Rappresentazione delle istruzioni

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Corso di Ingegneria Medica Rappresentazione delle istruzioni Codifica delle istruzioni Le istruzioni come i dati numerici per essere memorizzate ed eseguite su una rete combinatoria devono essere necessariamente espresse in sequenze di 0 e 1. Con 8 bit si possono codificare fino a 256 diverse istruzioni. Le istruzioni in genere sono seguite dai dati che devono essere elaborati e coordinati in una opportuna rete combinatoria per ottenere i risultati desiderati Nasce così la CPU (Central Process Unit) al cui interno trova posto l ALU (Unità Logico Aritmetica) Secondo la schema di von Neumann John von Neumann ( ) Slide 2 di 39 1

2 La CPU è il cuore di un calcolatore in essa trovano posto i circuiti, realizzati con le funzioni booleane, i quali devono essere attivati opportunamente per svolgere loro compiti. CPU Linee Dati INTERFACCIA A. L.U. 4/8/16/32/128 bit Linee Indirizz. bit MB 32 4 GB GB GESTORE LINEE DI INDIRIZZAMENTO Controllo e Clock Decodifica ISTRUZIONI Linee di Controllo Il cuore della CPU è l Unità Logico Aritmetica nella quale trovano posto i circuiti operativi Registri Comparatori Sommatori, etc.. Slide 3 di 39 Le istruzioni sono segnali che abilitano o disabilitano determinati circuiti posti all interno di una ALU affinché la stessa effettui l operazione voluta dall utilizzatore o rilasci il risultato dell operazione richiesta L esempio riporta una ALU a due bit che esegue 4 funzioni codificate dai segnali presenti sui fili di Selezione Operazione OP[0], OP[1], OP[2] Unità Logico Aritmentica Slide 4 di 39 2

3 ()()()(7 Multiplexer 0A)Il multiplexer è una rete ABCD combinatoria che ha lo scopo di BCD 1portare all uscita il segnale ABCD D 2 7presente su uno degli ingressi, quello indicato attraverso le linee di selezione A B C F F F F F F F F D D 1 ABCD1 1 1 FABCDABC7 DABCDABCD D D D D 6 Slide 5 di 39 Esempio A XOR B Uscita A AND B A OR B Multiplexer A + B + Carry C B A F Uscita (W) A XOR B (D0) A AND B (D1) A OR B (D2) A + B (D3) Slide 6 di 39 3

4 A XOR B A AND B A OR B Multiplexer Esempio Uscita F in accordo con il codice presente su A B C A + B + Carry C B A F Uscita (W) A XOR B (D0) A AND B (D1) A OR B (D2) A + B (D3) A XNOR B (D4) A NAND B (D5) A NOR B (D6) Slide 7 di 39 Macchina di Turing Turing concepisce (pubblicato nel 1936) un modello di macchina ideale come esecutore preciso e diligente che leggendo e scrivendo su un nastro continuo esegue una dopo l altra le istruzioni ivi indicate secondo uno schema logico fornitogli (algoritmo) con la forma se è vero che. allora.. esegui Il nastro può essere letto nelle due direzioni ed ogni operazione dipende dallo stato attuale della macchina (stato interno o memoria di stato dell evoluzione delle operazioni) Questa macchina doveva risolvere il X problema posto nel 1900 da Hilbert Si può, in linea di principio, dettare un metodo meccanico (rigoroso) attraverso il quale per un qualsiasi enunciato matematico si possa dire che esso è vero o falso? Il metodo deve avere una fine cioè deve terminare. (Computabilità di un algoritmo) Alan Turing ( ) Slide 8 di 39 4

5 Relazioni tra CPU e Memoria Architettura e Dispositivi base I/O Slide 9 di 39 CPU BUS di Indirizzamento BUS di Dati Internal BUS Contatore di programma Ciclo +1 legato al clock Decodificatore Istruzioni Registri ausiliari Registro A Registro B Temporizzazione e controllo ALU Flag Slide 10 di 39 5

