La macchina di Von Neumann. Architettura di un computer. Central Processing Unit (CPU) Elementi base MEMORIA CENTRALE PERIFERICHE SR PC A B INTR

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1 Architettura di un computer Architettura organizzata secondo il modello della macchina di von Neumann definita nei tardi anni 40 all Institute for Advanced Study di Princeton. È costituita da quattro elementi funzionali fondamentali: Unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit o CPU); Memoria Centrale; Periferiche (I/O); Bus di sistema. Bus di sistema La macchina di Von Neumann CPU MEMORIA CENTRALE PERIFERICHE A fianco di Von Neumann l'elaboratore IAS di Princeton o macchina di Von Neumann, ultimata nel Nella parte bassa dell'elaboratore si può vedere una fila di tubi catodici (CRT) utilizzati come memoria. Nel 1955 tali memorie vengono sostituite da quelle a nuclei di ferrite. Elementi base La CPU (Central Processing Unit) contiene i dispositivi elettronici in grado di acquisire, interpretare ed eseguire le istruzioni di ogni programma, trasformando i dati. Le istruzioni vengono comunemente eseguite in sequenza. Dati ed istruzioni vengono trasferiti da (e verso) la memoria centrale. La memoria centrale contiene sia le istruzioni che i dati (informazioni necessarie per eseguire un programma). Ha dimensioni limitate ed è volatile (cioè le informazioni memorizzate vengono perse allo spegnimento del computer). Central Processing Unit (CPU) SR PC A ALU B INTR Le periferiche consentono uno scambio di informazioni fra l elaboratore e l esterno (ingresso/uscita, memoria secondaria). In particolare, la memoria secondaria (o memoria di massa) viene utilizzata per memorizzare grandi quantità di informazioni in modo persistente. Ha dimensioni elevate, ma l accesso è meno rapido, rispetto alla memoria centrale. IR CU Il bus di sistema è un canale che collega i vari elementi funzionali. Fornisce la connessione elettrica per la trasmissione dei dati tra i vari elementi. DR AR Clock

2 Elementi della CPU l unità aritmetico-logica (Arithmetic Logic Unit o ALU) esegue le operazioni aritmetiche e logiche richieste per l esecuzione delle istruzioni; l unità di controllo (Control Unit o CU), controlla e coordina l attività della CPU. In particolare, è responsabile del prelievo, della decodifica delle istruzioni e dell invio dei segnali di controllo per effettuare i passi per l esecuzione di un istruzione; il clock (orologio) cadenza le operazioni elementari, permettendo il sincronismo delle operazioni; vari registri (ad esempio, A, B, PC, SR, etc.). Un registro è una locazione utilizzata per memorizzare dati, istruzioni, o indirizzi all interno della CPU. L accesso ai registri è molto veloce. Nei moderni sistemi di elaborazione la CPU è realizzata da un unico circuito integrato (chip): il microprocessore. Registri principali DR (Data register o registro dati): viene utilizzato per trasferire dati da e verso la memoria centrale. AR (Address Register o registro indirizzi): viene utilizzato per memorizzare l indirizzo della cella corrente nella memoria centrale (la sorgente/destinazione del trasferimento di dati). PC (Program Counter), registro contatore del programma. Contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire. IR (Instruction Register), registro istruzione corrente. Contiene, istante per istante, l istruzione che è attualmente in esecuzione. A, B: Registri accumulatori o di lavoro. Contengono operandi e risultati delle operazioni svolte dalle ALU. INTR (Interrupt Register o registro interruzioni): legato alla richiesta di operazioni dalle periferiche di I/O. SR (Status Register o registro di stato), i cui bit forniscono informazioni sul risultato dell ultima operazione eseguita dalla ALU (overflow, zero, riporti, segno). ALU (Arithmetic Logic Unit) Esegue le operazioni aritmetiche, logiche ed altre manipolazioni (es: scorrimento) sui dati. Opera su alcuni registri specifici chiamati accumulatori (es: A, B) e modifica i bit del registro Status Register (SR). Gli accumulatori contengono il valore degli operandi ed il risultato finale dell operazione. I bit dello SR o flag permettono di capire l esito dell operazione (es: overflow, risultato positivo o negativo, ecc.) CU (Control Unit) Sovraintende a tutte le attività della CPU, imponendo la corretta sequenzializzazione delle operazioni da svolgere. In particolare: Fetch L unità di controllo ha il compito di reperire dalla memoria centrale le istruzioni di un programma (fetch) da eseguire (il cui indirizzo è nel registro PC). Le istruzioni sono organizzate in memoria in sequenza. Decodifica La CU interpreta l istruzione che è stata caricata con il fetch. Execute La CU manda in esecuzione (execute) l istruzione trovata (che è stata caricata nel registro IR) finché non c'è un halt del microprocessore.

