Informatica. Lo schema di riferimento. Scheda madre 16/11/2007. Introduzione ai sistemi informatici 1

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1 Informatica Pietro Storniolo Lo schema di riferimento Scheda madre (motherboard) RAM CPU Bus dati Bus indirizzi Bus di controllo Interfaccia di I/O Interfacce di I/O Interfacce di I/O Schermo Tastiera e mouse Altoparlanti Memoria di massa Connettori per schede di I/O aggiuntive Scheda madre Zoccolo per la CPU Connettori per la memoria Connettori per dischi fissi Introduzione ai sistemi informatici 1

2 Collegamento a BUS Semplicità un unica linea di connessione costi ridotti di produzione Estendibilità aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice Standardizzabilità regole per la comunicazione da parte di dispositivi diversi Lentezza utilizzo in mutua esclusione del bus Limitatà capacità al crescere del numero di dispositivi collegati Sovraccarico del processore (CPU) perchè funge da master sul controllo del bus Le infrastrutture HardWare Il processore CPU Central Processing Unit Unità Centrale di Elaborazione Introduzione ai sistemi informatici 2

3 Organizzazione tipica di un calcolatore bus oriented CPU Unità di controllo Dispositivi di I/O Unità aritmetico logica (ALU) Registri Terminale Stampante CPU Memoria centrale Unità disco Bus L esecutore Un calcolatore basato sull architettura di Von Neumann esegue un programma sulla base dei seguenti principi: dati e istruzioni sono memorizzati in una memoria unica che permette sia la scrittura che la lettura; i contenuti della memoria sono indirizzati in base alla loro posizione, indipendentemente dal tipo di dato o istruzione contenuto; le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale. Il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore è detto linguaggio macchina.. Le istruzioni scritte in linguaggio macchina sono piuttosto rudimentali: il concetto di tipo di dato è quasi assente, il numero di operandi è limitato (in genere non più di due), il numero di operazioni previste è ridotto. Struttura istruzione Linguaggio assemblatore Linguaggio macchina codice operativo add dest R src1 R src2 R Ciclo Fetch Decode Decode Execute Fetch Decode Execute Introduzione ai sistemi informatici 3

4 Le parti di una CPU Data path (o percorso dei dati) è la parte che si occupa dell effettiva elaborazione dei dati; comprende dispositivi diversi una o più unità aritmetico-logiche, dette ALU (Arithmetic Logic Unit); alcune unità di memorizzazione temporanea, i registri, memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e informazioni di controllo (il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del registro). Unità di controllo coordina le operazioni di tutto il processore (anche quelle del data path!); regola il flusso dei dati e indica quali registri debbano essere collegati agli ingressi e all uscita dell ALU; invia all ALU il codice dell operazione da eseguire; riceve indicazioni sull esito dell operazione appena eseguita dall ALU e gestisce opportunamente queste informazioni; comprende alcuni registri di uso specifico Program Counter (PC) qual è l istruzione successiva; Instruction Register (IR) istruzione in corso d esecuzione; Data Path R00 R01 R02 R03 X + Y Registri X Y Registri ingresso ALU X Y add esito A L U Registro uscita ALU X + Y Unità di controllo Data path CPU Unità di controllo PSW Bus controllo Bus dati Bus indirizzi IR PC Memoria Introduzione ai sistemi informatici 4

5 CPU In grado di eseguire solo istruzioni codificate in linguaggio macchina Ciclo Fetch Decode - Execute 1. Prendi l istruzione corrente dalla memoria (quella individuata dal contenuto del PC) e mettila nell IR (Instruction Register), contemporaneamente incrementa il Program Counter (PC) in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva (fetch) 2. Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode) 3. Se l istruzione usa dei dati presenti in memoria, determinane la posizione; 4. Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU; 5. Esegui l istruzione (execute) 6. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l istruzione successiva. Tre tipologie di istruzioni Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati) Somma, Sottrazione, Divisione, And, Or, Xor, Maggiore, Minore, Uguale, Minore o uguale, Controllo del flusso delle istruzioni Sequenza Selezione semplice, a due vie, a n vie, Ciclo a condizione iniziale, ciclo a condizione finale, Trasferimento di informazione Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di ingresso/uscita (attraverso le relative interfacce) Migliorare le prestazioni di una CPU La frequenza di clock influenza direttamente il tempo di ciclo del data path e quindi le prestazioni di un calcolatore; è limitata dalla tecnologia disponibile. Il parallelismo permette di migliorare le prestazioni senza modificare la frequenza di clock. Esistono due forme di parallelismo: parallelismo a livello delle istruzioni (architetture pipeline o architetture superscalari); parallelismo a livello di processori (Array computer, multiprocessori o multicomputer). Introduzione ai sistemi informatici 5

