Architettura del Calcolatore. Appunti per la cl. IV sez. D a cura del prof. Ing. Mario Catalano

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1 Architettura del Calcolatore Appunti per la cl. IV sez. D a cura del prof. Ing. Mario Catalano 1

2 Modello di Von Neumann L architettura del moderno microcomputer ha radici che risalgono agli anni 40. Il Matematico ungherese John Von Neumann ( ) ha sviluppato un modello di computer che ancor oggi è utilizzato per la descrizione degli elaboratori 2

3 Il modello Von Neumann divise l hardware del computer nelle seguenti parti: CPU Input Output Working Storage (archiviazione temporanea) Permanent Storage Applicando il modello di Von Neumann al personal computer odierno otterremo uno schema come in figura: 3

4 Il modello di Von Neumann CPU MEMORIA CENTRALE INTERFACCIA I/O PERIFERICHE 4

5 Architettura Studiata Bus di controllo DMA Bus di indirizzi Clock RAM ROM CPU Interrupt Bus di dati BIOS Controller dischi, CD-ROM,etc. Connettori Periferiche I/O Bus di I/O 5

6 Cosa è un BUS? È un mezzo di trasmissione pubblico dei dati Fisicamente è composto da più connettori che collegano fra loro più circuiti e permettono loro lo scambio di dati. I dati possono essere trasmessi in modo seriale (bastano pochi conduttori) o parallelo (serve un conduttore per ciascun bit della parola) Nei bus paralleli, spesso, i conduttori che trasmettono i dati (linee dati) sono separati da quelli che trasmettono gli indirizzi (linee indirizzi). Sempre i segnali di controllo sono trasmessi su connettori dedicati. Il protocollo di trasmissione è definito da un circuito detto Bus Controller 6

7 I componenti di un elaboratore: BUS I bus all interno del computer sono linee di trasmissione che collegano le varie unità funzionali del computer Si dividono in Bus Interni (per es. Interni alla CPU) Bus Esterni (solitamente standardizzati) 7

8 Circuiti di Temporizzazione (Clock) T tempo Il megahertz (MHz) è l'unità di misura della frequenza alla quale il processore funziona; indica quanti milioni di oscillazioni al secondo (1 oscillazione al secondo = 1 hertz [Hz]) sono generate dal clock. f=1/t Hz. 8

9 Circuiti di Temporizzazione (Clock) In generale il clock é prodotto da un apposito circuito integrato, la cui oscillazione é controllata da un cristallo di quarzo. Il cristallo di quarzo garantisce una elevata stabilita nel tempo e con il variare della temperatura ed una grande precisione nel valore della frequenza prodotta, quanto meno possibile influenzato dalla temperatura e dall' invecchiamento. 9

10 Circuiti di Temporizzazione (Clock) Ogni area del PC che contiene un processore o un microcontrollore, necessita di un clock, che puó essere generato in loco o dipendere dal clock principale. Giá a partire dalle CPU 80486, é diventato comune avere per il processore un clock piú elevato di quello generale del sistema. 10

11 CPU-Principi di Base STRUTTURA DELLA ISTRUZIONE MACCHINA: Si tratta di una stringa binaria che identifica il codice della operazione da eseguire e le modalità per indirizzare gli operandi FASI CPU: Ricerca (Fetch) e Esecuzione (Execute) ESECUZIONE DI UNA ISTRUZIONE MACCHINA: l esecuzione di un istruzione avviene con una sequenza di microistruzioni a livello circuitale associate all'istruzione (ciascuna determina il posizionamento dei segnali elettrici in un ciclo di clock) RISC: il set istruzioni è composto da poche istruzioni di base, della stessa dimensione e con lo stesso tempo di esecuzione CISC: il set di istruzioni è composto da molte istruzioni di dimensioni diverse e con tempi di esecuzione diversi 11

12 CPU-Memoria Cache La memoria, a rigore, non dovrebbe far parte dell'unità centrale ma attualmente una tendenza che si va consolidando e quella di fornire CPU che presentino al loro interno banchi di memoria allo scopo di reperire velocemente informazioni, senza dover accedere alla memoria centrale. Cache di Primo Livello L1 (alcune volte anche la L2 e L3) 12

