ARCHITETTURA DEGLI ELABORATORI CLASSE 2 A.A. 2014/15. Docente: Vincenzo Auletta INTRODUZIONE

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1 ARCHITETTURA DEGLI ELABORATORI CLASSE 2 A.A. 2014/15 Docente: Vincenzo Auletta INTRODUZIONE

2 1 Benvenu& nel Corso di Laurea in Informa&ca

3 L INFORMATICA 2 Cosa è l Informatica? Scienza che studia i fondamenti teorici dell informazione, della sua computazione a livello logico e delle tecniche pratiche per la sua implementazione in sistemi elettronici automatizzati (da wikipedia) Cosa fa l informatico? utilizza sistemi informatici per elaborare informazioni Lo strumento di lavoro principale dell informatico è il calcolatore È importante conoscerne la struttura e le funzionalità per poterlo utilizzare al meglio

4 LO STUDIO DELLE ARCHITETTURE 3 L IEEE/ACM Computing Curricula 2001 recita The computer lies at the heart of computing. Without it most of the computing disciplines today would be a branch of theoretical mathematics. To be a professional in any field of computing today, one should not regard the computer as just a black box that executes programs by magic. All students of computing should acquire some understanding and appreciation of a computer system s functional components, their characteristics, their performance, and their interactions. There are practical implications as well. Students need to understand computer architecture in order to structure a program so that it runs more efficiently on a real machine. In selecting a system to use, they should be able to understand the tradeoff among various components, such as CPU clock speed vs. memory size.

5 I CALCOLATORI 4 I calcolatori elettronici sono il prodotto di una tecnologia estremamente vitale Hanno circa 70 anni. ma hanno avuto un tasso di sviluppo strabiliante Se le tecnologie dei trasporti avessero avuto un evoluzione simile a quella dei calcolatori oggi potremmo viaggiare da New York a Parigi in un secondo L informatica è uno dei settori chiave della economia moderna Rappresenta oltre il 10% del PIL degli Stati Uniti Alcune delle società con più alta capitalizzazione hanno a che fare con il mondo dei calcolatori

6 IL PRIMO CALCOLATORE 5 Il primo calcolatore elettronico general-purpose pienamente funzionante è stato l ENIAC Costruito d Eckart e Mauchly alla University of Pennsylvania nel 1946 Realizzato per calcolare traiettorie di tiro per l artiglieria dell esercito americano ENIAC occupava una stanza di 9x30 metri, pesava 30 tonnellate ed aveva valvole termoioniche. Assorbiva tanta energia che alla prima accensione provocò un blackout dell intero quartiere, era in grado di fare 1900 addizioni al secondo ed eseguire salti condizionati, era programmabile ma la programmazione era fatta manualmente collegando cavi e configurando switch ed i dati erano inseriti utilizzando schede perforate.

7 6 ENIAC

8 GENERAZIONI DI CALCOLATORI 7 Nella storia dell informatica possiamo riconoscere differenti generazioni, in funzione della tecnologia utilizzata per realizzare l hardware

9 LA RIVOLUZIONE DELL INFORMAZIONE 8 I calcolatori hanno dato vita alla terza rivoluzione della nostra società Rivoluzione agraria Rivoluzione industriale Rivoluzione dell informazione I calcolatori hanno moltiplicato le potenzialità e le capacità intellettive del genere umano e cambiato il modo in cui viene generata la conoscenza sono presenti in ogni aspetto della nostra vita sono diventati uno strumento indispensabile per ogni settore della ricerca

10 SCIENZA O FANTASCIENZA? 9 I calcolatori hanno reso possibile applicazioni che fino a pochi anni fa erano ritenute fantascientifiche Il World Wide Web Motori di ricerca Telefonia cellulare Mappatura del genoma umano Sistemi di comunicazione satellitari Sistemi di geolocalizzazione Macchine controllate da calcolatori Le applicazioni del futuro: Mondi virtuali Sistemi di riconoscimento vocale in ambiente non controllato Sistemi di personalizzazione delle cure mediche

11 GRANDE VARIETÀ DI CALCOLATORI 10 Sul mercato è presente una vasta gamma di prodotti che possono essere definiti come calcolatori Dai microprocessori a singolo chip di pochi euro a supercalcolatori che costano milioni di euro. Le differenze riguardano tutti gli aspetti dell organizzazione della macchina (dalla tecnologia costruttiva all utilizzo del parallelismo) Tuttavia quasi tutti i calcolatori esistenti condividono le stesse idee progettuali di base L implementazione di tali concetti può differire in funzione degli obbiettivi di costi/prestazioni del progettista Le soluzioni utilizzate possono differire per specifici requisiti di progetto che possono richiedere un diverso utilizzo dell hardware Parliamo di diversi tipi (famiglie) di calcolatori

