Capitolo 7. Come funzionano i computer?

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1 Capitolo 7 Come funzionano i computer?

2 Motori per l esecuzione di istruzioni Quello che i computer possono fare eseguire deterministicamente istruzioni per elaborare informazione il computer deve ricevere una serie di istruzioni da seguire Quello che i computer non possono fare non hanno immaginazione né creatività non hanno alcun intuito non possiedono senso dell humor, ironia, decoro, proporzione e non capiscono le sottigliezze non sono crudeli né vendicativi non agiscono con risolutezza non hanno alcuna forma di libero arbitrio Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved.

3 Il ciclo macchina Un ciclo in cinque passi: 1. Fetch istruzione 2. Decodifica istruzione 3. Fetch Dati 4. Esecuzione Istruzione 5. Restituzione Risultato Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-3

4 Anatomia di un computer I computer sono costituiti da cinque parti: memoria, unità di controllo, unità aritmetico/logica (ALU), unità di input e unità di output Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-4

5 Memoria La memoria contiene il programma in esecuzione e i dati su cui il programma stesso opera Caratteristiche della memoria: locazioni discrete. Ogni locazione è pari a 1 byte indirizzi. Ogni locazione di memoria ha un indirizzo (un numero intero a partire da 0) valori. Le locazioni di memoria memorizzano valori capacità finita. Le locazioni di memoria hanno una capacità finita i programmatori devono tenere presente che la quantità di dati che è possibile scrivere è limitata Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-5

6 Locazioni di memoria da un byte Generalmente un diagramma della memoria di un computer rappresenta le locazioni discrete come piccoli rettangoli L indirizzo delle locazioni è indicato sopra il rettangolo. I valori delle locazioni sono riportati nel rettangolo corrispondente. Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-6

8 Locazioni di memoria da un byte (cont.) Ogni locazione contiene 1 byte che memorizza un carattere ASCII o un numero compreso tra 0 e 256 I programmatori utilizzano una sequenza di locazioni di memoria adiacenti, ignorando il fatto che hanno differenti indirizzi i blocchi di 4 byte sono usati come singola unità così frequentemente che hanno preso il nome di "parole di memoria" Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-8

9 Memoria ad accesso casuale "ad accesso casuale" significa che il computer può accedere a qualsiasi locazione di memoria Spesso è misurata in megabyte (MB) Avere tanta memoria è preferibile per non avere problemi di spazio per i programmi e i dati Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-9

10 Unità di controllo Implementa il ciclo macchina direttamente via hardware I suoi circuiti recuperano un istruzione dalla memoria ed eseguono altre operazioni del ciclo un istruzione tipica ha la forma ADD 2000, 2080, 4000 quest istruzione chiede che i numeri memorizzati nelle locazioni 2000 e 2080 siano sommati e che il risultato sia inserito nella locazione 4000 il passo di Fetch Dati deve estrarre i due valori; dopo aver effettuato la somma il passo Restituzione Risultato inserirà la somma nella locazione 4000 Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-10

11 Unità Aritmetico/Logica Esegue tutti i calcoli Generalmente è responsabile del passo del ciclo macchina denominato Esecuzione Istruzione Un circuito nell ALU può sommare due numeri Ci sono anche circuiti dedicati alla moltiplicazione, al confronto ecc. Le istruzioni di puro trasferimento dei dati non usano l ALU Il passo del ciclo macchina Fetch Dati recupera i valori necessari all ALU (operandi) Quando l ALU ha completato l operazione, il passo Restituzione Risultato trasferisce il risultato (somma o prodotto o qualche altro valore) dall ALU in un indirizzo di memoria specificato nell istruzione Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-11

12 Unità di input e output Le piste e i circuiti attraverso cui l informazione entra ed esce dal computer Le periferiche: si collegano alle porte di input/output del computer. Non sono considerate parti vere e proprie del computer, ma terminali specializzati che codificano/decodificano l informazione scambiata tra computer e mondo fisico. Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-12

13 Le periferiche La tastiera trasforma le battute sui tasti in un formato binario Il monitor rappresenta l informazione contenuta nella memoria del computer visualizzandola su uno schermo a colori Chiavi USB e hard disk sono utilizzati sia come input che come output. Sono dispositivi di memorizzazione in cui il computer può archiviare permanentemente informazioni per poi recuperarle al momento del bisogno Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-13