13 CPU-Registri Interni Di numero e di caratteristica molto differenziate, i registri interni di lavoro permettono all'unità centrale lo spostamento, la manipolazione ed il deposito temporaneo dei dati senza dover ricorrere alla memoria esterna. I tipi di registri, le modalità di interconnessione e di comunicazione fra i vari registi sono una caratteristica del processore Possiamo tuttavia individuare un set di registri essenziali per il funzionamento di un qualunque processore, e che, dunque, possono essere ritrovati in una qualunque architettura. 13

14 CPU-Registri Interni Memory Address Register (MAR). E' il registro specializzato per indirizzare la memoria. Durante l'esecuzione di un programma il MAR contiene l'indirizzo della locazione di memoria centrale (esterna alla CPU) alla quale si vuole accedere in quell'istante. Program Counter (PC). E' il registro specializzato per contenere l'indirizzo dell'istruzione che deve essere eseguita. Memory Data Register (MDR). E' il registro da cui transitano tutti i dati scambiati con la memoria esterna prima di venire smistati, in base al loro significato, presso gli altri registri interni. Instruction Register (IR). E' il registro che contiene la parte codice operativo di un'istruzione, vale a dire quella sequenza di bit che opportunamente decodificati determineranno le azioni che la CPU deve eseguire. 14

15 CPU-Registri Interni Accumulatore. E' il principale registro di calcolo dell'unità centrale: contiene sempre uno degli operandi e il risultato dell'operazione Pointer Registers (PRs). Sono registi specializzati per contenere indirizzi, solitamente di quei sotto programmi ricorrenti con particolare frequenza. Alcuni di essi possono venire specializzati a funzioni particolari. Uno di essi è lo stack pointer, che indirizza la zona di RAM in cui è stato costruito lo stack. Lo stack e' definita come una porzione di memoria gestita secondo una politica LIFO (Last In First Out). Risulta estremamente comodo per il salvataggio del program 15 counter in caso di interruzione (interrupt) o subroutine;

16 CPU-Registri Interni Status Register. Con registro di stato si intende un registro il cui contenuto è costituito da un insieme di flag aventi un significato individuale, anche se può essere manovrato ed elaborato in parallelo. Il significato dei vari flags costituenti il registro può differire a seconda del microprocessore, ma avremo sempre alcuni flags fondamentali: CARRY. Viene manipolato dalle operazioni aritmetiche; viene settato o resettato nel corso di un'istruzione di somma se si è avuto o no un riporto. OVERFLOW. Risente anch'esso dell'esito delle operazioni aritmetiche; viene settato a uno se nel corso di una somma o sottrazione si è avuto un trabocco della capacità dei registi. 16

17 CPU-Unità Aritmetico Logica ALU Operazioni Aritmetiche: Somma in Complemento a 2 Operazioni Logiche: AND, OR e NOT Operazioni sui Bit: Shift e Rotazione Dati in Ingresso: il Contenuto dell'accumulatore (sempre) e dei registri interni della CPU (operandi residenti in memoria centrale vengono appoggiati su registri temporanei) Risultato dell'operazione: Accumulatore Uscite Collaterali: è fondamentale registrare alcune condizioni di fine esecuzione delle operazioni di ALU al fine di determinare se procedere con la successiva istruzione in memoria o con un altra opportunamente specificata. risultato zero, negativo, riporto, overflow registro di stato 17

18 CPU-Instruction Decoder and Control E' il cuore del processore Riceve come dato in ingresso il codice operativo dell'istruzione presente nell'instruction register (IR). Questo codice può essere pensato come l'indirizzo di partenza di un microprogramma interno che agisce a livello circuitale minimo componendo insieme, in modo opportuno, gruppi di microistruzioni. Queste ultime consistono in definitiva nell'emissione di una serie di segnali e stati logici di controllo che servono: a predisporre la ALU a compiere una particolare funzione aritmetico logica a smistare attraverso i bus interni i contenuti dei registri interessati a svolgere i necessari test e gli eventuali scambi di dati con l'esterno. 18

19 CPU-Instruction Decoder and Control Esempio di Microprogramma associato all'istruzione di Somma del contenuto dell'accumulatore con il contenuto del MDR. Questa operazione può essere scomposta in sette passi elementari: 1. Trasferimento del contenuto dell'accumulatore sul bus dati interno alla CPU. 2. Trasferimento del contenuto del bus dati nella ALU. 3. Trasferimento del contenuto del MDR sul bus dati interno alla CPU. 4. Trasferimento del contenuto del bus dati nella ALU. 5. Attivazione della logica di somma. 6. Trasferimento del contenuto della ALU (risultato della somma) sul bus dati. 7. Trasferimento del contenuto della data bus nell'accumulatore (che conterrà il risultato della somma). 19

