Arch. degli Elaboratori e Laboratorio Introduzione al corso

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1 Arch. degli Elaboratori e Laboratorio Introduzione al corso Salvatore Orlando 2000 Salvatore Orlando 1 6FRSLGHOFRUVR Il corso, in congiunzione con il Laboratorio, si prefigge di svelare i seguenti aspetti di un moderno computer: l organizzazione interna e il funzionamento discutendo le componenti principali, quali CPU, Memoria, I/O concause HW/SW delle prestazioni come si misurano le prestazioni segreti della programmazione scendendo rispetto al livello di astrazione linguaggio ad alto livello questo è lo scopo principale del corso di Laboratorio Perché bisogna studiare questa materia? per poterti poi definire un vero informatico perché vuoi costruire del software usabile e veloce perché nella tua professione dovrai spesso prendere decisioni di acquisto HW/SW 2000 Salvatore Orlando 2

2 ,QWURGX]LRQH Architettura dei calcolatori: campo in rapidissima evoluzione: valvole -> transistor -> IC -> VLSI ogni 1,5 anni osserviamo il raddoppio di: capacità di memoria velocità del processore (dovuto a miglioramenti nella tecnologia e nell organizzazione) abbattimento dei costi contemporaneo all incremento di velocità Considerando come base gli anni 40, se l industria dei trasporti avesse seguito la stessa evoluzione: US coast-to-coast in 5 sec. per solo mezzo dollaro 2000 Salvatore Orlando 3,QWURGX]LRQH incremento prestazioni e abbattimento costi permette di affrontare e risolvere applicazioni sempre più complesse integrazione con la rete ancora nuove applicazioni del computer (es. WEB) integrazione con la rete telefonica e cellulare nuovi hw e applicazioni (palmtop) 2000 Salvatore Orlando 4

3 &RP qidwwrxqfrpsxwhu" Componenti: Input/Output (I/O) - mouse, tastiera (I) - video, stampante (O) - dischi (I/O e memoria) - CD (I e memoria) - rete (I/O) memoria - DRAM, SRAM processore - parte operativa o datapath - parte controllo Processore Control Datapath I/O Memoria 2000 Salvatore Orlando 5 &RP qidwwrxqfrpsxwhu" Memoria volatile usata per memorizzare programmi e dati durante l esecuzione (concetto di stored-program introdotto da Von Neumann) Processore è l esecutore delle istruzioni appartenenti ad un certo Instruction Set (IS) ben definito ISA costituisce il linguaggio (povero) compreso da un moderno processore le istruzioni sono lette dalla memoria e modificano dati in memoria o agiscono sull I/O Parte Controllo mente Parte Operativa braccio I/O serve per comunicare con l esterno dispositivi di memoria secondaria (memoria non volatile) sono anch essi comunemente considerati I/O 2000 Salvatore Orlando 6

4 /LYHOOLGLDVWUD]LRQH Uno dei nostri principali scopi sarà capire la struttura del processore implementato usando milioni di transistor impossibile da capire guardando ai singoli transistor se guardiamo invece all ISA, scopriamo una macchina stupida, in grado di comprendere (interpretare) semplici istruzioni (a loro volta, sequenze di bit) come operazioni elementari (es. somma di due interi) abbiamo bisogno di astrarre. STRUTTURAZIONE IN LIVELLI DI ASTRAZIONE dell hardare e del software 2000 Salvatore Orlando 7 I livelli più bassi rivelano più informazioni I livelli più alti astraggono omettendo dettagli L astrazione ci permette di affrontare la complessità e i dettagli I livelli più alti virtualizzano, ovvero offrono una vista virtuale dei livelli inferiori Macchina virtuale: appare più potente e semplice da programmare della macchina nuda /LYHOOLGLDVWUD]LRQH A = B + C Compilatore add $4, $5, $6 Assemblatore Livello Linguaggio ad alto livello Livello Linguaggio assembler Livello Linguaggio macchina (ISA) 2000 Salvatore Orlando 8

5 6WUXWWXUD]LRQHLQOLYHOOL Tradizionale vista in livelli dell architettura hw/sw di un computer, ovveri dei linguaggi riconosciuti da ogni livello interprete o compilatore per tradurre tra linguaggi Sistema operativo (livello particolare interpretato): possiamo pensare al S.O. come un livello il cui linguaggio è l ISA estesa con nuove istruzioni ad alto livello per gestione risorse (es. I/O). Nuove istruzioni procedure scritte con linguaggio ISA Livello 4: Linguaggio ad alto livello Livello 3: Linguaggio Assembler Livello 2: Sistema Operativo Livello 1: Linguaggio Macchina Livello 0: hardware/firmware 2000 Salvatore Orlando 9 /LYHOORKDUGZDUHILUPZDUH hardware: composto da fili e porte logiche (gates) realizzati tramite transistor (speciali interruttori) gates elaborano segnali binari (0/1) tramite questi segnali è possibile rappresentare qualsiasi tipo di informazioni interconnettendo gates e fili è possibile realizzare funzioni complesse (es. moltiplicazioni di interi) è anche possibile realizzare elementi di memoria (utilizzati per dati e programmi) firmware: microprogrammi, interpretati dalla parte controllo del processore per interpretare, a sua volta, le istruzioni dell ISA 2000 Salvatore Orlando 10

