Architettura: La struttura di un calcolatore

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1 Architettura: La struttura di un calcolatore Mauro Bianco Contents 1 Struttura di base di un calcolatore Memoria Il bus Central Processing Unit: Il processore Dispositivi Le unità a disco Tastiera e mouse Monitor Conclusioni Un vero computer 7 Nota : Le parti delimitate da *** sono da considerarsi facoltative. 1 Struttura di base di un calcolatore Il calcolatore digitale moderno nasce all inizio degli anni 40 per merito di John von Neumann, J. Presper Eckert e John William Mauchly. Questi concettualizzarono l idea di macchina ad accesso casuale (RAM Random Access Machine). Tale nomenclatura sta a indicare che il calcolatore ha una memoria organizzata come sequenza di celle di informazione, in cui il tempo per accedere a una cella non dipende dalla cella stessa (non si devono scorrere le celle fino a trovare quella cercata, la si accede immediatamente). Tale macchina è anche detta macchina di von Neumann, spesso dimenticando i contributi degli altri sviluppatori dell idea. La caratteristica fondamentale della macchina di von Neumann è che la memoria contiene sia i programmi che i dati. Il programma è la sequenza di istruzioni che devono essere eseguite e i dati le informazioni che il programma elabora per produrre il risultato (queste informazioni includono i dati di ingresso, parte dei dati intermedi (che possono anche essere memorizzati nei registri interni della CPU per poi essere cancellati (v. oltre) e i risultati della 1

2 computazione). Questa rappresenta la fondamentale differenza tra le macchine costruite o pensate fino a quel momento e i moderni calcolatori digitali: il programma memorizzato nella stessa memoria dei dati e la possibilità che un programma modifiche un altro programma e che un programma scriva nella memoria un altro programma. Più in dettaglio, la macchina di von Neumann è strutturata come in figura 1, di cui esaminiamo i dettagli nel seguito. Unacelladimemoria Collegamentotra CPUeMemoria CPU PC IR ALU CentralProcessingUnit BUS MEMORIA Indirizzi Figure 1: Struttura di base di un calcolatore. La CPU elabora i dati contenuti nella memoria in parole di lunghezza fissa di cifre binarie (bit). Ogni parola ha un indirizzo. CPU e memoria sono collegati da un bus su cui transitano sia indirizzi che dati. 1.1 Memoria La memoria del calcolatore (detta anche memoria centrale) è organizzata come sequenza di parole. Ogni parola è formata da una sequenza di lunghezza finita e fissata (in fase di progettazione del calcolatore) di simboli che possono essere 0 o 1. Questi simboli vengono detti cifre binarie o bit. Ogni parola ha un indirizzo, che identifica univocamente la parola. L indirizzo è l indice della cella e va da 0 a n 1 dove n è il numero di celle di memoria. La lunghezza tipica di parola è 8 e viene indicata con il termine byte 1. Il numero di celle tipicamente utilizzato va da qualche centinaio di milioni di parole a qualche miliardo di parole. La memoria centrale è una memoria volatile, ovvero quando il calcolatore viene spento il suo contenuto viene perduto. L ipotesi fondamentale sulla memoria è che il tempo di accesso a una cella di memoria sia costante, quindi non dipende dal valore dell indirizzo. Per accedere alla memoria, cioè, non si esegue una scansione della memoria per trovare l indirizzo cercato, ma si accede direttamente a tale indirizzo. Questa ipotesi serve ad analizzare i programmi in termini di numero di operazioni eseguite senza tenere conto della sequenza di accessi alla memoria. *** Questa ipotesi 1 Le unità di misura per esprimere la quantità di memoria sono i kilobyte (KB, 2 10 = 1024byte 10 3 byte byte), i megabyte (MB, 2 20 = byte 10 6 byte byte) e i gigabyte (GB, 2 30 = byte byte). 2