12 PRINCIPALI TIPI DI CALCOLATORI 11 I Principali tipi di calcolatori attualmente in commercio sono Desktop computer Server Calcolatori di tipo embedded

13 DESKTOP COMPUTER 12 Sono i calcolatori più noti Diffusi come Personal Computer (PC) e laptop (portatile) Pensati per un singolo utente Offrono buone prestazioni ad un costo limitato In genere utilizzano software di terze parti In 30 anni di vita hanno fatto da apripista allo sviluppo di tantissime tecnologie legate ai sistemi di elaborazione

14 SERVER 13 Equivalente moderno dei mainframe, minicomputer e supercomputer Server significa fornitore Identifica una macchina che offre servizi a numerosi clienti numerosi utenti accedono via rete al server per richiedere servizi (file server, print server, mail server, web server, ecc.) Questi dispositivi sono orientati all elaborazione di grandi carichi di lavoro Poche applicazioni molto complesse (application server) Una miriade di semplici applicazioni (web server)

15 SERVER Realizzati con le stesse tecnologie dei desktop ma con maggiore attenzione a Espandibilità Affidabilità Utilizzano software di terze parti adattato e personalizzato per specifiche esigenze

16 SERVER Il segmento dei server è molto diversificato per costi e prestazioni Server di fascia bassa sono poco più di un desktop senza schermo e tastiera, costano qualche migliaio di euro e svolgono semplici funzioni (es. Print server, web server, backup server) Supercomputer sono formati da centinaia di processori con terabyte (2 40 byte) di memoria principale e petabyte (2 50 byte) di memoria di massa, possono costare anche milioni di euro e sono usate per calcoli scientifici o ingegneristici (meteo, simulatori) Diverse società Internet come Google utilizzano centri di calcolo costituiti da cluster di migliaia di piccoli calcolatori v Stessa potenza dei supercomputer ma minor costo

17 CALCOLATORI EMBEDDED 16 Categoria in maggiore crescita ed è già oggi la più numerosa I sistemi embedded coprono una vastissima gamma di applicazioni Cellulari Playstation e decoder Processori per il controllo di auto o altri dispositivi intelligenti Reti di sensori Progettati per eseguire un numero limitato di applicazioni Stretta connessione tra hardware e software L utente li percepisce come un sistema monolitico e non si rende conto della presenza di un calcolatore

18 CALCOLATORI EMBEDDED Nella progettazione di calcolatori embedded si deve badare a Miniaturizzazione Contenimento dei costi Contenimento della potenza utilizzata Questi dispositivi sono di solito molto semplici In caso di guasti vengono sostituiti Per sistemi più complessi si sfrutta la ridondanza

19 DIFFUSIONE DEI CALCOLATORI EMBEDDED 18

20 PERCHÈ CI INTERESSA TUTTO CIÒ? 19 Un programma che esegue il proprio compito più velocemente e con minori requisiti hardware ha maggiori probabilità di successo sul mercato I programmatori più bravi devono tenere in considerazione le prestazioni dei loro programmi e sapere come poterle ottimizzare In passato le prestazioni di un programma erano dominate dalla disponibilità di memoria Oggi è un problema solo per certe applicazioni embedded Oggi le prestazioni dipendono dal corretto sfruttamento da parte del programma del parallelismo dei processori e delle gerarchie di memorie Un buon informatico deve conoscere l organizzazione del calcolatore per poterla sfruttare al meglio

21 OBIETTIVI DEL CORSO 20 Al termine del corso sapremo: Quali sono le componenti di base che permettono ad un calcolatore di operare; Come venogno tradotti i programmi in modo che il calcolatore li possa eseguire; Qual è l interfaccia HW/SW tramite la quale il programmatore può pilotare l HW Cosa determina le prestazioni di un programma e cosa può fare un programmatore per migliorarle I principi base della progettazione HW e le motivazioni che hanno spinto le case produttrici a passare alle architetture multicore

