Architettura del calcolatore

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1 Architettura del calcolatore Il calcolatore è: Uno strumento programmabile per rappresentare, memorizzare ed elaborare informazioni Un sistema, costituito da molte componenti Studiare l architettura di un sistema significa: Individuare ciascun componente del sistema Comprendere i principi generali di funzionamento di ciascun componente Comprendere come le varie componenti interagiscono

2 Esecuzione Automatica degli Algoritmi Per l esecuzione automatica, un algoritmo deve essere scritto in linguaggio artificiale (programma), comodo per l uomo -linguaggio di alto livello che deve essere tradotto in una rappresentazione direttamente eseguibile dal calcolatore Occorre capire: Come le informazioni si rappresentano all interno del calcolatore Funzionalità del calcolatore: architettura HW e SW Codifica degli algoritmi in linguaggio artificiale Capacità di individuare una soluzione algoritmica Conoscenza del linguaggio di programmazione

3 Architettura del calcolatore La prima decomposizione di un calcolatore è relativa a due macro-componenti Hardware Software Software applicativo Software di base Hardware

4 Hardware: architettura L architettura dell hardware di un calcolatore reale è molto complessa La macchina di Von Neumann è un modelo semplificato dei calcolatori moderni Von Neumann progettò, nel 1945, il primo calcolatore con programmi memorizzabili anziché codificati mediante cavi e interrutori ARCHITETTURA DI VON NEUMANN Modello tipico dell architettura interna del calcolatore 3 blocchi funzionali collegati da un BUS (insieme di collegamenti elettrici) che consente il trasferimento dell informazione

5 Esecutore calcolatore Requisiti funzionali La macchina di Von Neumann è composta di 4 tipi di componenti funzionali Capire ed eseguire le istruzioni unità centrale di elaborazione (CPU): la parte che controlla e calcola Mantenere istruzioni e dati memoria di lavoro: la parte che ricorda Interagire col mondo esterno interfacce I/O: la parte che comunica Trasferimento dati tra le componenti bus: la parte che svolge funzioni di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali

6 Architettura di un computer La macchina di Von Neumann bus di sistema CPU Mem. centrale Interfaccia I/O Intefaccia I/O Schermo Mem. Secondaria

7 Esecuzione di un programma Il programma deve essere caricato nella memoria di lavoro La CPU legge da memoria, decodifica ed esegue le istruzioni del programma, operando sui dati Ciclicamente: Estrai la prossima istruzione Decodificala ed eseguila Al fine di leggere ed eseguire le istruzioni, la CPU controlla e temporizza il funzionamento delle altre unità tramite segnali del bus Le istruzioni devono essere espresse in codice macchina, in un formato direttamente interpretabile dalla CPU Elaborazioni Trasferimento dati Le variabili devono essere espresse in modo da essere accessibili dalla CPU indirizzi nella memoria di lavoro come riferimenti alle variabili

8 CPU Sincronizzazione dei dispositivi La CPU ha il ruolo di master, ed impedisce alle altre unità (slave) di accedere autonomamente al bus In ogni trasferimento la CPU identifica la sorgente e la destinazione dei dati, e sincronizza i dispositivi che devono colloquiare attraverso i segnali sul bus Il bus viene utilizzato per evitare qualsiasi collisione tra i dati di competenza dei diversi dispositivi (tutti contemporaneamente connessi al bus) Es.: la CPU accede alla memoria per leggere un dato e contemporaneamente da un dispositivo di input sono in arrivo dati che devono transitare sullo stesso bus

9 Memoria di lavoro Insieme ordinato di parole che possono contenere (memorizzare) informazioni (istruzioni e dati) tabella mono-dimensionale, i cui elementi sono le parole di memoria ogni parola di memoria costituita da n elementi di memoria binari (es. n=8, 16, 32, 64 bit) La posizione di ogni parola in memoria è identificata in modo univoco da un numero intero positivo detto indirizzo della parola di memoria