3 Operatività della CU Le memorie cache PC START carica istruzione (fetch) Si dividono in Cache di primo livello o L1 interna alla CPU (es: 32 kb). Cache di secondo livello o L2, (es: 256, 512KB,.., 8 MB) è esterna al processore. NO interpreta istruzione (decode) esegue l'istruzione (execute) PC PC + 1 HALT SI END La cache è una memoria speciale della CPU e, a differenza della memoria centrale, è più piccola e più veloce. Funziona come un buffer e contiene la copia delle istruzioni e dei dati che vengono maggiormente utilizzati. La sua funzione è di velocizzare eventuali accessi successivi sugli stessi dati appena ricercati. Caratteristiche CPU Socket: lo zoccolo della scheda madre in cui viene inserito il processore. In questo caso il numero rappresenta oltre al nome anche il numero dei pin di contatto. N Core: si intende il numero di core montati sul package: 1 se "single core", 2 se "dual core" o 4 se "quad core". Clock: la frequenza di funzionamento del processore. Pr.Prod.: sta per "Processo produttivo" ed indica la dimensione costruttiva (es: 130 nm, 90 nm, 65 nm) ed il numero di transistor integrati nel processore espresso in milioni. Voltag.: sta per "Voltaggio" ed indica la tensione di alimentazione del processore. Bus: frequenza del bus di sistema. Cache: dimensione delle cache di 1 e 2 livello. Nome Commerciale Core 2 Quad Q6600 Core 2 Quad Q6700 Esempio di CPU (2008) Socket N Core Clock Pr.Prod. Voltag. Bus Cache 2,4 GHz 2,66 GHz 65 nm 582 mil. 1,35 V 1066 MHz L1=4x64KB L2=2x4MB

4 La memoria centrale Indirizzamento della memoria È chiamata anche RAM (Random Access Memory) ed è volatile (tutte le informazioni vengono perse allo spegnimento). Contiene i dati e le istruzioni relative al programma in esecuzione. La CPU scambia informazioni solo con la memoria centrale È strutturata come una sequenza di celle (dette parole o word) di dimensione prefissata (es: 8, 16, 32, 64 bit) Ogni parola è univocamente identificata dal suo indirizzo Es: parola a 8 bit byte n L indirizzamento di una cella di memoria è fatta attraverso il registro di indirizzi (AR) Se AR dispone di k bit, saranno indirizzabili 2 k celle Es: k= 32 > celle indirizzabili = 2 32 = 4 Gbyte Il valore della cella indirizzato da AR viene copiato nel registro dati (fase di lettura indicato con R) scaricato dal registro dati (fase di scrittura indicato con W) Le operazioni (R/W) vengono coordinate dalla Control Unit Es: k = 20, word =16 bit AR Notazione esadecimale byte 0 byte 1 byte 2 byte FFFFE W R DR Caratteristiche delle memorie La memoria è realizzata con dispositivi a semiconduttore (materiali che hanno una conducibilità intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità) Il tempo di accesso ad una memoria è dell ordine della decina di nanosecondi. Capacità: valori tipici 128, 256, 512 MB, 1 GB, 2 GB Possono essere Dinamiche (DRAM): hanno bisogno di un segnale di refreh, per mantenere le informazioni in esse contenute. Statiche (SRAM): più veloci delle precedenti, ma più costose. Normalmente utilizzate per le memorie cache. SDRAM (Synchronous DRAM): Permettono un accesso multiplo su locazioni differenti in memoria. Un segnale di clock temporizza e sincronizza le operazioni di scambio di dati con il processore, raggiungendo velocità molto più veloci. DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM): evoluzione della SDRAM con velocità doppia alla stessa per il fatto che consente il trasferimento dei dati sia sul fronte di salita del clock sia su quello di discesa Moduli di memoria SIMM (Single Inline Memory module) Moduli fino a 64 MB, 30 o 72 piedini (pin) con bus dati a 32 bit Normalmente montate in coppia per aumentare la capacità di trasferimento nei processori a 64 bit di bus dati DIMM (Dual Inline Memory Module) Moduli fino a 240 pin (la metà per ogni faccia del circuito stampato) Attualmente i più utilizzati con velocità e capacità maggiore delle precedenti (fino a 8 GB) DIMM