14 Un driver per ogni periferica Le periferiche sono "stupide perché forniscono solo un servizio base di traduzione da fenomeno fisico a segnale binario Ogni ulteriore informazione è demandata al computer che deve aggiungere ogni comportamento intelligente Ad es., quando il computer riceve la segnalazione che l utente ha premuto contemporaneamente shift e q converte l input nella lettera maiuscola Q. Il software che opera la conversione è chiamato driver. Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-14

15 Il Program Counter: un PC nel PC Come fa il computer a determinare qual è l istruzione successiva da eseguire? L indirizzo dell istruzione successiva è memorizzato nell unità di controllo ed è chiamato Program Counter (PC) Dato che le istruzioni occupano 4 byte di memoria, l istruzione successiva dovrebbe essere PC + 4 Il PC è incrementato di 4, così, quando il ciclo macchina ritornerà al passo Fetch Istruzione, il PC starà già "puntando" all istruzione successiva Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-15

16 Istruzioni di salto L istruzione può includere l indirizzo dell istruzione successiva. Questo modifica il PC che invece di aggiungere 4 automaticamente, "salta" alla locazione specificata Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-16

17 Interpretazione delle istruzioni Processo di esecuzione di un programma il computer interpreta i nostri comandi, ma espressi nel suo proprio linguaggio Prima che il ciclo macchini inizi, qualche locazione di memoria e il PC sono visibili nell unità di controllo Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-17

19 Interpretazione delle istruzioni (cont.) L esecuzione comincia trasferendo dalla memoria all unità di controllo l istruzione contenuta all indirizzo specificato dal PC Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-19

20 Interpretazione delle istruzioni (cont.) I bit dell istruzione sono copiati nel circuito decodificatore dell unità di controllo Una volta fatto questo, il PC può essere configurato per il recupero dell istruzione successiva Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-20

21 Interpretazione delle istruzioni (cont.) Nel passo Decodifica Istruzione, l ALU è configurata per eseguire l operazione desiderata Il decodificatore troverà gli indirizzi dei dati in ingresso (operandi sorgente) la maggior parte delle istruzioni contiene gli indirizzi di due operandi sorgente (come ADD) questi indirizzi sono passati al circuito che li recupera durante il passo successivo, Fetch Dati Il decodificatore estrae l indirizzo di destinazione per il passo Restituzione Risultato e lo inserisce in un circuito RR Il decodificatore determina quali operazioni l ALU dovrà eseguire e la configura in modo appropriato Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-21

23 Interpretazione delle istruzioni (cont.) Esecuzione Istruzione: è il passo in cui sono effettivamente eseguiti i calcoli. Nel caso dell istruzione ADD, il circuito effettua la somma dei due operandi sorgente Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-23

25 Interpretazione delle istruzioni (cont.) Restituzione Risultato: restituisce il risultato dell elaborazione nella locazione di memoria specificata dall indirizzo di destinazione Una volta concluso questo passo, il ciclo ricomincia Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-25

27 Moltissime operazioni semplici I computer possono eseguire solo circa 100 istruzioni diverse circa 20 tipi di operazioni distinte (ma servono istruzioni diverse per sommare byte, parole di memoria, numeri decimali ecc.) Tutto ciò che chiediamo al computer deve essere ricondotto a una combinazione di queste operazioni primitive, supportate direttamente dall hardware Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-27

28 Esempi di altre istruzioni Oltre ad ADD, MULT (moltiplicazione) e DIV (divisione), altri esempi di istruzioni includono: lo spostamento (shift) dei bit di una parola di memoria verso destra o verso sinistra, riempiendo gli spazi che si vengono a creare con degli zeri e buttando via i bit che strabordano il calcolo dell AND logico, che verifica se due bit valgono entrambi 1, o dell OR logico, che verifica se almeno uno di essi vale 1 il test che appura se un singolo bit vale zero o no, e salta a un nuovo blocco di istruzioni a seconda del risultato lo spostamento dei dati da un area all altra della memoria la ricezione di segnali dai dispositivi di input/output Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-28

29 Quanto è veloce il ciclo macchina? L impressionante capacità dei computer deriva dalla loro possibilità di eseguire in un secondo un enorme numero di istruzioni Il clock del computer determina la velocità del ciclo macchina misurato in megahertz, o milioni di cicli al secondo Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-29