10 Memoria Caratteristiche Principali Accesso casuale Composta da due tipi di memoria: RAM: parole modificabili (leggibili e scrivibili) ROM: parole solo leggibili, scritte in maniera permanente dal costruttore, prima dell installazione del calcolatore Contiene programmi protetti come Il BIOS (Basic Input Output System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa Caratteristiche tecnologiche (RAM) Realizzata tramite circuiti a transistori Volatile: mantiene le informazioni solo se alimentata All accensione il contenuto è una sequenza casuale di 0 e 1 tempi di accesso ad ogni singola parola dell ordine delle decine di nanosecondi Accesso veloce rispetto alla memoria di massa (1 milione di volte più lenta - decine di millisecondi), ma contiene un numero di parole inferiore

11 Memoria ROM Esistono diversi tipi ( Erasable, Programmable, EPROM) I programmi (vedi BIOS) sono predefiniti dal costruttore Costituiscono una via intermedia tra hardware e software FIRMWARE

12 Indirizzamento della memoria Per accedere ad una parola di memoria è necessario fornire il suo indirizzo Posizione relativa della parola (numero d ordine) rispetto alla prima cella L indirizzamento avviene tramite il Registro Indirizzi della CPU Se k=n.ro di bit utilizzati per specificare l indirizzo, allora 2 k è la dimensione dell area di memoria fisica indirizzabile es. con 23 bit di indirizzo, 8 Mega parole nello spazio di indirizzamento

13 Operazioni in memoria Utilizzo del Registro Dati Lettura dalla memoria: carica il registro dati con una parola di memoria Scrittura dalla memoria: deposita il contenuto del registro in una parola di memoria h=16 bit Registro indirizzi L S Registro dati k=10 h=

14 Bus di Sistema E il sistema di comunicazione: consente il trasferimento delle informazioni dalla memoria di lavoro e dalle interfacce di I/O e viceversa Permette alla CPU di gestire e sincronizzare i vari dispositivi Costituito da un numero adeguato di conduttori o linee, ognuno dei quali trasporta il segnale elettrico relativo ad un bit di informazione o controllo (cioè di comando)

15 Bus Bus dati Bus indirizzi Bus controlli Esempio: lettura da memoria CPU carica indirizzo in AR e lo invia a RAM via bus indirizzi; invia comando di lettura via bus controlli RAM invia dato letto in DR via bus dati e segnala a CPU operazione avvenuta via bus controlli Esempio: scrittura in memoria CPU carica indirizzo in AR e lo invia a RAM via bus indirizzi; invia comando di scrittura via bus controlli RAM acquisisce dato da DR via bus dati e segnala a CPU operazione avvenuta via bus controlli.

16 Partizione del Bus L insieme dei conduttori del bus può essere suddiviso in tre insiemi: Bus Indirizzi: la configurazione binaria dell indirizzo della parola di memoria o della porta a cui accedere La CPU utilizza il registro indirizzi per presentare la configurazione sul bus Bus dati: la codifica binaria dell informazione da trasferire l informazione è fornita dalla memoria o da una porta di ingresso (ciclo di lettura), oppure dalla CPU (ciclo di scrittura) Bus di controllo: trasmette dall unità master all unità slave un codice corrispondente all operazione da eseguire; dall unità slave all unità master informazioni relative all avvenuto espletamento dell operazione

17 Ciclo del bus La CPU gestisce i trasferimenti delle informazioni sul bus. Ogni trasferimento di informazione avviene con un ciclo del bus. I trasferimenti sono detti di lettura e di scrittura. Lettura la CPU genera indirizzi e segnali di controllo ed è la destinazione dell informazione Scrittura la CPU genera indirizzi e segnali di controllo ed è la sorgente dell informazione

