ORGANIZZAZIONE DEI CALCOLATORI INTRODUZIONE

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1 ORGANIZZAZIONE DEI CALCOLATORI INTRODUZIONE Mariagiovanna Sami 1

2 UN PO DI STORIA L idea di calcolatore programmabile risale alla prima metà dell Ottocento - la macchina analitica di Charles Babbage (ideata ma non realizzata - problemi tecnologici ed economici ne impedirono la realizzazione). Primo calcolatore elettronico programmabile realizzato e utilizzabile per scopi generali: ENIAC (Electronic Numeric Integrator and Computer) progettato da Eckert e Mauchly all Unversità di Pennsylvania nel 1943, prodotto nel 1946, usato fino al 1955.

3 ENIAC: UN PO DI STORIA Aritmetica decimale (non binaria!) 20 registri accumulatori di 10 cifre; Programmata manualmente mediante interruttori tubi a vuoto; 30 tonnellate, 140 kw di consumo addizioni al secondo

4 UN PO DI STORIA ENIAC era scarsamente programmabile non esiste spazio di memoria condiviso fra memoria e dati concetto innovativo, proposto da Alan Turing e John von Neumann: calcolatore a programma memorizzato macchina IAS Esiste una memoria che registra programmi e dati; L ALU opera su dati binari; L unità di controllo comanda la lettura delle istruzioni dalla memoria, le interpreta e ne comanda l esecuzione; inoltre controlla le operazioni di I/O; IAS: progettato a Princeton, completato nel

5 LA MACCHINA DI VON NEUMANN CPU ALU MEMORIA +registri I/O Unità di contr

6 LA MACCHINA DI VON NEUMANN La memoria è costituita da un insieme di posizioni (di norma indicate come parole) tutte di uguale dimensione e identificate mediante il loro indirizzo (sostanzialmente, il numero d ordine in un elenco lineare!). La memoria registra sia istruzioni sia dati (un istruzione, come un dato, nella memoria è rappresentata come un numero binario). L ALU è costituita da unità funzionali capaci di compiere su comando dell unità di controllo operazioni di tipo aritmetico (es. addizioni, sottrazioni) e logico (operazioni booleane). All ALU è associato un certo numero di registri cui può facilemente accedere

7 LA MACCHINA DI VON NEUMANN Il sistema di ingresso-uscita (I/O) è costituito dalle unità che consentono al calcolatore di comunicare col mondo esterno, ricevendo informazione ( ingresso ) o fornendone ( uscita ). L unità di controllo è l unica parte attiva del calcolatore l unità che interpreta le istruzioni del programma (tradotte nel linguaggio della macchina) e invia i comandi alle altre in modo da eseguirle (es., invia alla memoria l indirizzo di un dato da leggere e il comando di lettura). L insieme ALu-Registri-Unità di controllo viene normalmente indicato come CPU (Central Processing Unit spesso anche processore) Tornando agli esempi storici:

8 UN PO DI STORIA Si ricordi il principio essenziale di funzionamento delle macchine a programma memorizzato: Le istruzioni sono registrate in memoria così come i dati; le istruzioni del programma sono memorizzate in sequenza (cioè in indirizzi consecutivi); L unità di controllo è dotata di un registro detto contatore di Programma (Program Counter) che indica la prossima istruzione che dovrà essere eseguita; Terminata l esecuzione di un istruzione, l unità di controllo automaticamente legge l istruzione il cui indirizzo è contenuto nel PC e aggiorna il PC in modo che indichi la prossima istruzione

9 Alcuni dettagli sulla macchina IAS: Memoria: 1000 parole di 40 bit, capaci di ospitare due istruzioni; Aritmetica binaria; CPU dotata di un insieme di registri: Memory buffer (registro di lettura/scrittura); Registro di indirizzamento della memoria (MAR); Registro Istruzioni; Contatore di Programma (PC); Accumulatore; Moltiplicatore/quoziente

10 E gli aspetti commerciali? 1947: Eckert e Mauchly fondano un azienda che diventa l UNIVAC (Universal Automatic Computer); 1960: censimento USA utilizza l UNIVAC I; UNIVAC diventa poi parte della Sperry Rand; 1953; IBM (azienda di macchine per ufficio e sistemi meccanografici) produce il 701 calcolatore a programma memorizzato per calcoli scientifici e nel 1955 il 702 per applicazioni commerciali

11 La seconda generazione : Seconda metà degli anni 50: calcolatori con CPU realizzata a transistori (invenzione del transistore: 1947, dovuta a William Shockley dei Bell Labs,) calcolatori più veloci, meno ingombranti, che occupano meno potenza; Terza generazione (seconda metà degli anni 60): circuiti integrati su piccola scala (fino a 100 transistori su un chip). 1971: primo microprocessore (4004 Intel parole di quattro bit, qualche migliaio di transistori sul chip)

12 I LIVELLI DI INTEGRAZIONE 1965: Small-Scale Integration fino a 100 transistori su un chip; Fino al 1971: Medium-Scale Integration fino a 3000 dispositivi su un chip; Dal 1971 al 1977: Large-Scale Integration fino a dispositivi su un chip; Dal 1978: Very Large Scale Integration (VLSI) da a dispositivi su un chip; Ultra-Large Scale Integration oltre i

13 LA LEGGE DI MOORE (Gordon Moore uno dei fondatori della Intel): Il numero di transistori sul chip raddoppia ogni anno (fino al 1970) - dal 1970, raddoppia ogni 18 mesi; Il costo di un chip resta circa immutato; Maggiore densità percorsi elettrici più brevi prestazioni più elevate; Diminuisce il consumo di potenza; aumenta l affidabilità