20 CPU - Fasi di Fetch e Execute In qualunque processore l'esecuzione di una generica istruzione avviene in due fasi differenti: la fase di ricerca (FETCH): consiste nel prelievo dalla memoria centrale dell'istruzione la fase di esecuzione (EXECUTE), caratterizzata dalla decodifica dell'istruzione e dall'attivazione del microprogramma ad essa associato. 20

21 CPU - Fasi di Fetch e Execute Esempio: Supponiamo che l'istruzione sia di somma fra il contenuto dell'accumulatore e il contenuto di una cella di memoria il cui indirizzo sia dato direttamente dalla parte operando dall'istruzione stessa. Supponiamo cioè che la cella di memoria contenente l'istruzione da eseguire sia strutturata come segue: codice istruzione indirizzo RAM del secondo operando 21

22 CPU - Fasi di Fetch e Execute Fase di ricerca (FETCH): 1. Il contenuto del Program Counter (PC) è relativo all indirizzo di memoria che contiene l istruzione. 2. Il contenuto del Program Counter è inviato al MAR (Memory Address Register) per operare il prelevamento dell'istruzione all'indirizzo di memoria contenuto nel MAR. 3. Il dato prelevato dalla memoria è riposto nel MDR (Memory Data Register). 4. Il contenuto del MDR, ossia l istruzione, è messa nel Instruction Register per essere decodificata. 5. Il Program Counter viene incrementato per puntare all'istruzione successiva. 22

23 CPU - Fasi di Fetch e Execute Ha inizio a questo punto la fase di esecuzione (EXECUTE): 1. viene compreso che il secondo operando risiede in memoria 2. la parte dell istruzione relativa all indirizzo del secondo operando viene trasferita nel MAR 3. L'effettivo operando, prelevato dalla memoria è posto nel MDR. 4. L operando viene presentato ad un ingresso della ALU. 5. All'altro ingresso dell ALU viene presentato il contenuto dell'accumulatore. 6. L'ALU, predisposta dall'instruction Register ad eseguire la somma, pone il suo risultato nell'accumulatore. La fase di esecuzione è terminata ed il processore prosegue con la fase di ricerca dell'istruzione successiva. 23

24 Esecuzione delle istruzioni Ciclo Fetch Decode Execute (leggi decodifica esegui) 1. Prendi l istruzione corrente dalla memoria e mettila nel registro istruzioni (IR). 2. Incrementa il program counter (PC) in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva. 3. Determina il tipo dell istruzione corrente (decodifica). 4. Se l istruzione usa una parola in memoria, determina dove si trova. 5. Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU. 6. Esegui l istruzione. 7. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l istruzione successiva. 24

25 Ciclo Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute 25

26 Fetch dell istruzione RAM CU PO ADD R3 R0 R1 SR 0001 PC IR R0 R1 R2 R3 ALU Address Bus Data Bus Control Bus PC (Program Counter): indirizzo di memoria della cella contenente l istruzione da eseguire IR (Instruction Register): istruzione da eseguire dopo il fetch 26

27 Fetch dell istruzione : IR M [PC] CU SR 0001 PC IR PO R0 R1 R2 R3 ALU RAM ADD R3 R0 R read! Address Bus Data Bus Control Bus PC (Program Counter): indirizzo di memoria della cella contenente l istruzione da eseguire IR (Instruction Register): istruzione da eseguire dopo il fetch 27

28 Fetch dell istruzione RAM CU SR 0002 ADD R3 R0 R1 PC IR PO R0 R1 R2 R3 ALU ADD R3 R0 R read ADD R3 R0 R1 Address Bus Data Bus Control Bus La CU incrementa automaticamente il PC (PC PC +1) IR (Instruction Register): contiene l istruzione da eseguire dopo il fetch 28

29 Decodifica dell istruzione CU PO SR R0 R1 R2 R ADD R3 R0 R1 PC IR ALU.. L istruzione dell esempio non richiede altri accessi in memoria La CU decodifica l istruzione attraverso il codice operativo e trasmette alla PO gli ordini per eseguire l operazione(microordini). In assenza di interrupt o di salti sarà prelevato il contenuto 29