3 può essere accettata solo in prima approssimazione. Esistono due fondamentali ragioni per cui i tempi di accesso non sono costanti e sono: *** 1. tra la cpu e la memoria sono poste delle memorie, dette cache che sono più piccole (perché costano) ma più veloci (perché usano una tecnologia specifica) della memoria centrale e servono ad accelerare l accesso a dati frequentemente usati; 2. per avere più flessibilità la memoria è gestita dal sistema operativo utilizzando anche spazi all interno dei dischi (memoria di massa). 1.2 Il bus Quando un dato viene richiesto dalla memoria (letto) si mansa lungo il bus di comunicazione la codifica binaria dell indirizzo (una sequenza di bit che identificano una precisa cella). La memoria rilascia il dato richiesto sullo stesso bus una volta acceduta la cella. Quando un dato viene scritto, si manda l indirizzo come nel caso precedente lungo il bus e successivamente si manda anche il dato da scrivere. Il bus è quindi organizzato come linee elettriche parallele che veicolano i segnali corrispondenti a 0 o 1. Il bus sarà formato da una linea per specificare se l operazione da compiere è una lettura o una scrittura e da n linee che trasmetteranno l informazione relativa a indirizzi e dati. Date n linee, ci sono 2 n possibili combinazioni di 0 e 1. Associando a ogni combinazione uno specifico indirizzo, con n linee possiamo indirizzare 2 n celle di memoria. Questo è il motivo per cui le dimensioni delle memoria centrali degli elaboratori sono tipicamente delle potenze di due: per non sprecare linee di bus (nel caso le celle di memoria fossero meno di 2 n ) che indirizzerebbero celle non esistenti o per non sprecare celle di memoria (nel caso le celle di memoria fossero più di 2 n ) che non sarebbero indirizzabili. 1.3 Central Processing Unit: Il processore L unità centrale (CPU), o processore è la componente più importante del calcolatore. Essa ha lo scopo di eseguire gli algoritmi, ovvero compiere i passi delle sequenze finite che sono gli algoritmi. Per fare ciò esegue un semplice algoritmo chiamato ciclo fetch-decode-execute, che nel seguito sarà brevemente illustrato. Nella CPU (cioè nelle circuiterie che la compongono) sono contenuti dei registri. Un registro è una cella di memoria direttamente accessibile alla CPU stessa. Uno di questi è il program counter (PC) e contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire (o più probabilmente della prima cella che contiene l istruzione se questa è distribuita tra più celle di memoria contigue). Ricordiamo che le istruzioni sono in memoria centrale, in celle identificate con indirizzi. La CPU, quindi, accede alla memoria per ottenere questa istruzione 3

4 (magari con una sequenza di accessi, ma concettualmente non è necessario ipotizzarlo) e la mette in un altro registro che è detto instruction register (IR). Questa si chiama fase di fetch, quindi di reperimento dell istruzione. Nella fase successiva l istruzione contenuta nell IR viene decodificata (decode), ovvero viene identificato il tipo di istruzione (somma?, prodotto?, accesso a memoria? salto?, etc.) e l istruzione stessa viene eseguita (execute) attraverso la ALU (Arithmetic and Logic Unit), una circuiteria progettata allo scopo di calcolare semplici funzioni come, ad esempio, quelli per sommare due numeri, confrontarli, farne il prodotto, accedere alla memoria in un determinato indirizzo per recuperare un dato, etc. Ogni istruzione ha degli operandi che dipendono dalla istruzione stessa: una somma potrà avere l indirizzo (di memoria o di un registro interno 2 ) dei due termini e l indirizzo (di memoria o di un registro interno) dove riporre il risultato; un caricamento dalla memoria avr come operando l indirizzo del dato da caricare, etc.). Gli operandi sono (tipicamente) dati, non istruzioni. Alla fine di questo processo il program counter viene incrementato per contenere l indirizzo della prossima istruzione (ad esempio sommando all indirizzo attualmente contenuto la lunghezza, in parole di memoria, dell istruzione appena eseguita). Questi quattro punti costituiscono i passi che l unità centrale esegue per eseguire l algoritmo che è stato memorizzato in memoria. Le istruzioni dell algoritmo da eseguire sono contenute in memoria centrale e sono quindi rappresentate tramite una sequenza di bit. Una tipica istruzione è strutturata come segue opcode operandi... Per opcode si intende una sequenza di bit che identifica in modo univoco il tipo di istruzione e i tipi degli operandi che essa usa. Nella parte relativa agli operandi sono contenute le specifiche degli operandi dell istruzione. L insieme degli opcode e i possibili operandi formano quello che viene chiamato linguaggio macchina. I primi calcolatori costruiti venivano effettivamente programmati inserendo nella memoria le sequenze di bit corrispondenti alle istruzioni da eseguire. Successivamente è stato introdotto il linguaggio assembly (o, più impropriamente, assembler). Tale linguaggio associa a ogni opcode un codice mnemonico (ad esempio ADD per l addizione, SUB per la sottrazione, LOAD per il caricamento dalla memoria e STORE per la memorizzazione, etc.). Gli operandi vengono specificati anch essi con dei simboli mnemonici, ad esempio R1, R2, etc. possono indicare i registri interni, mentre con (R1) e (R2), etc. si potrebbe indicare che i registri R1, R2, etc. contengono l indirizzo di un dato nella memoria centrale, e così via. A parte il fatto contingente, ovvero quali simboli vengono usati per indicare le varie parti di una istruzione, cosa che non ci interessa direttamente e comunque è diverso da un tipo di calcolatore a un altro, l importante è notare 2 La CPU contiene, tipicamente, un numero limitato di registri immediatamente disponibili che contengono dati che possono essere immediatamente utilizzati senza accedere alla memoria. Il numero varia da calcolatore a calcolatore e varia generalmente tra 16 e 64, rimanendo tipicamente delle potenze di 2. 4

5 che il linguaggio assembly ha cambiato il modo di programmare. Si ha infatti che, disponendo di un programma per digitare dei testi, è possibile scrivere un testo con le istruzioni mnemoniche da eseguire. Questo testo viene successivamente dato in pasto a un programma, che si chiama assemblatore che lo elabora producendo il programma in linguaggio macchina (sequenza di bit!). Il tutto senza dover mai ricorrere ad apparecchiature esterne al calcolatore stesso: con il calcolatore si possono scrivere i programmi che verranno dal calcolatore stesso eseguiti! Questa può essere vista come una conseguenza del fatto che i programmi sono memorizzati in memoria come se fossero dati. Tra le istruzioni ne esiste una categoria particolarmente importante rappresentata dalle istruzioni di controllo, o istruzioni di salto. Queste istruzioni hanno lo scopo di modificare il program counter. L ultimo passo (il quarto) del ciclo fetch-decode-execute (ovvero l aggiornamento di PC), non viene eseguito e, al suo posto, il program counter viene modificato a seconda dell esito di queste istruzioni. Esistono istruzioni di salto incondizionato (JMP) che semplicemente reimpostano PC, e istruzioni di salto condizionato, in cui l aggiornamento di PC avviene solo se una certa condizione è verificata (ad esempio se il risultato di una operazione precedente ha prodotto un risultato di un certo tipo (positivo, negativo, nullo, etc.)). Se la condizione non è verificata, PC viene aggiornato nel modo usuale. Queste istruzioni sono quelle che consentono di realizzare a) i cicli, ovvero ripetizioni di istruzioni fino al verificarsi di una condizione, e b) istruzioni condizionali del tipo se è verificata una condizione esegui A altrimenti esegui B. Si può vedere che sono proprio queste istruzioni che rendono il calcolatore appena descritto in grado di eseguire qualsiasi algoritmo (calcolare qualsiasi funzione)! 