6 Rappresentazione delle istruzioni Le istruzioni sono quindi strutturate con sequenze di bit di cui una prima parte sono codice operativo o OpCode ed il restante gli eventuali operandi Codice Operativo Nessun operando Codice Operativo Operando Immediato o codice registri interessati Codice Operativo Destinazione Sorgente 1 Operando Immediato Codice Operativo Destinazione Sorgente 1 Sorgente 2 Estensione del OpCode 8 bit (256 istruzioni) Numero di Byte funzione dell operazione Slide 11 di 39 Programma assembler simbolico / binario Definire il dato A Definire il dato B Definire spazio del risultato come dato C Inizio Carica il dato A Carica il dato B Somma A e B Salva il risultato in C fine Supponiamo di voler effettuare la somma di due numeri A e B e salvare il risultato in una cella di memoria indicata nella sequenza Slide 12 di 39 6

7 Es Programma elementare Indirizzo di Memoria esadecimale dal program counter Codice caricato dalla memoria Operazione da eseguire A Carica il dato su registro A Dato A B Carica il dato su registro B 0003 A2 Dato B F Somma A con B 0005 A1 Move risultato a 000F F LSB address MSB address 000F Trasferimento effettivo 0008 F0 stop... Indirizzo di memoria Al termine del programma 000F B6 Notazione inversa polacca Supponiamo di voler effettuare la somma di due numeri 14 H e A2 H e salvare il tutto in una cella di memoria successiva Registro A Registro B 14 A2 Risultato in ALU B6 Codice operativo 1A 14 1B A2 2F A1 00 0F F0 Slide 13 di 39 Esecuzione nella CPU Control Bus OpCode Addr Dato Somma Load 0F 00 Store 12 StopA B BUS di Indirizzamento F H LEGGO SCRIVO BUS di Dati Internal BUS Contatore Address Address 000F di programma deposito +1 Ciclo +1 legato al clock Decodificatore Istruzioni Registri ausiliari Registro Somma A Registro B Temporizzazione e controllo Somma ALU Flag Slide 14 di 39 7

8 Indirizzo di memoria Contenuto numerico in esadecimale Programma assembler ASSEMBLER / binario Linguaggio SIMBOLICO Slide 15 di 39 Es. Istruzioni 8086 Raggruppamenti e tipologie di istruzioni Istruzioni per il Trasferimento Dati (I/O, sorgente / destinazione) Istruzioni Aritmetiche Istruzioni per la manipolazione di BIT (Set/Reset di bit Scorrimento di bit) Istruzioni per il trasferimento di esecuzione del programma (Jump - Call - Return) Istruzioni per il trattamento delle stringhe Istruzioni per il controllo del processore (Sincronizzazione di più processori) Slide 16 di 39 8

9 Flags bandierine molto importanti Il registro dei flag (Registro di Stato del programma ad 8 o 16 bit) PSW, contiene informazioni derivanti dall ultima operazione eseguita o sulla operazione corrente; può essere testato per verificare la situazione delle operazioni dentro la CPU in particolare nell ALU OF DF IF TF SF ZF AF PF CF Overflow Direzione lettura dati interrupt Trap debug Segno Zero Carry ausiliario BCD Parity Carry Slide 17 di 39 Bit del byte dei FLAG OF DF IF TF SF ZF AF PF CF Overflow Direzione lettura dati interrupt Trap debug Segno Zero Carry ausiliario BCD Parity Carry CARRY : Riporto dal bit più significativo degli operandi PARITY : riporta la parità/disparità dell ultimo operando elaborato CARRY BCD : Riporto nelle operazioni svolte in Binary Coded Decimal ZERO : Risulta 1 quando nell ultima operazione i bit sono tutti a 0 SEGNO : Risulta 1 quando il risultato dell operazione è negativo TRAP Debug : Utilizzato durante il debug del software (step-by-step) INTERRUPT : Risulta 1 quando sono abilitati i segnali Interruzione Direzione Lettura : Utilizzato nella lettura delle stringhe di caratteri OVERFLOW : Risulta 1 quando l ultima operazione ha prodotto questo errore Slide 18 di 39 9

10 Esempio di set di istruzioni di salto Slide 19 di 39 Sitografia / Bibliografia Indirizzi di riferimento per assembler istruzione salto condizionato <= istruzione trasferisci Parole chiave Explication de l'arithmétique Binaire History of computer science Slide 20 di 39 10

11 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Corso di Ingegneria Medica Rappresentazione dei simboli Una torre di babele Codifica Partendo dalla considerazione che la macchina si esprime solo con combinazioni di 0 ed 1 La simbologia che usiamo per rappresentare le parole ed i significati è il successivo passo di rappresentazione umana che è necessario introdurre nella comunicazione uomo-macchina Si tratta di effettuare quella che viene indicata come CODIFICA DEI SIMBOLI creando una equivalenza tra simbolo e numero Slide 22 di 39 11