30 Esecuzione dell istruzione CU PO SR 0003 ADD R3 R0 R1 PC IR ALU R0 R1 R2 R La PO esegue l operazione. Le informazioni sullo stato dell elaborazione sono memorizzate in SR (Status Register): flag Z (zero), V (overflow), N (negative), CY (carry). 30

31 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 1) Indirizzo della istruzione memoria Bus controllo Bus indirizzo M A R 40 IC PC PSW Parte controllo Registro/i coinvolti Operazione Esegui Bus dati codifica M D R R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Esito Processore 31

32 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 2) Indirizzo della istruzione memoria Leggi! IC PC PSW Parte controllo Operazione Esegui Bus indirizzo MAR Registro/i coinvolti Bus dati codifica M D R R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Esito Processore 32

33 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 3) memoria PC PSW IC Parte controllo Operazione Esegui Bus indirizzo MAR Registro/i coinvolti Bus dati MDR R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Esito Processore 33

34 Un esempio : ADD 2, R1 (dec) memoria PC PSW IC Parte controllo add Esegui Bus indirizzo MAR Registro/i coinvolti Bus dati MDR R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Esito Processore 34

35 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 1) memoria PC PSW IC Parte controllo add Esegui Bus indirizzo MAR Registro/i coinvolti Bus dati MDR R1 R2... R16 Registri generali ALU Esito Processore 35

36 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 2) memoria PC PSW IC Parte controllo add Esegui Bus indirizzo MAR Registro/i coinvolti Bus dati MDR R2... R16 Registri generali ALU Esito Processore 36

37 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 3) memoria PC PSW IC Parte controllo Bus indirizzo MAR Registro/i coinvolti Bus dati MDR R2... R16 Registri generali ALU Esito Processore 37

38 Processori CISC CISC (Complex Instruction Set Computer) micro-programmazione: istruzioni interpretate dal micro-programma istruzioni complesse che richiedono piu cicli di clock per essere eseguite formato variabile, molteplici tipi di istruzioni molteplici modalita di indirizzamento della memoria pochi registri es.: Intel: per IBM, 8086, 286, 386, 486, Pentium e Pentium PRO 38

39 Processori RISC RISC (Reduced Instruction Set Computer) nessuna micro-programmazione: istruzioni interpretate direttamente dall HardWare istruzioni semplici che richiedono un solo ciclo di clock per essere eseguite formato fisso, pochi tipi di istruzioni pochi modalita di indirizzamento della memoria: solo le istruzioni LOAD e STORE possono accedere alla memoria molti registri 39

40 Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori. Il Packaging: il contenitore in cui è incapsulato il chip della CPU deve avere ottime caratteristiche meccaniche e termiche; si usano ceramiche particolari. La Piedinatura: l aumento della memoria indirizzabile, del parallelismo di trasferimento con la memoria centrale, delle funzionalità avanzate hanno determinato un crescente numero di punti esterni di connessione (pin). 40

41 Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori. Il Raffreddamento: le sempre maggiori potenze impegnate richiedono ventole montate su CPU e su chassis più potenti e controlli automatici di temperatura Il Socket: il socket è l elemento meccanico di interconnessione tra il chip e la scheda madre. 41

42 BIOS Il nome BIOS significa Basic Input Output System, ossia sistema di base per ingressi e uscite. Il BIOS è essenzialmente un "software", ossia un programma. Esso é contenuto in un chip di memoria non volatile EEPROM o le Flash Memory. Le funzioni svolte dal BIOS sono essenzialmente tre: 1. Funzione di Avvio del Computer, all'interno della quale viene eseguito il POST (Power-On Self Test). 2. Funzione di Memorizzazione di Configurazione Hardware e di Parametri del ChipSet. 3. Interfaccia del Sistema Operativo. 42

43 BIOS Avvio del Computer Quando si accende il PC, si inizializza l'alimentatore interno. Non appena la tensione si stabilizza il chipset invia un comando di reset del processore. Il comando reset richiede alla CPU di eseguire l'istruzione posta sempre in una locazione fissa prestabilita nella ROM del BIOS e denominata indirizzo di jump. La CPU esegue l'istruzione, che copia in memoria i programmi del BIOS e inizia l'esecuzione del BIOS. 43

