1.4a: Hardware (Processore)

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1 1.4a: Hardware (Processore)

2 2 23 nov 2011 Bibliografia Curtin, Foley, Sen, Morin Informatica di base, Mc Graw Hill Ediz. Fino alla III : cap. 3.8, 3.9 IV ediz.: cap. 2.6, 2.7 Questi lucidi

3 23 nov L unità centrale di elaborazione (CPU) La CPU, o unità centrale di elaborazione o Processore, è un circuito integrato (Chip), costituito da una piccola piastra di silicio Sulla superficie della CPU sono presenti milioni di piccoli interruttori elettronici miniaturizzati, di tipo acceso/spento, i transistor, e altri componenti elettronici Il primo processore a larga diffusione, l Intel 4004 (1971), conteneva circa transistor Il primo processore montato sul primo PC di larga diffusione, i8088 conteneva circa transistor Il Core 2 (2006) ne contiene oltre Un Quad-core circa 2.4 miliardi.

4 4 23 nov 2011 L unità centrale di elaborazione (CPU) La CPU è il cervello del calcolatore e il suo compito è quello di eseguire i programmi, residenti nella memoria, leggendo ed eseguendo le loro istruzioni. L elaborazione avviene in accordo a sequenze di istruzioni (istruzioni macchina), scritte in un linguaggio di programmazione speciale, chiamato linguaggio macchina.

5 Esecuzione di Programmi RAM CPU N M

6 Esecuzione di Programmi N RAM leggi prossima istruzione somma 2 al valore della cella M CPU M

7 Esecuzione di Programmi RAM CPU N M leggi dati

8 Esecuzione di Programmi RAM CPU N esegui calcoli M =

9 Esecuzione di Programmi RAM CPU N M scrivi risultato

10 Esecuzione di Programmi N RAM leggi prossima istruzione CPU M

11 Struttura e componenti della CPU Unità di controllo (Control Unit). ALU (Unità Aritmetico-Logica) Clock Registri Unità di controllo Clock Memoria Centrale o Periferiche BUS Registro Registro ALU Registro

12 Struttura della CPU

13 Unità di controllo Sovrintende alla corretta esecuzione dei programmi e coordina il lavoro degli altri componenti hardware e le attività dell intero computer L unità di controllo del processore esegue una istruzione svolgendo le seguenti tre operazioni di base Fetch (lettura) Decode (decodifica) Execute (esecuzione) Un programma è eseguito reiterando il ciclo fetchdecode-execute (ciclo macchina) per eseguire ordinatamente le sue istruzioni

14 ALU L unità logico-aritmetica (ALU Arithmetic Logic Unit) esegue le istruzioni in linguaggio macchina corrispondenti alle operazioni matematiche, logiche e di confronto Legge i dati contenuti all'interno dei registri generali, esegue le operazioni e memorizza il risultato in uno dei registri generali Vi sono circuiti in grado di eseguire la somma di due numeri binari contenuti in due registri e di depositare il risultato in un registro eseguire il confronto tra due numeri ecc

15 Registri di memoria della CPU I registri della CPU sono un tipo di memoria ad alta velocità (2, 4, 8 byte) che viene utilizzata per memorizzare temporaneamente istruzioni e dati più frequentemente acceduti. Ospitano le informazioni necessarie per eseguire l istruzione corrente In numero molto limitato (10, 20, 64) si dividono in registri speciali e generali

16 I Registri speciali Il Program Counter (PC) contiene l indirizzo in memoria centrale della prossima istruzione da eseguire. All inizio dell esecuzione di un programma viene caricato con l indirizzo della prima istruzione di quel programma. Ad ogni istruzione eseguita il PC viene modificato per contenere l indirizzo della istruzione successiva.

17 I Registri speciali L Instruction Register (IR) contiene l istruzione correntemente in esecuzione la CPU legge l istruzione contenuta nell instruction register e la esegue IL Registro di stato (PSW) descrive lo stato corrente della esecuzione segnala eventuali errori (ad es.: overflow)

18 I Registri speciali Registro Indirizzi Memoria (MAR) contiene l indirizzo della cella da cui leggere o in cui scrivere un dato Registro dati Memoria (MDR) contiene il dato letto dalla memoria o da scrivere in memoria

19 Clock La CPU ha un orologio interno, detto clock, che emette con regolarità un determinato numero di impulsi ogni secondo, come una specie di metronomo che scandisce le operazioni all interno di tutti i circuiti elettronici del calcolatore e li sincronizza. La velocità del clock indica il numero di impulsi (cicli) che il clock emette in un secondo. La velocità del clock è quel numero che viene normalmente associato ad ogni processore (es.: processore da 2 Giga) La velocità del clock si misura in Hertz. 1 hertz (Hz) = 1 ciclo al secondo 1 megahertz (MHz) = 1 milione di cicli al secondo 1 gigahertz (GHz) = 1 miliardo di cicli al secondo

20 20 23 nov 2011 Dimensione della parola E il numero di bit che un processore tratta simultaneamente. Corrisponde a quanti bit possono essere trasferiti simultaneamente tra processore e memoria. Corrisponde alla dimensione della singola cella di memoria RAM Corrisponde alla dimensione dei registri della CPU. Inizialmente la dimensione della parola era di 8 bit, cioè di 1 byte. Da allora si è cominciato a misurare la dimensione della memoria in byte. Attualmente la dimensione di parola varia da 32 a 64 bits, in base al tipo di processore e di architettura hardware.