12 Per CODICE si intende una associazione biunivoca, definita arbitrariamente, tra due entità definite di cui una è spesso simbolica Codice fiscale Persona fisica Codice postale Zona territoriale Codice genetico Caratteristiche Individuo Matricola Studente Targa Autoveicolo N Telefono Mobile entità fisica o logica Codice Morse (sequenze di tratti e linee) con Simboli Codifica Codici per computer Simboli Numeri binari Slide 23 di 39 Caso Genetico Nel caso del codice genetico la natura ha configurato ben 4 diversi simboli per codificare i 20 aminoacidi con gruppi di tre simboli. I quattro simboli sono le basi di acido nucleico Adenina, Citosina, Guanina, Uracile (Timina nel DNA) 4^2=16 4^3=64 61 sono dedicati alla codifica degli aminoacidi 3 per le funzioni di stop (UAA, UAG, UGA) Combinazioni di 4 elementi presi due a due AA AC AG AU CA CC CG CU GA GC GG GU UA UC UG UU Slide 24 di 39 12

13 A K U a k u. 1 B L V b l v, 2 C M W c m w + 3 D N X d n x - 4 E O Y e o y * 5 F P Z f p z / 6 G Q g q Sp 7 H R h r ( 8 I S i s ) 9 J T j t : Codifica La codifica è una operazione del tutto arbitraria anche se varie aziende e ricercatori nel tempo hanno usato determinati criteri soprattutto finalizzati alla correzione automatica degli errori e alla riduzione delle dimensioni dei dati codificati, ma diversi (EBCDIC, GECD, BDC, tante versioni ISO ( a k u A K U 1 ) b l v B L V 2 * c m w C M W 3 / d n x D N X 4 + e o y E O Y 5 - f p z F P Z 6? g q G Q Sp 7 : h r H R 8 ; i s I S 9. j t J T Slide 25 di 39 Tabelle conversione IBM BULL / Olivetti anni 60 Banda Perforata Slide 26 di 39 13

14 Tipica tabella di codici GECD Per le schede perforate General Electric anni '60 Slide 27 di 39 E linea 12 e 5 < linea 12, 8, 6 Codifica sul supporto. Linea 12 Linea 11 Slide 28 di 39 14

15 Codice ASCII Codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Nasce negli anni 60 per risolvere il problema della comunicazione tra diverse case produttrici ormai largamente usato nei personal computer Inizialmente a 7 bit (128 differenti rappresentazioni simboliche) è poi passato ad 8 bit (256 configurazioni) per poter rappresentare anche simboli non appartenenti alla cultura americana Slide 29 di 39 Codice ASCII Slide Slide 30 30of di

16 Codice ASCII esteso Slide Slide 31 31of di Codice UNICODE Negli anni 90 nasce dall esigenza di dover rappresentare molte e più disparate simbologie Estensione a 16 bit per un totale di Successivamente norma internazionale ISO/IEC che estende ulteriormente a 21 bit la rappresentazione con la quale si è calcolato si possano coprire anche esigenze di rappresentazione di simbologie antiche Grazie alla tecnica di vettorizzazione dei simboli ISO/IEC Sitografia Slide 32 di 39 16

17 Slide 33 di 39 Slide 34 di 39 17

18 Fonti Font di caratteri mappati Fonti a mappa di bit I caratteri vengono riprodotti seguendo un ben determinato schema di punti preordinati che costituiscono la mappa dei pixel accesi e di quelli spenti esempio carattere A maiuscola stile Time New Roman 41 pixel in altezza 31 pixel larghezza 15 px spenti 16 px acceso 15 px spenti Slide 36 di 39 Fonti di vettoriali caratteri Fonti vettoriali Questi font grafici dei simboli sono definiti in base alle caratteristiche geometriche del carattere un programma (algoritmo di disegno) provvede quindi a costruire, geometricamente, la mappa per quelle specifiche dimensioni partendo dalla sola dimensione in altezza h=70% H W=25%H L=h/sen(65 ) h H Slide 37 di 39 18

19 Sitografia / Bibliografia Slide 38 di 39 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Corso di Ingegneria Medica Lezione 5 Fine 19

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