44 BIOS Avvio del Computer La prima azione eseguita dal programma di BIOS è il POST (Power-On Self-Test): Il processo POST verifica e controlla la configurazione hardware memorizzata nelle informazioni di configurazione del BIOS. Nel caso in cui dovesse rilevare un problema invia indicazioni acustiche per mezzo di uno o più beep o beep code, attraverso l'altoparlante del sistema, per indicare la natura del problema o visualizzare un messaggio d'errore e il processo di boot si arresta. Se il POST non incontra problemi, il processo di boot continua. 44

45 BIOS Avvio del Computer Il BIOS cerca il BIOS dell'adattatore video e lo attiva. Quasi tutti i dispositivi periferici di un PC dispongono di un proprio BIOS. Le informazioni sulla scheda video sono visualizzate sullo schermo del monitor. informazioni della scheda video, BIOS della scheda video, produttore e versione. Vengono inizializzate la routine del BIOS delle periferiche presenti, oltre la scheda video. Il BIOS effettua poi una serie di test nel sistema, inclusa la dimensione della memoria rilevata. Un contatore progressivo visualizza nello 45 schermo la memoria rilevata e verificata.

46 BIOS Avvio del Computer Il BIOS verifica che i dispositivi elencati nei dati di configurazione siano presenti e funzionanti. viene visualizzato un messaggio che comunica che il dispositivo è stato trovato, configurato e verificato. Se il BIOS supporta la tecnologia PnP (Plug and Play), qualsiasi dispositivo PnP rilevato sarà configurato. vengono visualizzate sullo schermo tutte le informazioni dei dispositivi, tuttavia scorrono in modo troppo veloce per poter essere lette. 46

47 BIOS Avvio del Computer Alla fine della sequenza di test e configurazione, il BIOS visualizzerà una schermata che riassume i dettagli del PC verificati dal BIOS, per indicare che il sistema è pronto per l'uso. Il BIOS dovrà trovare il sistema operativo ed essere in grado di accedervi, per poterlo attivare. I dati di configurazione memorizzati nel BIOS contengono un parametro che indica le unità disco (floppy, hard disk o CD-ROM) e l'ordine di accesso per il caricamento del sistema operativo. 47

48 BIOS Avvio del Computer Se il programma di boot non viene trovato nel primo dispositivo elencato, verrà ricercato nel dispositivo successivo e così via; se non si trova alcun dispositivo di boot la relativa sequenza si arresta e viene visualizzato un messaggio di errore: "Non è disponibile alcun dispositivo di boot". Il BIOS memorizza la configurazione hardware del computer (periferiche non plug&play) e i parametri del chipset e ne permette all utente la modifica. Programma di Configurazione: tasto DEL all'avvio In genere ogni versione di BIOS permette di intervenire su taluni parametri del chipset ma non su altri. 48

49 BIOS Memorizzazione Configurazione Esempio: alla voce Chipset Features Setup (o Advanced Chipset Setup) e possibile intervenire sui tempi di accesso alla memoria e su altri parametri del chipset, così da migliorare anche sensibilmente le prestazioni del computer; C'è il rischio di impostare alcuni parametri troppo performanti per l'hardware installato e il sistema si bloccherà durante il funzionamento: basterà rientrare nel Setup del BIOS (premendo, in genere, il tasto DEL all'avvio) e reimpostare i valori precedentemente usati. 49

50 BIOS Interfaccia Sistema Operativo L'hardware, cioè la parte elettronica del PC, può presentare notevoli differenza da costruttore a costruttore o da modello a modello. Se il S.O. deve ad esempio recuperare un file dal disco rigido, esegue tale lettura "chiedendo" al BIOS di leggere il file, senza occuparsene direttamente. Il BIOS contiene programmi usati dal sistema operativo e software applicativo per interagire con l'hardware. Visto che il BIOS è strettamente legato all hardware, è facile comprendere è che ogni diverso computer possiede un diverso BIOS. Non è possibile cioè utilizzare il BIOS del computer modello 50 x nel computer modello y.

51 Produttori di BIOS Award, AMI (America Megatrends, Inc.) e Phoenix producono i BIOS più noti. Come la maggior parte dei produttori, forniscono le ROM del BIOS in licenza d'uso alle case costruttrici di schede madri, mentre il servizio di supporto del BIOS compete generalmente a produttori delle schede. In passato AMI era l'unico BIOS per Intel, il principale produttore di processori e schede madri. Attualmente, oltre l'60% delle schede madri sono Intel e adottano il BIOS Phoenix. 51