18 Trasferimenti Trasferimento tra memoria e CPU lettura da memoria (memoria --> CPU) scrittura in memoria (CPU --> memoria) sul bus devono essere presenti: l indirizzo della parola interessata i segnali di controllo relativi al tipo di trasferimento il dato letto da (da scrivere in) memoria Trasferimento tra porte di I/O e CPU lettura da unità periferica (porta --> CPU) scrittura verso la periferica (CPU--> porta) sul bus devono essere presenti: l indirizzo della porta (registro) della periferica interessata i segnali di controllo relativi al tipo di trasferimento il dato letto dalla (da scrivere sulla) porta Segnali di controllo: WM (Write Memory): assume valore 1 per abilitare un operazione di scrittura in memoria RM (Read Memory): assume valore 1 per abilitare un operazione di lettura in memoria WO (Write Output): assume valore 1 per abilitare un operazione di scrittura su porta di uscita RI (Read Input): assume valore 1 per abilitare un operazione di lettura su porta di ingresso

19 Interfacce di ingresso/uscita (Input/Output - I/O) Dispositivi circuitali che consentono al calcolatore di scambiare informazioni con le unità periferiche (dispositivi elettromeccanici) tastiera e mouse (in ingresso), video e stampante (in uscita) viene definita unità periferica anche la memoria di massa (es. disco fisso o l unità a floppy), che è di ingresso e uscita ma non comunica con l esterno Costituite da porte di I/O e da circuiti ausiliari porte: registri (simili a parole di memoria) che possono essere letti o scritti dalla CPU, e che comunicano con il mondo esterno (periferiche) con segnali in ingresso e in uscita Un interfaccia è costituita dai seguenti elementi: (schema semplificato): Registro dati periferica, collegato al bus dati Registro comando periferica, collegato al bus controlli Informazione sullo stato della periferica: trasferita nel registro di stato periferica della CPU e letta a comando dall unità di elaborazione (tramite il bus)

20 Interfacce di I/O Registri Registro Dati Periferica (RDP): nelle interfacce di ingresso rappresenta il luogo fisico in cui l unità periferica (elettromeccanica) fornisce i dati affinché possano essere acquisiti (letti) dalla CPU nelle interfacce di uscita rappresenta il luogo fisico da cui l unità periferica riceve i dati che sono stati generati (scritti) dalla CPU Registro Comandi Periferica (RCP) contiene le informazioni (in codifica binaria) che determinano il modo di funzionamento della periferica. Tali informazioni sono generate (scritte) dalla CPU e utilizzate dalla periferica Registro di Stato Periferica contiene le informazioni relative allo stato di funzionamento della periferica. Tali informazioni vengono generate dalla periferica e utilizzate dalla CPU

21 CPU Struttura Le caratteristiche di un programma in codice macchina derivano dall architettura dei calcolatori e dalla struttura della CPU Istruzioni Sono caricate in parole di memoria contigue L indirizzo della parola di memoria che contiene la prima istruzione è noto alla CPU Variabili in uno spazio di memoria diverso da quello che contiene le istruzioni, parole riservate a contenere i valori delle variabili (dati) identificate in modo univoco dall indirizzo delle parole di memoria ad esse destinate Il nome simbolico della variabile è rappresentativo di tale indirizzo Il contenuto della parola di memoria è il valore della variabile Il valore delle variabili dipende dall esecuzione operazioni di lettura e assegnamento Supponiamo che ogni istruzione in linguaggio macchina e ogni variabile occupi una sola parola di memoria

22 CPU Struttura Esecuzione sequenziale delle istruzioni (prelevamento di una istruzione per volta) Program Counter (PC) registro che viene incrementato in modo da contenere l indirizzo della parola di memoria in cui è presente la prossima istruzione da eseguire L istruzione da eseguire è prelevata dalla memoria, memorizzata nel Registro Istruzione e decodificata (interpretata) dall Unità di Controllo Esecuzione di un istruzione: esecuzione di passi elementari Generazione di segnali del bus di controllo per l accesso a memoria o a porta Generazione di segnali di controllo interni alla CPU per l esecuzione di operazioni aritmetiche o logiche Unità di controllo Genera segnali di controllo che comandano gli elementi della CPU Unità Aritmetico Logica (ALU) L elemento della CPU in grado di eseguire operazioni Registri di lavoro Mantengono i valori degli operandi che devono essere utilizzati dall ALU e i risultati prodotti L unità di controllo genera anche i segnali interni alla CPU per trasferire le informazioni tra i vari registri