2 Dispositivi Il calcolatore visto nella precedente sezione non può comunicare con l esterno. Per fare ciò ha bisogno di dispositivi di ingresso-uscita, detti anche di inputoutput o I/O (leggi ài-ó). In figura 2 è presentato uno schema concettuale di un calcolatore dotato di questi dispositivi. I dispositivi si differenziano in categorie: a) di solo ingresso (tastiera, mouse, etc.), b) di solo uscita (monitor, stampante, etc.) o ingresso e uscita(modem, scheda di rete, etc.) *** Come mostrato in figura, ma non è sempre così, i dispositivi sono collegati allo stesso bus cui è collegata la memoria centrale. Quello che accade è che certi indirizzi, prefissati, siano associati non alla memoria ma ai dispositivi. Per scrivere un carattere sul monitor si deve scrivere negli indirizzi di memoria assegnati al monitor, ottenere un dato dalla tastiera corrisponde a leggere un dato da un indirizzo associato alla tastiera, scambiare dati tramite la rete significa leggere e scrivere dati sugli indirizzi della scheda di rete, etc. Alternativamente può essere realizzato un bus (diverso da quello che collega la memoria) che collega solo i dispositivi (questo è l approccio utilizzato tipicamente dai personal computer. *** Vediamo ora, rapidamente, alcuni dispositivi a cui accenneremo più in là nel 5

6 CPU MEM Disco fisso Tastiera Monitor BUS Figure 2: Struttura di base di un calcolatore con dispositivi di ingresso/uscita. I dispositivi possono essere di ingresso (tastiera, mouse, etc.), di uscita (monitor, stampante, etc.) o entrambi (modem, scheda di rete, etc.) corso. 2.1 Le unità a disco Le unità a disco sono tra i più comuni dispositivi di memorizzazione per grandi quantità di dati (1G-300GB). I dati memorizzati non vengono persi quando il dispositivo viene spento, si tratta quindi di memoria non volatile o permanente. Il disco fisso (hard-disc), presente in tutti i personal computer, nelle workstation e nei supercomputer, viene per questo spesso definito dispositivo di memoria di massa. I dischi (vedi figura 3) sono organizzati in cilindri (le superfici dei piatti accessibili alle testine), in tracce (corone circolari di spessore prefissato) e in settori (settori circolati in cui vengono divise le superfici dei cerchi). Una terna (cilindro, traccia, settore) identifica una parola sul disco (come in un sistema di coordinate). Il controllore del disco (il circuito che si occupa di accedere fisicamente ai dati memorizzati sulle superfici) riceve in ingresso le coordinate e restituisce i dati nel caso di lettura e scrive dei dati in caso di scrittura. La terna di coordinate si comporta, di fatto, come l indirizzamento nella memoria centrale, ma si noti che il tempo di accesso a un dato dipende da dove è il dato al momento della richiesta. La testina deve muoversi sulla traccia giusta e poi attendere che il settore richiesto le passi sotto. Il tempo di accesso, quindi, non è costante e indipendente dall indirizzo. I dischi possono essere, sostanzialmente, di due tipi: magnetici e ottici. I dischi magnetici (hard-disc, floppy-disc,... ) differenziano i valori 0 e 1 in base all orientazione di un campo magnetico, mentre i dischi ottici (CD, DVD,... ) in base alle caratteristiche di riflessione della luce sulla superficie. 2.2 Tastiera e mouse La tastiera e il mouse sono gli strumenti più comuni di interazione tra uomo e macchina. Premere un tasto sulla tastiera significa spedire il codice relativo al tasto premuto, che deve quindi poi essere tradotto nel carattere corrispondente al tipo si tastiera utilizzato. Il mouse, invece, manda al calcolatore l informazione sulla distanza relativa percorsa dall ultima rilevazione (in termini sempre di sequenza di bit e quindi la misura è discreta (quantizzata)). 6