22 HARDWARE E SOFTWARE 21 I moderni calcolatori sono macchine generalpurpose e programmabili Possono essere utilizzate per svolgere diverse elaborazioni Il programma fornisce alla macchina le indicazioni su cosa deve fare Il calcolatore è costituito di due parti: Hardware: parte fisica costituita di componenti elettroniche, elettriche, meccaniche magnetiche ed ottiche che ne consentono il funzionamento Software: sono i programmi forniti alla macchina per definirne il comportamento. Questi programmi sono memorizzati su supporti informatici leggibili dal calcolatore

23 LA PROGRAMMAZIONE 22 La programmazione è la principale attività dell informatico Consiste nel costruire un programma (una sequenza di istruzioni) che svolga una certa elaborazione per risolvere il problema dato Come scriviamo il programma? Non in una linguaggio naturale perché ambiguo e non comprensibile dal calcolatore Utilizziamo linguaggi di programmazione ad alto livello che hanno una sintassi simile al linguaggio naturale ma che non ammettono ambiguità v Es. C, C++, Java

24 LIVELLI DI ASTRAZIONE 23 Passare da un applicazione formulata in un linguaggio ad alto livello alla sua concreta esecuzione è un operazione molto complessa Per semplificarci la vita utilizziamo diversi livelli di astrazione

25 SOFTWARE DI SISTEMA 24 Software che fornisce servizi di comune utilità Sistema operativo Gestisce le operazioni di I/O Alloca la memoria e gestisce la distribuzione dei file nella memoria di massa Consente il multitasking Si interfaccia con l utente Compilatore Traduce istruzioni in un linguaggio ad alto livello in istruzioni in linguaggio macchina

26 INFORMAZIONE DIGITALE 25 Le informazioni sono rappresentate all interno del calcolatore come segnali elettrici I segnali più semplici da comprendere sono on e off Interruttori che possono essere accesi o spenti L unità base d informazione è il bit che può valere 0 o 1 Un segnale può rappresentare un bit v Se acceso vale 1 v Se spento vale 0 Il calcolatore può interpretare solo informazioni digitali rappresentate come combinazione di simboli di un alfabeto L alfabeto della macchina è binario Tutti i dati e le istruzioni devono essere codificati in binario

27 LINGUAGGIO MACCHINA 26 Ogni calcolatore ha un insieme di istruzioni base che è in grado di eseguire Ogni istruzione è codifcata da una stringa di bit Es Il linguaggio macchina è l insieme delle istruzioni che il calcolatore è in grado di eseguire codificate come stringhe di bit

28 PROGRAMMAZIONE ASSEMBLER 27 Programmare in linguaggio macchina è estremamente difficile Il linguaggio assembly contiene istruzioni mnemoniche che corrispondono alle istruzioni del linguaggio macchina Le istruzioni assembly sono convertite in istruzioni del linguaggio macchina da un programma detto assembler Esempio Il programmatore scrive questa istruzione per sommare A e B L assembler traduce l istruzione in una sequenza di bit 27

29 PROGRAMMAZIONE AD ALTO LIVELLO 28 Anche programmare in assembler è complicato Costringe il programmatore a pensare come una macchina È facile sbagliare Il programma non è portabile Possiamo utilizzare un linguaggio più vicino al linguaggio naturale Utilizzo di notazione algebriche e parole chiave prese dall inglese Il compilatore traduce un programma in un linguaggio ad alto livello in una sequenza di istruzioni assembly Vantaggi della programmazione ad alto livello Codice più compatto Minori tempi di sviluppo Portabilità

30 IL FLUSSO COMPLETO 29

31 PRESTAZIONI DI UN PROGRAMMA 30 Componente HW/ SW Algoritmi Linguaggi di programmazione, compilatori e architetture Processore e sistema di memoria Perchè influenza Determina il numero di istruzioni di alto livello e di operazioni di I/O Determina il numero di istruzioni macchina per ogni istruzione di basso livello Determinano quanto velocemente è possibile eseguire ciascuna operazione Dove è trattato Altri corsi Cap. 2,3 Cap. 4,5 e 7 Sistema di I/O (HW e sistema operativo Determina quanto velocemente possono essere eseguite le istruzioni Cap. 6

32 IL CALCOLATORE COME SISTEMA COMPLESSO Un calcolatore è un sistema molto complesso costituito da milioni di componenti elettroniche Come possiamo descriverlo e capirne il funzionamento? I sistemi complessi sono strutture gerarchiche costituite da sottosistemi interrelati tra loro I sottosistemi (componenti) sono a loro volta sistemi complessi Il loro comportamento dipende solo da un astrazione del livello inferiore 31 Per descrivere un sistema complesso possiamo descrivere le funzionalità di ciascuno dei suoi componenti come parte del sistema ed il modo in cui i vari componenti interagiscono tra loro