23 CPU

24 CPU Registri (1) Registro indirizzi: di appoggio tra la CPU e il bus di indirizzi La codifica binaria dell indirizzo di memoria o della porta di I/O a cui si accede è caricata in questo registro Dimensione (n.ro di bit) pari a quella del bus indirizzi Registro Dati: di appoggio tra la CPU e il bus dati In lettura da memoria o da porta, memorizza il contenuto del bus dati, prima del suo trasferimento in altri elementi della CPU In scrittura contiene la codifica binaria da trasmettere tramite il bus dati Dimensione: quella del bus dati Program Counter (PC): contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire Collegato al registro indirizzi per la lettura da memoria dell istruzione da eseguire Può ricevere valori da altri registri della CPU Dimensione: quella del bus indirizzi I valori assunti dal PC scandiscono il Flusso di Esecuzione Esecuzione in sequenza: PC=PC+1 Salti condizionati: PC forzato all indirizzo dell istruzione destinazione del salto

25 Componenti della CPU Registri (2) Registro Istruzione: contiene l istruzione (in linguaggio macchina) correntemente in esecuzione Caricato tramite bus dati ad ogni lettura di istruzione Formato istruzione in linguaggio macchina: 2 campi CodOp Operando Codice operativo: identifica univocamente il tipo di istruzione l unità di controllo interpreta il valore del codice operativo ed esegue l istruzione corrente, generando gli opportuni segnali di controllo interni ed esterni alla CPU Operando: contiene il riferimento all operando su cui agisce l istruzione Se l operando è un dato, il riferimento è l indirizzo della parola di memoria riservato per il dato Se l operando è un altra istruzione (la prossima da eseguire) il riferimento è la parola di memoria che contiene tale istruzione Il campo operando è collegato sia al registro indirizzi che al PC Dimensione del registro istruzione: quella del BUS dati

26 Componenti della CPU Registri (3) Registi di lavoro: di supporto alle operazioni eseguite all interno della CPU Dimensione: quella del bus dati N.ro: dipende dalla CPU Accumulatore (A): uno dei registri di lavoro Quello in cui viene memorizzato il risultato di ogni operazione eseguita dall unità aritmetico-logica Unità Aritmetico-Logica (ALU): esegue operazioni aritmetiche e logiche elementari Operazioni elementari: somma e sottrazione, a cui possono essere ricondotte anche operazioni più complesse (prodotto, divisione, confronto, ) Due operandi di ingresso, presentati alla ALU tramite due registri di appoggio(operando1 e operando 2) Un risultato in uscita (memorizzato nell accumulatore) Opportuni segnali dell unità di controllo abilitano le varie operazioni

27 Il ciclo preleva-esegui 1. Contenuto di PC AR 2. Lettura da memoria centrale DR 3. Trasferimento da DR CIR 4. Incremento di PC 5. Interpreto, Decodifico, Eseguo in CIR Preleva Esegui

28 Esecuzione dei programmi Esempio: calcolare espressione (a + b) * (c + d) 1. poni in memoria centrale, nelle celle 16, 17, 18 e 19 io valori di a, b, c, e d; 2. esegui l addizione di a e b: 1. copia cella 16 in registro A; 2. copia cella 17 in registro B; 3. somma i due registri (l operazione è eseguita dalla ALU); 3. immagazzina risultato (ora in registro A) nella cella 20;

29 4. esegui l addizione di c e d: 1. copia cella 18 in registro A; 2. copia cella 19 in registro B; 3. somma i registri (operazione è eseguita dalla ALU); 5. esegui la moltiplicazione di (a + b) e (c + d): 1. copia in registro B cella 20; 2. moltiplica il contenuto dei due registri; 6. scrivi il risultato sul dispositivo di uscita: 1. memorizza registro A, nella cella 20; 2. scrivi cella 20 nel registro dati della periferica 7. Arresta l esecuzione del programma

