus esterni Di solito i dispositivi non sono connessi direttamente al bus di sistema, ma a bus intermedi PCI Express USB Serial ATA (per memoria di massa) SAS

40 Un computer moderno

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