5 Altre memorie ROM (Read Only Memory) Non volatili: mantengono le informazioni anche senza alimentazione (es: programma di inizializzazione dei computer o boot) PROM (Programmable ROM) Permettono di essere programmate dall utente tramite dei dispositivi particolari (programmatori di ROM) EPROM (Erasable PROM) Possono essere riscritte più volte, cancellando il loro contenuto con raggi ultravioletti. Il software contenuto in queste memorie è normalmente chiamato firmware (es: Basic Input-Output System o BIOS dei computer) Bus di sistema Data bus CPU MEMORIA CENTRALE Address bus Command bus PERIFERICHE Bus di sistema Esempi di bus È composto da connessioni elettriche (sul circuito stampato o su un cavo) lungo le quali viene trasferita l informazione. Collega due unità funzionali alla volta: una trasmette e l altra riceve (master-slave). Il trasferimento avviene sotto il controllo della CPU (Control Unit). Bus dati (Data bus): bidirezionale. Utilizzato dalla CPU per trasmettere dati dalla memoria al registro dati e viceversa o verso le interfacce di I/O. Bus indirizzi (Address bus): unidirezionale. Viene utilizzato dalla CPU per trasmettere il contenuto del registro indirizzi alla memoria o alle interfacce di I/O per selezionare il dispositivo da usare. Bus comandi (Command bus): unidirezionale. Permette alla CPU di inviare alla memoria o all I/O i segnali di comando/consenso fra le varie unità (es: lettura o scrittura). Le uniche istruzioni che possono accedere direttamente alla memoria centrale, sono quelle che trasferiscono i dati da e verso i registri. Tutte le altre operano solo su registri. Se la dimensione (numero di bit) del bus dati è uguale alla dimensione della parola, si può trasferire in parallelo un intero dato. Altrimenti occorrono più trasferimenti. I più comuni sono: PCI = Peripheral Component Interconnect (max 64 bit a 66 MHz = 528 MB/s di trasferimento dati) AGP = Accelerated Graphics sviluppato per interfacciare le schede grafiche di nuova generazione. PCI Express = È basato su un trasferimento dei dati seriale, a differenza di quello parallelo del PCI, che semplifica il layout delle schede madri ed è costituito da una serie di canali (es: PCIx16, costituito da 16 canali, potendo offrire così il doppio della velocità rispetto allo standard AGP 8x, quindi teoricamente in grado di trasferire 4 Gb/s)

6 Bus controllo Circuiti di controllo Registro istruzioni (8 bit) Registro A Registro B +1 PC (16 bit) Z (8 bit) W (8bit) CU registro dati registro indirizzi Bus controllo Bus indirizzi 16 bit Bus dati 8 bit Memoria (a 8 bit) 3E C6 3A Le istruzioni contenute in memoria normalmente consistono di Codice operativo (operation code): serve ad attivare un azione opportuna (es: somma, input/output, ecc.) Operandi (operands): contiene gli indirizzi degli operandi o gli operandi stessi coinvolti nell operazione (talvolta sottintesi) Sommatore ALU I fetch Il contenuto del PC viene spostato nel registro indirizzi e viene comandata una lettura in memoria (lettura della cella 0 = 3E H ) Il dato viene spostato nel registro istruzione Il PC viene incrementato e diventa = 1 Il codice del registro istruzione viene decodificato come: muovi nel registro A il dato che segue il codice operativo. Il PC viene spostato nel registro indirizzi e viene ordinata la lettura della cella corrispondente. Il valore 20 H viene spostato nel registro dati. Il PC viene incrementato e diviene = 2 I esecuzione Il dato nel registro dati viene spostato nel registro A della ALU. II fetch Viene eseguita l istruzione all indirizzo 2 (27 H ) che richiede di muovere nel registro B il dato 03 H che segue il codice operativo (PC =3). PC diventa 4. Istruzione alla 4 (C6H ) richiede di sommare il contenuto di A e B e mettere il risultato in A. II esecuzione La CU da indicazione alla ALU di eseguire la somma.

7 III fase L istruzione all indirizzo 5 (3AH ) richiede di acquisire l indirizzo dell operando. Il fetch dell indirizzo è fatta in 2 passi. Viene letto il valore all indirizzo 6 (10H ) e messo in W e quello 7 (20 H ) in Z Il contenuto di W e Z viene interpretato come un unico indirizzo a 16 bit (1020 H ) Il contenuto di A viene messo nel registro dati. Viene ordinata una scrittura del dato in A (23 H = 20 H + 03 H ) nell indirizzo (1020 H ) L istruzione all indirizzo 8 (76H ) ordina l halt della macchina Linguaggio assembly Programmare in formato binario o esadecimale è molto difficoltoso. Sono stati così creati i linguaggi assembly, che utilizzano una codifica simbolica per le operazioni appena descritte. Questi linguaggi sono dipendenti dal tipo di processore usato, non sono quindi portabili fra macchine con CPU diverse. Assemblatore: traduce il programma assembly in liguaggio macchina (sequenza di 0 e 1). Linguaggio assembly La traduzione del precedente programma in pseudo-linguaggio assembly potrebbe essere: LD A,20 H load A con il valore 20 H LD B,03 H load B con il valore 03 H ADD A,B somma A e B e metti il risultato in A LD (1020 H ),A sposta il contenuto di A all indirizzo HALT 1020 H