6 Pentium 4 Evoluzione delle CPU Intel CPU Pentium Pentium II Pentium III (Willamette) (Northwood) (Prescott) Anno Frequenza Dim. registri (MHz) bus dati /16 16/16 32/32 32/32 32/64 32/64 32/64 32/64 32/64 32/64 Numero di transistor Legge di Moore Osservazione fatta da Gordon Moore nel 1965: il numero dei transistor per cm 2 raddoppia ogni X mesi In origine X era 12. Correzioni successive hanno portato a fissare X=18. Questo vuol dire che c è un incremento di circa il 60% all anno. # Transistor [CPU Intel] Introduzione ai sistemi informatici 6

7 16/11/2007 Legge di Moore e progresso Il progresso della tecnologia provoca un aumento del numero di transistor per cm2 e quindi per chip. Un maggior numero di transistor per chip permette di produrre prodotti migliori (sia in termini di prestazioni che di funzionalità funzionalità) a prezzi ridotti. ridotti. I prezzi bassi stimolano la nascita di nuove applicazioni (e.g. non si fanno video game per computer da milioni di $). Nuove applicazioni aprono nuovi mercati e fanno nascere nuove aziende. aziende. L esistenza di tante aziende fa crescere la competitività competitività che, a sua volta, stimola il progresso della tecnologia e lo sviluppo di nuove tecnologie. tecnologie. Le infrastrutture HardWare La memoria centrale La memoria Introduzione ai sistemi informatici 7

8 La memoria Supporto alla CPU: : deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più rapidamente possibile Archivio: : deve consentire di archiviare dati e programmi garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati periodi di tempo Diverse esigenze: velocità per il supporto alla CPU non volatilità ed elevate dimensioni per l archivio Diverse tecnologie elettronica: veloce, ma costosa e volatile magnetica e ottica: non volatile ed economica, ma molto lenta Criteri di caratterizzazione di una memoria Velocità Volatilità Capacità Costo (per bit) Modalità di accesso diretta (o casuale) sequenziale mista associativa La memoria centrale Introduzione ai sistemi informatici 8

9 La memoria centrale (RAM) Mantiene al proprio interno i dati e le istruzioni dei programmi in esecuzione Memoria ad accesso casuale Tecnologia elettronica veloce ma volatile e costosa Due eccezioni ROM: elettronica ma permanente e di sola lettura Flash: elettronica ma non volatile e riscrivibile Memoria vs. CPU Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie l aumento di integrazione ha consentito di realizzare CPU pipeline e super scalari, molto efficienti e veloci; nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità. L accesso alla memoria passa attraverso il bus la frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa di quella della CPU; il bus può essere impegnato ad effettuare trasferimenti controllati da dispositivi di I/O autonomi (e.g. DMA). È difficile riordinare le istruzioni in modo da poter sfruttare i tempi di attesa della memoria. È possibile fare memorie molto veloci se stanno nel chip della CPU, ma sono piccole e costose. Le memorie gerarchiche Memorie di gran capacità, relativamente lente, economiche ed accessibili tramite il bus: MGL ovvero Memoria Grossa e Lenta; dimensioni pari a circa 10 unità; tempo di accesso (TA) di circa 10 unità. Memorie veloci, integrate nello stesso chip della CPU, ma costose: MPV ovvero Memoria Piccola e Veloce; dimensioni pari a circa 1 unità; tempo di accesso pari a circa 1 unità. Obiettivo: realizzare una memoria grossa e veloce dimensioni pari a circa quelle della memoria grossa; prestazioni pari a circa quelle della memoria veloce. Introduzione ai sistemi informatici 9

10 La memoria centrale Tecnologia elettronica (veloce ma volatile) Gerarchia di memoria: ai livelli più alti corrispondono le tecnologie più veloci ma anche più costose cache interna (Static RAM SRAM) cache esterna (SRAM) memoria RAM (Dynamic RAM DRAM e sue varianti) area di swap su memoria di massa Memoria cache: SRAM Interna (L1) stessa frequenza della CPU Esterna (L2 e/o L3) Tre diverse posizioni/configurazioni Saldata sulla motherboard Card Edge Low Profile (CELP) socket COAST (Cache On A STick) module Diverse tipologie Asynchronous SRAM (più economica), TA compreso tra 12 e 20ns, OK per bus tra 50 e 66 MHz Synchronous Burst SRAM (Synch SRAM) Bus fino a 66 MHz Bus oltre i 66 MHz Synchronous Pipelined Burst SRAM (PB SRAM) TA compreso tra 4.5 e 8ns, OK per bus fino a 133 MHz Memoria centrale DRAM Fast Page Mode DRAM (FPM DRAM) TA=70-60ns Per la lettura si attiva la riga, la colonna, si validano i dati, si trasferiscono i dati, poi si disattiva la colonna I miglioramenti di velocità nascono dal progresso della tecnologia di integrazione. Extended Data Out DRAM (EDO DRAM) TA = 70-50ns Non richiede la disattivazione della colonna e del buffer di uscita; 60ns è il minimo per bus a 66MHz Burst EDO DRAM (BEDO DRAM) Evoluzione di EDO DRAM (pipeline + 2-bit burst counter) Mai davvero supportata. Introduzione ai sistemi informatici 10

