Architettura degli. Introduzione al corso Modello della Macchina di Von Neumann Una architettura reale: MIPS. Dott.

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1 Architettura degli Elaboratori Introduzione al corso Modello della Macchina di Von Neumann Una architettura reale: MIPS Dott. Franco Liberati

2 Argomenti della lezione Un modello di elaboratore elettronico: la Macchina di Von Neumann Architettura di un elaboratore elettronico (nozioni di base del MIPS)

3 Architettura degli Elaboratori Modello della Macchina di Von Neumann Dott. Franco Liberati

4 Macchina di Von Neumann Modello di un sistema di calcolo automatico che elabora le istruzioni e gli operandi di un programma memorizzato CU ALU MEM I/O STRUTTURA DI INTERCONESSIONE

5 Macchina di Von Neumann Unità di controllo (control unit) Sottosistema deputato all elaborazione delle istruzioni, all invio dei comandi e alle operazioni di controllo CU ALU MEM I/O Registro 1 Registro 2 DECODIFICATORE DI ISTRUZIONI CLOCK FASE MEM Registro 3 Registro n Rete combinatoria o sequenziale GENERATORE DI COMANDI PC SR CLOCK: scandisce i tempi per il cambiamento di stato FASE: scandisce le fasi di caricamento (load), decodifica (decode) ed esecuzione (execute) e archiviazione (store) PC: contiene l indirizzo in memoria dell istruzione da elaborare

6 Macchina di Von Neumann CU Unità logico-aritmetica (logical-aritmetical unit) Componente dove vengono effettuate operazioni Logiche: shift, rotazione, and, or, not Aritmetiche: somma, complemento a due ALU MEM I/O Funzione Operando 1 Operando 2 AND ALU Risultato SR SOMMA

7 Macchina di Von Neumann Unità logico-aritmetica: il registro di stato CU ALU MEM I/O Dopo ogni operazione si aggiorna, tramite i codici di condizione (condition code o flag) il registro di stato che contiene lo stato della macchina W: overflow; C: trabocco Z: zero; S: segno ; P: parità Funzione Operando 1 Operando SOMMA ALU Risultato Z W C S P I T

8 Macchina di Von Neumann Memoria CU ALU MEM I/O Componente dove risiedono istruzioni, dati o indirizzi. È caratterizzata da un indirizzo e una locazione (o cella) di memoria Accesso casuale e non sequenziale (RAM: randomaccessmemory). INDIRIZZO LOCAZIONE

9 Macchina di Von Neumann Memoria:funzionamento CU ALU MEM I/O In lettura l elaboratore invia un indirizzo; dalla memoria ritorna l operando o l istruzione (o un nuovo indirizzo) allocato all indirizzo richiesto In scrittura l elaboratore invia un indirizzo ed un operando; in memoria è stipato l operando all indirizzo allegato Indirizzo: Indirizzo: Operando: Address Data Operation(R/W)

10 Macchina di Von Neumann Dispositivi di ingresso e uscita (input/output) Componenti che permettono l interazione con il mondo esterno CU ALU MEM I/O I/O

11 Macchina di Von Neumann Esempio di funzionamento CU ALU MEM I/O Registro $t1 Registro $t2 Registro $t3 ALU TRANSCODIFICATORE SR MEM Registro n PC FASE CLOCK 1000: lb $t1,(100) 1004: li $t2, : add $t3,$t1,$t2 1012: sb $t3,(300)

12 Architettura degli Elaboratori Una architettura reale: MIPS Microprocessor without Interlocked Pipeline Stage Dott. Franco Liberati

13 MIPS Architettura Architettura di tipo RISC ha un set ridotto di istruzioni: pochi modi di indirizzamento) basata su canalizzazione (pipeline) realizzata da John L. Hennessy della Stanford University nel 1981 Segue l architettura di Von Neumann CU ALU MEM I/O STRUTTURA DI INTERCONESSIONE

14 MIPS CPU CLOCK DECODIFICATORE DI ISTRUZIONI FASE PC MEM Registri Rete combinatoria GENERATORE DI COMANDI HI LO SP SR HIContiene il risultato della divisione: parte alta (HI) LO: Contiene il risultato della divisione: parte bassa (LO) SP: Contiene l indirizzo che punta alla cima dello stack

15 MIPS CPU (senza unità di controllo): esempio

16 MIPS Unità di controllo: registri REGISTRI TEMPORANEI NON PRESERVANTI: si azzerano dopo un salto a sub-routine $t0 $t1 $t2 $t3 $t4 $t5 $t6 $t7 $t8 $t9 REGISTRI TEMPORANEI PRESERVANTI: mantengono sempre i valori $s0 $s1 $s2 $s3 $s4 $s5 $s6 $s7 $s8 $s9 REGISTRI TEMPORANEI PER LE SUB ROUTINE $v0 $v1 Risultati della sub-routine $a0 $a1 $a2 $a3 REGISTRI PER I NUMERI REALI (NUMERI IN VIRGOLA MOBILE, floatingpoint) $fp0 $fp31 Parametri di ingresso della sub-routine

17 MIPS Unità Logica Aritmetica Funzione Operando 1 Operando 2 ALU Risultato Funzione SR COPROCESSORE MATEMATICO (calcoli con numeri in virgola mobile, logaritmi, radice quadrata, ) Risultato

18 MIPS Memoria AREA PROCESSI 0x x Locazione in cui è posizionato il programma SP STACK 0x7FFFEFFC KERNEL xFFFFFFFF

19 .text lb $t2,primo lb $t3,secondo add $t1,$t2,$t3 sb $t1,risultato lui$1,0x lb $10,0x ($1) lui$1,0x lb $11,0x ($1) add $9,$10,$11 lui$1,0x sb $9,0x ($1) MIPS Memoria AREA PROCESSI 0x x x400000: 0x3C x400004: 0x802A000 0x400008: 0x3C x40000C: 0x802B0001 0x400010: 0x014B4820 0x400014: 0xC x400018: 0xA lui$1,0x lb $10,0x ($1) lui$1,0x lb $11,0x ($1) add $9,$10,$11 lui$1,0x sb $9,0x ($1) STACK 0x7FFFEFFC KERNEL xFFFFFFFF

20 MIPS Dispositivi di ingresso e uscita (input/output) Componenti che permettono l interazione con il mondo esterno I/O ESEMPIO1.ASM Finestra di input per l immissione dei dati da tastiera li $v0,5 # servizio di lettura di un intero da tastiera syscall #chiamata di sistema move$t0,$v0 #spostamentodel valore letto da tastiera #residente in $v0 dopo la syscall Finestra di output (mostrata dal simulatore) per la visualizzazione dei risultati move $a0,$t0 #spostamento del valore intero da stampare #da$t0 a $a0 li $v0,1 #servizio di stampa di un intero syscall #chiamata di sistema

21 MIPS Dispositivi di ingresso e uscita (input/output) Esempio interaizone con tastiera e consolle di output video ESEMPIO1.ASM.text.globl main main: li $v0,5 # servizio di lettura di un intero da tastiera syscall #chiamata di sistema move $t0,$v0 #spostamento del valore letto da tastiera residente in $v0 dopo la syscall add $t0,$t0,1 #calcolo del valore successivo move $a0,$t0 #spostamento del valore intero da stampare da $t0 a $a0 li $v0,1 #servizio di stampa di un intero syscall #chiamatadi sistemali $v0,10 syscall

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