La CPU e la Memoria. Sistemi e Tecnologie Informatiche 1. Struttura del computer. Sistemi e Tecnologie Informatiche 2

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1 La CPU e la Memoria Sistemi e Tecnologie Informatiche 1 Struttura del computer Sistemi e Tecnologie Informatiche 2 1

2 I registri La memoria contiene sia i dati che le istruzioni Il contenuto dei registri può essere scambiato con la memoria e l I/O Le istruzioni trasferiscono i dati e modificano il contenuto dei registri Registri particolari: PC: indirizza l istruzione corrente IR: contiene l istruzione corrente ACC: uno o più registri della ALU Memory Address Register (MAR) e Memory Data Register (MDR) Status Registers Sistemi e Tecnologie Informatiche 3 ALU (arithmetic logic unit) Esecuzione di operazioni aritmetiche e logiche sui dati contenuti nei registri Ciclo elementare: due operandi sono inviati alla ALU e il risultato è messo in un registro Sistemi e Tecnologie Informatiche 4 2

3 CU (control unit) Effettua i cicli fetch/execute Funzioni Sposta i dati da e verso i registri della CPU e le altri componenti hardware (non modifica i dati) Accede alle istruzioni e fornisce i comandi alla ALU Sottocomponenti Unità di gestione della memoria: supervisione del fetching di istruzioni e dati Interfaccia I/O Sistemi e Tecnologie Informatiche 5 Il ciclo Fetch-Decode-Execute L esecuzione di ciascuna istruzione nella CPU consta dei seguenti passi: 1. Carica l istruzione da memoria in IR (Instruction Register) (Fetch) 2. Incrementa PC (Program Counter) 3. Decodifica l istruzione (Decode) 4. Se l istruzione usa un dato in memoria ne calcola l indirizzo 5. Carica l operando in un registro 6. Esegue l istruzione (Execute) 7. Torna al passo 1. Per l esecuzione dell istruzione successiva Sistemi e Tecnologie Informatiche 6 3

4 Esecuzione e Interpretazione Esecuzione diretta Le istruzioni possono venire eseguite direttamente dai circuiti hardware Approccio molto complesso: Repertorio di istruzioni limitato Progettazione dell HW complessa Esecuzione molto efficiente Sistemi e Tecnologie Informatiche 7 Esecuzione e Interpretazione Interpretazione L hardware può eseguire solo alcune operazioni elementari molto semplici Ciascuna istruzione è scomposta in una successione di operazioni base poi eseguite dall hardware Vantaggi: Repertorio di istruzioni esteso HW più compatto Flessibilità di progetto Sistemi e Tecnologie Informatiche 8 4

5 CISC e RISC All inizio degli anni 80 i progettisti di sistemi veloci riconsiderano l approccio dell esecuzione diretta Architetture RISC (Reduced Instruction Set Computer): Repertorio ristretto (alcune decine) Istruzioni prevalentemente su registri Una istruzione per ciclo di clock Architetture CISC (Complex Instruction Set Computer) microprogrammate: Repertorio esteso (alcune centinaia) Istruzioni anche su memoria Molti cicli di clock per istruzione Esempi: Alpha (DEC) e IBM RS 6000: RISC Pentium II (Intel): CISC Sistemi e Tecnologie Informatiche 9 Parallelismo Il parallelismo consente di aumentare le prestazioni Limite di un esecuzione sequenziale: velocità della luce (30 cm in 1 ns) Due tipi di parallelismo: A livello di istruzioni (Pipeline) Diverse istruzioni eseguite insieme Diverse fasi della stessa istruzione eseguite concorrentemente A livello di processori Molti processori lavorano insieme allo stesso problema Fattori di parallelismo molto elevati Diversi tipi di interconnessione e di cooperazione (più o meno stretta) Sistemi e Tecnologie Informatiche 10 5

6 Pipelining (catena di montaggio) Più istruzioni in esecuzione contemporanea Una istruzione completata per ogni ciclo Sistemi e Tecnologie Informatiche 11 La Memoria Centrale Contiene sia i programmi che i dati Memorizzazione binaria (bit) Cella (o locazione): unità indirizzabile byte: cella da 8 bit word: insieme di k byte (k dipende dall architettura) Indirizzo (della cella): tramite il quale la CPU accede al dato nella cella Indirizzi binari a m bit: spazio di indirizzamento 2 m celle Sistemi e Tecnologie Informatiche 12 6

7 ESEMPIO Pentium II Architettura a 32 bit Registri e ALU a 32 bit Word di 4 byte 32 bit Indirizzi a 32 bit Spazio indirizzabile 2 32 = 4 GB Sistemi e Tecnologie Informatiche 13 Memorie Cache La memoria è sempre più lenta della CPU e tende a rallentarla Memorie veloci sono disponibili ma solo per piccole dimensioni La Cache (da cacher, che in francese significa nascondere) funziona alla velocità del processore, e quindi nasconde la lentezza della memoria Contiene le ultime porzioni di memoria acceduta: se la CPU vuole leggere una di esse evita un accesso a memoria Funziona bene a causa della località degli accessi Sistemi e Tecnologie Informatiche 14 7

8 Gerarchie di memoria Sistemi e Tecnologie Informatiche 15 Codici a correzione di errore Le memorie dei calcolatori possono introdurre errori, che debbo cercare di prevenire e correggere Recupero degli errori hardware tramite codifiche ridondanti Rilevazione di errore singolo (controllo di parità) Nel caso più semplice si vogliono solo rilevare errori singoli Basta aggiungere un solo check bit r=1, n=m (parola 1) (parola 2) + 0 Bit di parità: scelto in modo che il numero complessivo di 1 nella codifica sia sempre pari (o dispari) Con due errori non si rileva errore, ma con uno si perdendosi la parita Errore rilevato da circuiti molto semplici. Le memorie segnalano parity error quando un errore si manifesta Sistemi e Tecnologie Informatiche 16 8

9 Bus Connessione fisica che rende possibile il trasferimento dei dati da una posizione all altra all interno del computer Gruppo di conduttori (linee) che trasportano segnali elettrici 4 tipologie di segnali 1.Dati (alfanumerici, numerici, istruzioni) 2. Indirizzi 3. Segnali di controllo 4. Alimentazione (solo in alcuni casi) Sistemi e Tecnologie Informatiche 17 Bus Connect CPU and Memory I/O peripherals: on same bus as CPU/memory or separate bus Physical packaging commonly called backplane Also called system bus or external bus Example of broadcast bus Part of printed circuit board called motherboard that holds CPU and related components Sistemi e Tecnologie Informatiche 18 9

10 Caratteristiche Bus Protocollo Insieme di regole documentate per la comunicazione Specifiche che indicano il significato di ciascuna linea e dei segnali su ciascuna linea Throughput, es: velocità di trasferimento espressa in bit/secondo Quantità di dati trasportati simultaneamente Sistemi e Tecnologie Informatiche 19 Esempio di interconnessione I Bus interface bridges connettono diversi tipi di bus Sistemi e Tecnologie Informatiche 20 10

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