33 COMPONENTI DEL CALCOLATORE 32 Le elaborazioni dei dati sono effettuate dal Processore (diviso in una parte operativa e una di controllo) I dati vengono memorizzati in memoria I dispositivi di input e output permettono di scambiare informazioni con l esterno

34 FUNZIONALITÀ DI UN CALCOLATORE 33 Un calcolatore è una macchina progettata per eseguire le seguenti operazioni: Elaborazione di dati (data processing) Memorizzazione di dati (data storage) Spostamento di dati (data movement) Controllo La struttura del calcolatore è volutamente generica e non legata allo specifico utilizzo che se ne vuole fare I dettagli specifici delle operazioni da eseguire sono fornite tramite la programmazione

35 STRUTTURA DI UN CALCOLATORE 34 Architettura di Von Neumann (1946) A grandi linee è l architettura 2.1 / A BRIEF HISTORY di tutti OF COMPUTERS i calcolatori 19 moderni Main memory (M) Central Processing Unit (CPU) Arithmeticlogic unit (CA) I/O Equipment (I, O) Program control unit (CC) Figure 2.1 Structure of the IAS Computer

36 UN COMPUTER DESKTOP Dispositivi di output Processore e memorie 35 Dispositivi di input

37 PRINCIPALI COMPONENTI DI UN CALCOLATORE Processore (Central Processing Unit) Controlla le operazioni del calcolatore ed esegue le elaborazioni E costituito da due componenti principali Unità di Elaborazione Dati (datapath) v Esegue operazioni su dati binari Unità di Controllo v Controlla il funzionamento del datapath e la comunicazione con le altre componenti per l esecuzione delle istruzioni Memoria Memorizza tutti i dati Esistono diversi tipi di memorie organizzate gerarchicamente Memoria principale v Memoria volatile che contiene dati e istruzioni dei programmi in esecuzione Memorie di Massa v Memorie non volatili per memorizzare i dati Dispositivi di Input/Output Consentono il trasferimento di dati tra il calcolatore e l ambiente esterno 36

38 ESEMPI DI DISPOSITIVI DI I/O IL MOUSE Il mouse è stato inventato nel 1967 nei laboratori della Xerox a Palo Alto Dispositivo di puntamento e selezione In origini erano dispositivi elettro-meccanici I mouse moderni utilizzano la tecnologia ottica Alcuni led illuminano il piano di appoggio, una videocamere registra le immagini che sono elaborate da un processore ottico l immagine Dalla differenza tra immagini successive si desume la direzione dello spostamento del mouse 37

39 ESEMPI DI I/O: LO SCHERMO LCD 38 Quasi tutti i monitor moderni utilizzano la tecnologia LCD (Liquid Crystal Display) a matrici attive Diffusi in PC, telefonini e altri dispositivi embedded Principio di funzionamento Alcuni cristalli galleggiano in un fluido Ciascun cristallo è associato ad un punto (pixel) Tramite un campo elettrico (applicato ad ogni cristallo) si riesce a far ruotare di 90 il cristallo per lasciare passare o bloccare la luce prodotta da una fonte luminosa posta sul retro dello schermo

40 FRAME BUFFER 39 L immagine si compone di una matrice di pixel es. 640x480, 1280x800, 1440x900, ecc. Ciascun pixel è associato tipicamente a tre byte che ne identificano il colore Ogni byte associato ad uno dei componenti fondamentali Rosso (R), Verde (G) e Blue (B) In questo modo si possono rappresentare 2 24 colori L immagine viene memorizzata come bitmap in un frame buffer Immagine a video creata sulla base della bitmap letta dal buffer

41 DENTRO IL PC 40 La memoria volatile è costituita da vari banchi di chip di RAM dinamica La memoria non volatile è costituita da hard-disk e CD/ DVD ROM La scheda madre è una piastra su cui sono montati i vari circuiti integrati (chip)

42 IL PROCESSORE (CPU) 41 Il processore è la parte attiva della scheda madre che esegue le istruzione del programma Si compone di Datapath: esegue le operazioni sui dati Unità di controllo: indica al datapath e alle componenti di I/O cosa fare processori