31 Quanto è importante la velocità del clock? I computer moderni tentano di cominciare un istruzione a ogni tick del clock I circuiti si passano l istruzione l un l altro (pipelining) possono essere processate 5 istruzioni simultaneamente Un clock a 1 GHz può veramente eseguire un miliardo di istruzioni al secondo? in realtà i computer non possono cominciare cominciare un istruzione a ogni tick, ma possono eseguire più istruzioni alla volta Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-31

33 Software Il software visto dal computer la amcchina vede un oggetto binario, una lunga sequenza di parole (gruppi di 4 byte) Il linguaggio assembler forma alternativa del linguaggio macchina che usa lettere e numeri in modo che le persone lo possano comprendere più facilmente il computer esamina il programma in assembler e quando incontra le parole le cerca in una tabella per trovare la corrispondente cifra binaria; quindi converte in binario e assembla i pezzi costruendo l istruzione macchina completa Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-33

34 Software (cont.) Linguaggi di programmazione di alto livello oggi la maggior parte del software è scritta in un linguaggio di alto livello che è compilato (tradotto) in linguaggio assembler, che viene a sua volta assemblato per ottenere un file binario I linguaggi includono strutture speciali che aiutano i programmatori a esprimere istruzioni complicate Esempio: un blocco if è composto di tre parti una domanda a cui si può rispondere sì e no (il test) le istruzioni che il computer dovrà eseguire se il test risulta vero le istruzioni che il computer dovrà eseguire se il test risulta falso. Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-34

37 Sistemi operativi Offrono le operazioni base necessarie per l uso efficace del computer, ma non supportate direttamente dall hardware I tre più usati sono: Microsoft Windows MacOSX di Apple Unix Il sistema operativo (OS) esegue il boot, gestisce la memoria, le periferiche, i file e la connessione a Internet Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-37

38 Programmazione avanzata I programmatori riutilizzano software precedentemente sviluppato per rendere più facile il loro lavoro Esempio: la GUI (interfaccia utente) i bordi delle finestre, le barre di scorrimento, i pulsanti, i puntatori, ecc. sono impacchettati per i programmatori e forniti con l OS Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-38

39 Circuiti integrati Miniaturizzazione la velocità del clock è così alta perché il microprocessore è piccolissimo (i segnali elettrici percorrono circa 30 centimetri in un nanosecondo) Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-39

40 Circuiti integrati Fotolitografia Processo di stampa. Invece di collegare i circuiti a mano, si usa una tecnica fotografica applicata più volte consecutive Il costo del circuito è indipendente dalla sua complessità Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-40

41 La tecnologia dei semiconduttori Integrazione I componenti attivi e le piste che li collegano sono costruiti insieme, in un singolo processo e con gli stessi materiali Si risparmia spazio e si producono componenti monolitici, più affidabili Il silicio è un semiconduttore talvolta conduce elettricità e talvolta no La capacità di controllare il passaggio di corrente in un semiconduttore è fondamentale per la costruzione dei computer Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-41

42 Il comportamento variabile del silicio Un circuito è configurato in modo da rappresentare x e y, qualsiasi sia il loro valore logico Se x è vero, il relativo circuito conduce elettricità e il segnale passa dall altra parte del filo; se x è falso, non passa alcun segnale La stessa cosa per y Se entrambi i circuiti conducono, significa che x e y sono entrambi veri abbiamo realizzato l AND logico! Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-42

44 Dall applicazione agli elettroni Riepilogo: Partiamo da un processo di elaborazione dell informazione Il processo è svolto da un applicazione, implementata sotto forma di programma in un linguaggio di alto livello come C o Java Il programma esegue operazioni specifiche; i servizi standard come stampa o salvataggio su disco sono messi a disposizione dal sistema operativo I comandi del programma sono compilati, cioè tradotti in istruzioni in linguaggio assembler Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-44

45 Dall applicazione agli elettroni (cont.) Le istruzioni assembler sono tradotte in codice macchina binario Le istruzioni binarie sono registrate sull hard disk Le istruzioni macchina vengono trasferite dal disco nella memoria RAM Il ciclo macchina esegue le istruzioni una dopo l altra Tutte le istruzioni del computer sono eseguite dai circuiti contenuti nell ALU, utilizzando il modello descritto precedentemente Copyright 2006 Pearson Education. All rights reserved. 7-45