11 Memoria centrale DRAM Synchronous DRAM (SDRAM) Sfrutta la sequenzialità delle richieste: una volta trovato il primo dato gli altri vengono recuperati velocemente. Fornisce dati fino a 10ns (100MHz) PC133 SDRAM Evoluzione della SDRAM per bus a 133MHz Trasferimento dati fino a 1.6GBps Double Data Rate DRAM (DDR( DRAM) Sfrutta entrambi i fronti del clock per trasferire dati: raddoppia la frequenza efficace non quella effettiva. Direct Rambus DRAM (DRDRAM( DRDRAM) Risultato della collaborazione tra Intel e Rambus Nuova architettura: MHz (1000MHz nel 2001) con bus di sistema a 133MHz. 1 canale arriva fino a 1.6GBps (4 canali 6.4 GBps) Packaging Fino all inizio degli anni 90 la memoria veniva prodotta, acquistata e installata su chip singoli densità variabili da 1 Kbit a 1 Mbit; i PC avevano zoccoli vuoti dove inserire altri chip. Oggi si monta un gruppo di chip, tipicamente 8 o 16, su un piccola scheda stampata che si vende come unità minima installabile nei PC SIMM (Single Inline Memory Module) se la fila di connettori si trova da un solo lato della scheda; DIMM (Dual Inline Memory Module) se i connettori si trovano su ambedue i lati della scheda Sia SIMM che DIMM sono a volte dotate di un codice di rilevazione o di correzione dell errore. errore. Memoria centrale Chip Single Inline Memory Module (SIMM) 30/72 pin sullo stesso lato della scheda; trasferimento dati a 8/32 bit per volta; utilizzabili a coppie. Dual In-line Memory Module (DIMM( DIMM) 168 pin su due lati; 64 bit alla volta; utilizzabili anche singolarmente RIMM Moduli di RDRAM; interfaccia DIMM 100MHz. Introduzione ai sistemi informatici 11

12 Le infrastrutture HardWare La memoria di massa La memoria di massa (magnetica) Una gerarchia di memoria Ottenuta per generalizzazione dell applicazione del principio di località e tipicamente costituita da 1. registri contenuti nella CPU (qualche KB) 2. cache (da circa 32KB a circa 1024KB) 3. memoria principale (da circa 64MB a qualche GB) 4. dischi fissi (da qualche GB a qualche TB) 5. nastri magnetici e dischi ottici (da qualche GB a qualche TB per ogni supporto) Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il valore dei parametri fondamentali: aumenta il tempo di accesso; aumenta la capacità di memorizzazione; ma diminuisce il costo per bit. Introduzione ai sistemi informatici 12

13 Una gerarchia di memoria Supporti esterni tecnologia tecnologia tecnologia magnetica ottica elettronica (HD esterni) (CD, DVD) (flash disk) Registri Cache I liv Cache II liv RAM Disco fisso (hard disk) tecnologia magnetica CPU Circuito Integrato (chip) Scheda madre (motherboard) Involucro esterno del calcolatore (case) Caratteristiche dei diversi livelli Livello Registri Cache I livello Cache II livello Cache III livello Memoria centrale Dischi interni Dischi esterni Capacità ~ 1 KB ~ 32 KB ~ 1/2 MB ~ 2/8 MB ~ 2/8 GB > 300 GB > 300 GB Tempo di accesso ~ 0.2 ns (1 ciclo di clock) ~ 0.4 ns (2/4 cicli di clock) ~ 1/2 ns (5/10 cicli di clock) ~ 5 ns ~ 50 ns (1ª parola richiesta) ~ 10 ns (parole successive) ~ 10 ms ~ 10 ms Transfer rate (GB/s) ~ 100 ~ 50 ~ 5/ /0.6 ~ 0.05 Dischi magnetici Sono piatti d alluminio (o di altro materiale) ricoperti di materiale ferromagnetico. Fattore di forma (diametro) sempre più piccolo (consente velocità di rotazione maggiori); 3.5 pollici per i sistemi desktop e fino a 1 pollice per i mobili. Testina di un disco (strumento di lettura/scrittura) è sospesa appena sopra la superficie magnetica scrittura: il passaggio di corrente positiva o negativa attraverso la testina magnetizza la superficie lettura: il passaggio sopra un area magnetizzata induce una corrente positiva o negativa nella testina. Introduzione ai sistemi informatici 13

14 Tracce e settori Traccia (track): : sequenza circolare di bit scritta mentre il disco compie una rotazione completa Settore (sector):: parte di una traccia corrispondente a un settore circolare del disco Formattazione: : operazione che predispone tracce e settori per la lettura/scrittura Spazi tra tracce Settore Tracce e settori Tracce Spazi tra record Superficie 7 Schema di un Hard Disk Testina di lettura/scrittura (una per superficie) Superficie 6 Superficie 5 Superficie 4 Superficie 3 Superficie 2 Superficie 1 Superficie 0 Direzione del movimento Le tracce in grigio formano un cilindro Introduzione ai sistemi informatici 14