Architettura dei calcolatori. Moreno Marzolla

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1 Architettura dei calcolatori Moreno Marzolla

2 Copyright Gianluca Palermo Copyright Susanna Pelagatti Copyright 2011, Moreno Marzolla This work is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 (CC BYSA 3.0) License. To view a copy of this license, visit or send a letter to Creative Commons, 543 Howard Street, 5th Floor, San Francisco, California, 94105, USA. 2

3 Conoscenza Dichiarativa Consiste nella descrizione di fatti o proprietà La radice quadrata di x è il numero non negativo y tale che y2 = x Imperativa Consiste nella descrizione di regole o procedure che consentono di ottenere determinati risultati Trova una stima G della radice quadrata di x Ripeti Se G2 x allora il risultato è G; stop altrimenti G (G + x/g) / 2 3

4 Cosa è l'informatica? L'informatica è lo studio dei fondamenti teorici dell'informazione, della sua computazione a livello logico e delle tecniche pratiche per la loro implementazione e applicazione in sistemi elettronici automatizzati detti quindi sistemi informatici. 4

5 Cosa à un computer? Un computer è un dispositivo programmabile in grado di svolgere in modo automatico una sequenza di operazioni aritmetiche o logiche In altre parole, è uno strumento per la rappresentazione, memorizzazione ed elaborazione di informazioni 5

6 Informatica e Computer Computer Science is no more about computers than astronomy is about telescopes, biology is about microscopes or chemistry is about beakers and test tubes. Michael R. Fellows and Ian Parberry Computing Research News, vol. 5, n. 1,

7 Conoscenza Imperativa Come possiamo descrivere la conoscenza imperativa? Fixed program computer Dispositivi specializzati per risolvere un tipo specifico di problema Stored program computer Dispositivi che ricevono in ingresso (ed eseguono) una sequenza di istruzioni che descrivono i passi da eseguire per ottenere un certo risultato Tali dispositivi possono risolvere problemi diversi, semplicemente ricevendo sequenze diverse di istruzioni Esistono molti linguaggi di programmazione che possono essere usati per descrivere le istruzioni da eseguire 7

8 Informatica Tutti i problemi sono risolubili algoritmicamente? Esistono problemi troppo difficili per essere risolti meccanicamente? Fondamenti teorici dell'informatica Algoritmi Informatica Linguaggi di programmazione Costruzione di calcolatori efficienti Definizione di algoritmi efficienti per risolvere problemi complessi Studio dei limiti teorici della risoluzione meccanica di problemi Hardware 8

9 Breve storia dei calcolatori 9

10 La macchina di Antikythera (circa A.C.) 10

11 Charles Babbage ( ) e la Macchina Analitica 11

12 Konrad Zuse ( ) e la Z1 12

13 Atanasoff-Berry Computer (ABC, 1939) Il primo computer digitale totalmente elettronico Fixed program computer in grado di risolvere sistemi di equazioni lineari 13

14 Semi-Automatic Ground Environment (SAGE, 1956) 14

15 Calcolatrice Elettronica Pisana (CEP, 1957) 15

16 PDP-11 (1972) con Dennis Ritchie e Ken Thompson 16

17 Verso i giorni nostri... Xerox Alto (1970) Altair 8800 (1975) 17

18 Verso i giorni nostri... Apple II (1976) IBM 5150 (1981) 18

19 Verso i giorni nostri... Commodore 64 (1982) Apple Macintosh (1984) 19

20 Verso i giorni nostri... Amiga 1000 (1985) 20

21 ...il resto è cronaca 21

22 Tipi di calcolatori Handheld / PDA / Smartphone / Tablet Dimensioni molto contenute, potenza di calcolo limitata, memoria/spazio disco limitati, ottimizzati per limitare il consumo energetico 22

23 Tipi di calcolatori Portatili / Notebook / Netbook Dimensioni contenute per essere facilmente trasportati, limitata possibilità di espansione 23

24 Tipi di calcolatori Desktop Prestazioni elevate, consumi energetici elevati, buona espandibilità (schede di espansione) 24

25 Tipi di calcolatori Supercomputer Costo estremamente elevato, l'installazione richiede locali appositamente predisposti, prestazioni molto elevate per il calcolo scientifico 25

26 Ricordiamo... Processore (CPU) Memoria Sottosistema di interfaccia (I/O) Bus di sistema Architettura di Von Neumann (che avete già visto nel modulo del prof. Ferretti) 26

27 CPU Dati Indirizzi Controllo Bus R0 R1 ALU Memoria Memoria Rn PC IR Controllo PSW 27

28 Ciclo Fetch-Decode-Execute Eseguito in continuazione dalla CPU Fetch Decode Preleva dalla memoria l'istruzione da eseguire; l'istruzione viene prelevato dall'indirizzo di memoria che si trova in PC; il contenuto di tale cella di memoria viene posto in IR Esamina l'istruzione che si trova memorizzata in IR per decidere cosa fare Execute Esegue l'istruzione memorizzata in IR, incluso il recupero dalla memoria degli eventuali parametri necessari ad eseguirla, e deposito del risultato 28

29 Nei calcolatori moderni... CPU L1 cache L2 cache Memoria Sottosistema di interfaccia (I/O) Bus di sistema Vengono utilizzati diversi livelli di memoria cache (molto veloce) per mantenere i dati più frequentemente usati vicini alla CPU Riduce gli accessi alla memoria tramite il bus di sistema 29

30 Nei calcolatori moderni... L1 cache L2 cache Memoria Sottosistema di interfaccia (I/O) Bus di sistema CPU multi-core: all'interno di un singolo processore sono presenti più unità di calcolo indipendenti (di fatto, più CPU) che possono operare in parallelo, indipendentemente l'una dall'altra 30

31 Esempi Intel core i7 AMD Istanbul 31

32 Esempi Cell Broadband Engine 32

33 Nei calcolatori moderni... Calcolatori paralleli a memoria distribuita: sono composti da nodi di calcolo indipendenti (ciascuno dotato di una propria CPU e memoria) collegati tra loro da una rete di comunicazione ad alte prestazioni 33

34 Esempio nodes ( cores) Overall peak performance: 1 Petaflops Main memory: 144 TB IBM BlueGene Power Consumption: MW + 20% for cooling Power cables: total 2.5 km Foot print: 130 m² Weight per rack: kg Cables: 4352 datacables (23 km copper), 288 x 1GigE cables (7.5 km copper), 600 x 10GigE cables (21 km fibre optics), total ca. 50 km Air Cooling: m³/h, temperature: 16 C, fans per rack: 69 (total 4968) Water Cooling: 300m tubes, ca. 360 m³/h 34

35 Scoprire le caratteristiche del proprio PC (WinXP) 35

36 Scoprire le caratteristiche del proprio PC (WinXP) 36

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