14 LA LEGGE DI MOORE 1971: Intel 4004 poche migliaia di dispositivi sul chip; 2000: Intel Pentium IV alcune decine di milioni di dispositivi sul chip. 2004: si supera il miliardo di transistori su un chip. Ogni anno (fino al 2004 ): La frequenza di clock aumenta del 30%; Il potenziale di prestazioni raddoppia

15 LE TENDENZE logica DRAM Dischi NUMERO DI TRANSISTORI SUL CHIP X2 in 3 anni X4 in 3-4 anni X4 in 2-3- anni VELOCITÀ X2 in 3 anni X2 in 10 anni X2 in 10 anni

16 L EVOLUZIONE Introduzione del concetto di famiglia CPU con diverse capacità (es., velocità, dimensioni della memoria, capacità di eseguire funzioni complesse ) ma uguale linguaggio di macchina (quindi compatibili capaci di eseguire lo stesso programma oggetto): IBM 360,

17 L EVOLUZIONE 1964: la DEC introduce il PDP-8 il primo minicomputer: costo e dimensioni ridotti, Può funzionare in ambienti non protetti ; Capace di reagire ad eventi esterni asincroni (= indipendenti dal programma in corso di esecuzione) applicazioni embedded, non più solo per eseguire dei calcoli! STRUTTURA A BUS fortemente modulare, ammette l aggiunta di moduli a seconda delle necessità del cliente (entro limiti!)

18 STRUTTURA A BUS DEL PDP-8 controll. console CPU Memoria primaria Modulo di I/O Modulo di I/O OMNIBUS

19 QUALI TECNOLOGIE PER LE CLASSI DI CALCOLATORI? Fino gli anni 90: Personal computers e processori embedded: sostanzialmente la stessa tecnologia dagli anni 80, tecnologia CMOS; Supercomputers: negli anni 80-90, tecnologie diverse (essenzialmente bipolari) con densità di integrazione molto mjinore e consumo di potenza molto elevato, che richiedeva particolari teniche di raffreddamento

20 OGGI- LE CLASSI DI APPLICAZIONI DEI CALCOLATORI Oggi: le stesse tecnologie sono usate in calcolatori digitali per applicazioni che vanno dagli elettrodomestici ai supercomputer: sostanzialmente, si possono distinguere: Personal computers: le caratteristiche cambiano a seconda che si tratti di calcolatori da scrivania o di portatili (nel secondo caso i vincoli di consumo sono molto più forti);

21 OGGI- LE CLASSI DI APPLICAZIONI DEI CALCOLATORI (2) Server: orientati per sopportare carichi di lavoro elevati (singole applicazioni complesse piuttosto che un gran numero di applicazioni semplici, come nel caso di un Web Server). La tecnologia è la stessa di quella di un PC, ma deve fornire grande espandibilità sia in termini di capacità di elaborazione che in termini di connettività (normalmente sono accessibili solo da rete)

22 OGGI- LE CLASSI DI APPLICAZIONI DEI CALCOLATORI (3) Al limite superiore: supercomputer, oggi sistemi multiprocessore costituiti da centinaia, migliaia o anche decine di migliaia di processori collegati fra loro, usati per calcoli scientifici e ingegneristici complessi (es. meteo, modelli sismici, ricerca petrolifera, genomica e proteomica, etc.)

23 OGGI- LE CLASSI DI APPLICAZIONI DEI CALCOLATORI (4) Calcolatori embedded: di gran lunga la classe più ampia, col più esteso spettro di applicazioni dal microprocessore relativamente semplice per un elettrodomestico al sistema di elaborazione in un cellulare o un PDA, fino alle reti di centinaia o migliaia di processori su un aereo o una nave. Sistemi progettati per eseguire una particolare applicazione (o insieme di applicazioni) di norma integrata con lo hardware in un solo sistema. Requisiti particolari: (spesso) vincoli di costo e consumo, richiesta di grande affidabilità. Negli ultimi anni il settore è cresciuto molto più rapidamente dei due precedenti

24 OGGI- LE CLASSI DI APPLICAZIONI DEI CALCOLATORI (6) Nel 2002: unità vendute per le diverse classi: PC: 131 milioni Server + supercomputer: 5 milioni Calcolatori embedded: 1122 milioni (in questo caso si contano i singoli processori su un auto di classe elevata ce ne sono più di 150 ): in assoluto, la CPU più venduta è l ARM (processore tipico per sistemi embedded es., telefoni cellulari) Oggi i calcolatori embedded hanno effettuato il sorpasso anche in termini di dollari, non solo in volume di vendite!

25 IL CORSO I livelli di astrazione nella rappresentazione di un calcolatore L architettura generale di un calcolatore: processori, bus, memoria, sottosistema di I/O Il linguaggio macchina: le operazioni svolte dall hardware La rappresentazione delle istruzioni all interno del calcolatore Il processore: unità di elaborazione e unità di controllo

26 IL CORSO Unità di controllo: cenni a soluzione cablata e a microprogrammazione La valutazione delle prestazioni: le misure di base La gerarchia di memoria: Fondamenti sulle cache e valutazione delle prestazioni La memoria centrale e la memoria di massa Gestione della memoria tramite memoria virtuale L interfaccia tra processori e periferiche Il funzionamento del bus Le interfacce di I/O Tecniche di interfacciamento di dispositivi di I/O Miglioramento delle prestazioni mediante l uso della pipeline

27 IL CORSO Testo di riferimento: D.A.Patterson, J.H. Hennessy: Struttura e progetto dei calcolatori: l interfaccia hardware-software, ed. Zanichelli

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