21 23 nov 2011 Istruzioni del Processore La CPU esegue istruzioni che fanno parte di un programma, codificato utilizzando un linguaggio di programmazione 21 Ogni CPU è in grado di eseguire solo poche istruzioni elementari quali: Somma di due numeri (già la somma di tre numeri viene effettuata tramite due somme elementari) Confronto tra due numeri con individuazione del fatto che ci sia o meno differenza (non tutti i processori sanno distinguere in modo immediato, invece, quale dei due precede l altro) Spostamento dei bit all interno di una parola di qualche posizione a destra o a sinistra. poche altre ancora

22 23 nov Istruzioni del Processore Inoltre, un istruzione del processore è generalmente composta da più operazioni elementari che accedono in momenti successivi alle risorse del computer Quasi mai la singola istruzione del processore è eseguita in un solo ciclo di clock. Ad esempio, per effettuare la somma di due numeri Bisogna leggere il primo addendo Bisogna leggere il secondo addendo Bisogna eseguire la somma Bisogna memorizzare la somma E potrebbe darsi che alcune di queste mini-operazioni richieda più cicli di clock per essere completata. Ogni parte di un istruzione viene eseguita in corrispondenza ad un impulso di clock

23 23 23 nov 2011 Istruzioni del processore Le istruzioni del processore sono il suo VOCABOLARIO: quanto più esso è povero tante più parole saranno necessarie per descrivere un concetto, ma tanto più esse saranno corte e quindi veloci da eseguire, in quanto richiedono pochi impulsi di clock per essere completate. La potenza di elaborazione di un processore è data dal numero di istruzioni eseguite in un secondo (MIPS milioni di istruzioni al secondo, MFLOPS milioni di istruzioni in virgola mobile al secondo)

24 24 23 nov 2011 Coprocessori Nei moderni computer la CPU è coadiuvata da altri processori specializzati nel trattamento di particolari tipologie di dati (ad esempio immagini sul monitor o suoni). Un Coprocessore è un processore. dedicato che, sotto il controllo della CPU e del Sistema Operativo svolge elaborazioni specialistiche che richiederebbero alla CPU un notevole dispendio di tempo Processore sulla scheda video Processore sulla scheda audio

25 25 23 nov 2011 Multiprocessori E possibile, inoltre, dotare un computer di più processori che collaborano all esecuzione di un programma. Ad esempio possono essere disposti più processori come in una catena di montaggio Oppure più processori possono lavorare contemporaneamente su parti diverse di uno stesso dato (nelle previsioni del tempo, ad esempio, ogni processore può dedicarsi ad una specifica zona geografica)

26 26 23 nov 2011 Microprocessori incorporati I microprocessori si trovano anche in Automobili Telefoni Termostati Schede telefoniche Carte di credito

27 27 23 nov 2011 Compatibilità Cosa accade ai programmi quando si cambia il processore del computer (perché, magari, si sostituisce il computer)? La compatibilità è garantita, di norma, verso l alto Un programma che gira su un processore di un produttore funziona sui modelli più recenti prodotti dalla stessa azienda Il viceversa non è sempre vero Non è garantita la compatibilità tra processori di aziende diverse, a meno che essa non sia esplicitamente dichiarata. Ad esempio c è un ottimo livello di compatibilità tra processori AMD e Intel

28 23 nov 2011 CISC e RISC CISC = Complex Instruction Set Chip ( ) RISC = Reduced Instruction Set Chip ( ) 28 Un processore CISC rispetto ad un processore RISC presenta molte più istruzioni che vengono eseguite tramite più operazioni elementari che richiedono più cicli di clock per essere completate E che quindi sono più lente delle corrispondenti operazioni RISC D altro canto, le istruzioni di un processore CISC che non sono presenti in un processore RISC vengono da questo simulate tramite più istruzioni ciò comporta tempi maggiori nei processori RISC, in media, ma solo per tali istruzioni da simulare, rispetto alle corrispondenti operazioni CISC

29 29 23 nov 2011 CISC e RISC I processori RISC sono mediamente più veloci dei CISC su quasi tutte le applicazioni. I processori RISC non sono adatti per elaborazioni complesse, ad esempio quelle sui dati multimediali Attualmente la differenza tra CISC e RISC si sta riducendo

30 30 23 nov 2011 Benchmark Batterie di test usate per confrontare le velocità dei computer. Non sono mai valori assoluti. Ma sono rapportati ad un insieme di programmi (che compongono tali batterie). Un computer può risultare più veloce di un altro relativamente ad un programma ma meno veloce relativamente ad un altro. Due grandi tipologie di programmi: CPU-consuming (usano molto la CPU). E tra queste: Integer-computing (calcoli su numeri interi o su pochi numeri) Floating-point computing (lavorano su numeri reali e molto grossi) I/O-consuming (usano molto le periferiche di I/O).

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