6 /LYHOOROLQJXDJJLRPDFFKLQD,6$ È il livello di macchina nuda che appare al programmatore di sistema Comprende insieme di istruzioni che di solito sono diverse per ogni processore portabilità binaria La sintassi è adatta ad essere interpretata dal livello hw/fw stringhe di bit con formato e posizioni ben determinate per i codici che individuano l operazione che l istruzione dovrà eseguire gli operandi per eseguire l operazione 2000 Salvatore Orlando 11 /LYHOOROLQJXDJJLRDVVHPEOHU Offre al programmatore di sistema una vista più umana del livello macchina istruzioni espresse con stringhe di caratteri mnemoniche invece di stringhe binarie traduzione realizzata dall assemblatore (è uno speciale compilatore) L assemblatore è stato il primo software di sistema realizzato per facilitare la programmazione dei calcolatori Lo studio dell assembler sarà oggetto del corso di laboratorio. In particolare studieremo il passaggio tra linguaggio ad alto livello e il linguaggio assembler principali strutture di controllo e strutture dati 2000 Salvatore Orlando 12

7 /LYHOOROLQJXDJJLRDGDOWROLYHOOR C, C++, Modula 3, Java Permette al programmazione una maggiore astrazione sui livelli sottostanti della macchina Ha di solito bisogno di un traduttore (compilatore) Per alcuni linguaggi esistono interpreti: per esempio Java Permette di realizzare la portabilità tra processori con diversa ISA basta che esista il compilatore implementato per la nuova ISA necessario ricompilare 2000 Salvatore Orlando 13 &RPSXWHUWUDGL]LRQDOH Video: unità di uscita (O) Tastiera/mouse: unità di ingresso (I) Scatola: contiene alimentatore scheda madre processore memoria volatile (RAM) dischi (memoria stabile, I/O) dispositivi di I/O per rete (LAN / MODEM) 2000 Salvatore Orlando 14

8 9LGHR CRT (Cathode Ray Tube) fascio di elettroni spennellato su una matrice di fosfori necessario il refresh continuo dello schermo pennello passa sullo schermo per righe, una riga alla volta frequenza orizzontale (in MHz) e verticale (in Hz) Dati caratteristici frequenza di refresh (> 70 Hz quella orizzontale per evitare sfarfallii) numero di pixel (punti) dello schermo (es.: 1024x768) numero di colori contemporaneamente visualizzati Frame buffer memoria RAM veloce che contiene la rappresentazione binaria dei vari pixel (ovvero dei colori corrispondenti) per visualizzare sullo schermo bisogna scrivere nel frame buffer un convertitore digitale/analogico, con la frequenza opportuna, rinfresca in continuazione i vari pixel dello schermo sulla base dei dati del buffer LCD (Liquid Crystal Display) 2000 Salvatore Orlando 15 6FDWROD Alimentatore Scheda madre, che contiene diversi chip e bus, e alloggiamenti per processore memoria (SIMM) schede per gestire video, audio, rete, dischi, ecc. (I/O) sempre maggiore integrazione (scheda non espandibili) Memoria DRAM, volative, composta di vari chip (SIMM) di dimensione sempre più grande Processore chip che contiene parte controllo+parte operativa con registri cache (buffer di memoria veloce) Dischi e relativi controller piatti ricoperti di materiale magnetico con testina dotata di bobina elettromagnetica bobina memorizza informazioni digitali (0/1) Floppy: mylar, lenti, 1,44 MB MB (Zip) Hard: veloci, velocità di rotazione alta, diversi GB RAM (accesso da 5 a 100 nsec) - DISCHI (5-20 msec): 5 ordini di grandezza di differenza 2000 Salvatore Orlando 16

9 5HDOL]]D]LRQHGHOSURFHVVRUHHGHOODPHPRULD I componenti elettronici del computer sono realizzati con circuiti integrati (IC): fili + transistor realizzati con processo di integrazione larghissimo su frammento di silicio (VLSI - Milioni di transistor su un singolo frammento) Silicio presente nella sabbia è un semiconduttore aggiungendo materiali al silicio attraverso processo chimico, il silicio diventa transistor, conduttore, o isolante Processo produttivo Lingotto di silicio (15/30 cm diam.) Wafer sottili ottenuti tagliando il lingotto 10/20 processi produttivi tramite pattern e processi chimici otteniamo diverse repliche dello stesso circuito rettangolare Separiamo i vari circuiti e otteniamo i die Collaudiamo i die Inseriamo nei package i die funzionanti, collegando ai piedini del package otteniamo i chip pronti per la consegna 2000 Salvatore Orlando 17