43 INSTRUCTION SET ARCHITECTURE (ISA) 42 L Instruction Set Architecture (ISA) è l astrazione con cui descriviamo il processore insieme delle istruzioni macchina che il processore offre Permette al programmatore di ignorare i dettagli costruttivi e di funzionamento L ISA e l interfaccia del sistema operativo costituiscono l Application Binary Interface (ABI) Data l ABI, lo sviluppatore è completamente svincolato da come queste cose sono implementate

44 LA MEMORIA 43 La memoria si distingue in due tipi Volatile (RAM, ROM, cache) Non volatile (hard-disk, dischi ottici, memorie flash) La memoria volatile (memoria principale) viene usata per memorizzare dati e istruzioni dei programmi mentre vengono eseguiti Allo spegnimento della macchina tutti i dati vanno persi La memoria non volatile (memoria di massa) viene usata per memorizzare dati e programmi tra varie esecuzioni Allo spegnimento della macchina i dati persistono Detta anche memoria di massa perché contiene enormi quantità di dati

45 44 LA MEMORIA RAM locazioni Contiene dati e istruzioni dei programmi in esecuzione Tempi di accesso ns Tecnologie diffuse: sue più DRAM (memoria principale) SRAM (cache) La memoria RAM (Random Access Memory) Permette di accedere direttamente ad ognuna delle

46 MEMORIE DI MASSA 45 Le memorie di massa sono dispositivi che consentono la registrazione, conservazione e rilettura dei dati Possono essere fisse o rimovibili, interne o esterne e collegate al calcolatore tramite cavo e rete Rispetto alla memoria principale sono Non volatili Più lente ma molto più capienti ed economiche Principali tipi di memorie di massa Hard-disk Memorie flash CD/DVD

47 MEMORIE DI MASSA: HARD-DISK 46 Hard-disk: il principio di funzionamento è di magnetizzare delle particelle metalliche distribuite su un substrato I dischi sono organizzati in pile di strutture sovrapposte (cilindri) Le particelle vengono lette da un dispositivo meccanico (testina) che si sposta radialmente su un braccio in grado d i f a r e movimenti angolari Questa componente rallenta i tempi di accesso ma aumenta la densità di memorizzazione

48 MEMORIE DI MASSA: DISCHI OTTICI 47 Dischi ottici CD/DVD/BD R CD/DVD RW (riscrivibili) I dischi ottici funzionano sulla base del principio della riflessione della luce Informazione memorizzata lungo una spirale bruciando alcune parti della superficie Per leggere viene emesso un raggio laser: v riflesso dai rilievi (bit 1) e assorbito dalle buche (bit 0) Nei dischi riscrivibili un particolare substrato consente (tramite riscaldamento) di ritornare alla situazione originale spianando le buche

49 MEMORIE DI MASSA: MEMORIE FLASH 48 Le memorie flash sono un tipo di memoria a stato solido non volatile Costituite da transistor che sono in grado di catturare e mantenere una carica elettrica per lungo tempo Introdotte nei cellulari e nelle fotocamere e videocamere digitali per sostituire l hard-disk Chiavette USB, SD e MicroSD, MemoryStick, CompactFlash, ecc si stanno diffondendo anche sui calcolatori portatili perché sono più robuste, pesano meno e consumano meno energia I bit delle memorie flash tendono a svanire dopo un certo numero di riscritture (da a ) Il sistema operativo deve tener conto delle riscritture e implementare una strategia per evitare la perdita dei dati

50 INTERCONNESSIONE 49 Le reti consentono di collegare più calcolatori tra loro per Comunicare Condividere risorse Accedere a postazioni remote Gli sviluppi più significativi degli ultimi anni hanno coinciso con lo sviluppo delle reti Internet ed il Web Principali tecnologie di rete Local Area Network Ethernet, WI-FI, Bluetooth Wide Area Network: ATM, Frame Relay

51 EVOLUZIONE DELLE TECNOLOGIE UTILIZZATE NEI CALCOLATORI 50 Negli ultimi 40 anni i processori e le memorie si sono evolute ad una velocità impressionante Ha richiesto un tasso di innovazione tecnologica che non è riscontrabile in nessun altro campo Moore (fondatore dell INTEL) nel 1965 ha fatto una previsione nota come legge di Moore Il numero di componenti elettronici integrabili su un singolo chip raddoppia ogni mesi La previsione si è dimostrata corretta per oltre 40 anni

52 LEGGE DI MOORE 51

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