7 Traccia Settore Testina Figure 3: Un disco è organizzato in cilindri (le superfici dei cerchi accessibili alle testine), tracce (le corone circolari) e in settori (i settori circolari). 2.3 Monitor Il monitor risponde a segnali del tipo accendi un pixel in x,y (il pixel è l elemento minimo visualizzabile) in una certa posizione. Per scrivere un carattere alfanumerico, quindi, è necessario accendere tutti i pixel che lo compongono. Non è detto che questa sia l esatto modo in cui il monitor dialoga con il computer, ma ad un certo livello è sicuramente questo che viene comunicato al dispositivo. Quello che viene detto pennello elettronico scorre per riche lo schermo e quando il pixel richiesto è raggiunto viene emesso un fascio di elettroni che lo accendono (questo ovviamente nel caso di monitor a tubo catodico). 2.4 Conclusioni I dispositivi dialogano con il calcolatore in modi spesso molto complessi e, di sicuro, il programmatore non può e non vuole prendersi cura di tutti questi dettagli. Vedremo che questa grande complessità viene mascherata da dei livelli di astrazione che consentono all utente di scrivere delle frasi sullo schermo, di accedere a dei file sul disco, alle coordinate del puntatore del mouse sullo schermo,etc. Questa astrazione viene fornita dal sistema operativo, un programma speciale che ha il ruolo far percepire il calcolatore digitale come una macchina in grado di comunicare col mondo esterno, e anche con gli esseri umani, con interfaccie di più facile utilizzo. 3 Un vero computer *** Il modello di calcolatore presentato nelle precedenti sezioni è solo una concettualizzazione semplificata di ciò che è un computer disponibile in commercio attualmente. Di fatto, quello che abbiamo presentato è un dispositivo realizzabile con poche centinaia di migliaia di transistor, mentre sappiamo che una moderna CPU ne contiene anche 150 milioni. Quello che rimane vero è che il 7

8 calcolatore che abbiamo presentato riesce a calcolare esattamente le stesse funzioni che anche il più potente calcolatore al mondo può calcolare, solo in modo enormemente più lento. In realtà un calcolatore moderno non carica in IR solo una istruzione alla volta, ma più istruzioni contemporaneamente e le esegue in un ordine che può non essere quello prescritto dal programma (sebbene sempre garantendo la medesima semantica del calcolo). Il numero di operazioni che possono essere eseguite nell unità di tempo è deciso dalla frequenza di clock, che determina il numero di azioni che la CPU esegue in un secondo. Il tempo medio per eseguire una istruzione (oggi le frequenze di clock sono dell ordine dei 1-3GHz) sono dell ordine del ns (cioè del miliardesimo di secondo). La memoria, invece, impiega ns per completare una operazione e un disco circa 1ms per accedere ad un dato su di esso memorizzato. La differenza tra il tempo di esecuzione delle istruzioni e l accesso alla memoria è la fonte maggiore di lentezza dei calcolatori. Per ovviare a questo sono state introdotte delle memorie cache: tra la CPU e la memoria centrale e tra la memoria centrale e le memorie di massa. Nello specifico, la memoria cache tra la CPU e la memoria è una memoria di piccole dimensione ma molto veloce (con tempi di accesso dell ordine di pochi ns a una decina di ns). È piccola perché costosa e costosa perché realizzata con tecnologie più veloci. La memoria cache sfrutta il fatto che quando si accede ad un dato dalla memoria, con alta probabilità si accederà a dati che hanno indirizzi vicini a quel dato. Se quando accedo ad un dato porto nella cache anche i dati vicini, con alta probabilità i successivi accessi avverranno in dati nella cache piuttosto che nella memoria, velocizzando così notevolmente le computazioni. Un calcolatore moderno ha diversi livelli di cache, le cache più vicine alla CPU sono più piccole e veloci delle cache lontane dalla CPU. *** 8