30 Il programma in linguaggio macchina

31 Il linguaggio ASSEMBLY Costituito da istruzioni elementari composte da nomi mnemonici (load, store, add, ), registri e locazioni di memoria. I codici mnemonici sono associati alle istruzioni macchina (che la macchina è in grado di eseguire). E una rappresentazione simbolica del linguaggio macchina. Utilizza simboli invece di sequenze di bit. Rispetto i linguaggi di alto livello fornisce forme limitate di controllo di flusso e strutture dati E un linguaggio di programmazione che fornisce visibilità diretta sull hardware

32 Compilazione da linguaggio di alto livello ad assembly Programma C c=a+b COMPILATORE Programma ASSEMBLY LOAD R1, a ADD R1, b STORE c, R1

33 Compilazione da linguaggio assembly a linguaggio macchina Programma assembly LOAD R1, a ADD R1, b STORE c, R1 ASSEMBLER Programma in linguaggio macchina

34 Il linguaggio ASSEMBLY (P88) Istruzione Lettura dalla memoria Scrittura in memoria Addiziona Sottrai Moltiplica Dividi Confronta Formato LOAD R1, mem STORE mem, R1 ADD R1, mem SUB R1, mem MUL R1, mem DIV R1, mem CMP R1, mem Azione R1 mem mem R1 R1 R1 + mem R1 R1 - mem R1 R1 *mem R1 R1 /mem Se R1 <mem allora CF=B, altrimenti CF=NB

35 Il linguaggio ASSEMBLY (P88) Istruzione Salta Salta se non minore Salta se minore Input Output Formato JMP lab1 JNB lab1 JB lab1 IN R1 OUT R1 Azione Vai all istruzione con etichetta lab1 Vai all istruzione con etichetta lab1 se CF=NB, altrimenti vai all istruzione successiva Vai all istruzione con etichetta lab1 se CF=B, altrimenti vai all istruzione successiva Inserisce un intero nel registro R1 Estrae un intero dal registro R1

36 Esempi in Assembly Lettura di un intero, calcolo del suo quadrato e stampa del risultato IN R1 STORE M1, R1 MUL R1, M1 OUT R1 Lettura di due numeri, divisione del primo per il secondo e stampa del risultato IN R1 STORE M1, R1 IN R1 STORE M2, R1 LOAD R1, M1 DIV R1, M2 OUT R1

37 Esempi in Assembly Si supponga di aver memorizzato nelle locazioni di memoria M0,, M10 i numeri da 0 a 10. Stampare i numeri da 1 a 10 LOAD R1, M0 lab: ADD R1, M1 OUT R1 CMP R1, M10 JB lab Calcolare il valore assoluto di un numero (cambiare il segno se il numero è negativo) IN R1 STORE M1, R1 SUB R1, M1 CMP R1, M1 JB next SUB R1, M1 STORE M1, R1 next: LOAD R1, M1 OUT R1

38 Esercizi in Assembly Spiegate quale funzione viene eseguita dal seguente programma SE NUMERO NEGATIVO STAMPA 0, altrimenti 1 IN R1 STORE M1, R1 SUB R1, M1 CMP R1, M1 JB lab1 OUT R1 JMP lab2 lab1: LOAD R1, M1 DIV R1, M1 OUT R1 lab2: END

39 Esercizi in Assembly Scrivere un programma in assembly che legga due interi e stampi il più grande IN R1 STORE M1, R1 IN R1 STORE M2,R1 CMP R1,M1 JB lab1 OUT R1 JMP lab2 lab1 LOAD R1, M1 OUT R1 lab2 END

40 Esercizi in Assembly Scrivere un programma che legga 2 interi (supponendo che il primo sia minore del secondo) e scriva tutti i numeri interi inclusi tra essi estremi esclusi (suppongo ci sia 1 in M0). lab: IN R1 IN R2 STORE M2,R2 SUB R2, M0 ADD R1, M0 OUT R1 CMP R1, M2 JB lab END