L architettura del calcolatore

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1 INFORMATICA B Ingegneria Elettrica L architettura del calcolatore

2 Hardware Componenti fisiche: circuiti, schede, memorie, periferiche, stampanti, monitor... 2

3 Software I programmi eseguibili (istruzioni e dati) che consentono all'hardware di compiere determinate funzioni 3

4 La macchina di Von Neumann CPU RAM MEMORIA CENTRALE BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO MM INPUT INPUT OUTPUT INTERFACCE UNITA PERIFERICHE 4

5 Elementi principali CPU o Unità di elaborazione Elabora dati, coordina trasferimento dei dati Esegue i programmi, cioè interpreta ed esegue le loro istruzioni Memoria Centrale Memorizza dati e programmi in esecuzione Capacità limitata Volatile Accesso all informazione molto rapido 5

6 Elementi principali Memoria secondaria o memoria di massa Memorizza grandi quantità di dati e programmi Persistente Accesso molto meno rapido della memoria centrale Unità periferiche (I/O) Comunicazione con l ambiente esterno Tastiera, mouse, video, altoparlanti, stampanti L ambiente esterno non è sempre un utente umano (impianti industriali, robot, strumenti di controllo) Bus di sistema Collega i componenti e consente scambio di dati 6

7 Architettura del calcolatore CPU RAM MEMORIA CENTRALE BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO MM INPUT INPUT OUTPUT INTERFACCE UNITA PERIFERICHE 7

8 Le memorie di massa L informazione è memorizzata su supporto magnetico (o ottico o altro...) di costo contenuto Memoria permanente: le informazioni sono strutturate in file gestiti dal sistema operativo Tipi di memorie di massa: Dischi rigidi: tempi di accesso dell ordine della decina di millisecondi; DIMENSIONE: Terabyte Dischi stato solido (SSD): tempi d accesso ridotti 0.1 millisecondi; DIMENSIONI: centinaia di Megabyte Nastri e Cartucce: per memorizzare informazioni storiche (back-up) Chiavette USB: basate su memorie flash (2-64 GB) CD-ROM e DVD-ROM: sola lettura 8

9 Struttura dei dischi rigidi (HardDisk) Struttura: Il disco è composto da una serie di piatti ricoperti da una pellicola magnetica Ogni piatto ha due superfici su cui vengono memorizzati i dati Ogni superficie è organizzata in cerchi concentrici detti tracce Le tracce sono divise in spicchi di grandezza uguale detti settori ciascuno dei quali memorizza una data quantità di informazioni Le operazioni di lettura e scrittura vengono effettuate tramite le testine Il controller è un componente elettromeccanico che esegue le operazioni di lettura e scrittura controller 9

10 Architettura del calcolatore CPU RAM MEMORIA CENTRALE BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO MM INPUT INPUT OUTPUT INTERFACCE UNITA PERIFERICHE 10

11 La memoria centrale Contiene le istruzioni e i dati su cui la CPU può operare Contiene, cioè, sia i dati che i programmi Tutta l informazione, per poter essere elaborata, deve passare dalla memoria centrale (e successivamente caricata in uno dei registri della CPU) Rispetto alla memoria di massa Memoria a breve-medio periodo Volatile 11

12 La memoria centrale Dimensioni ridotte Ordine dei GigaByte Tempi di accesso ordine delle decine di nanosecondi circa centinaia di migliaia di volte più veloce delle memorie di massa È un insieme ordinato di parole (celle) Una parola = n elementi di memoria binari (8, 16, 32, 64 bit) La posizione di ogni parola è identificata da un indirizzo La capacità di indirizzamento in memoria è definita dalle dimensioni del bus indirizzi e del registro indirizzi 12

13 RAM e ROM RAM: Random Access Memory Le celle sono indirizzabili in un ordine qualunque (accesso random = diretto) Il tempo di accesso non dipende dalla cella ROM: Read-Only Memory Per programmi protetti e definiti dal costruttore Il BIOS (Basic I/O System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa Esistono di diversi tipi Erasable, Programmable, (EPROM) Memorie flash (evoluzione delle EPROM) Una via intermedia tra Hardware e Software (Firmware) 13

14 Tecnologie di memoria centrale La memoria RAM È realizzata mediante circuiti a transistori È modificabile (leggibile e scrivibile) ma deve essere continuamente alimentata per mantenere le informazioni (volatile) All accensione il suo contenuto è una sequenza casuale di 0 e 1 La memoria ROM È solo leggibile: le informazioni sono di solito scritte in modo permanente dal costruttore È caricata al momento della produzione del calcolatore Vi si accede ogni qualvolta questo viene acceso Contiene il bootstrap, un programma contenente le prime istruzioni che la CPU deve eseguire 14

15 Indirizzamento della memoria centrale Esiste un registro (registro indirizzi - AR) della CPU per indirizzare la memoria Registro di k bit: può indirizzare 2 k celle Con 10 bit indirizzo celle 1 kilo-parole Con 20 bit, parole 1 mega parole 30(giga), 40(tera), 50(peta) Celle - hanno un indirizzo - contengono parole 15

16 Indirizzamento della memoria centrale Esempio di RAM da 8 KByte indirizzi delle celle 0 h =16 bit Registro Indirizzi (AR) k = 12 bit Registro Dati (DR) h = 16 bit cella selezionata parole

17 Architettura del calcolatore CPU RAM MEMORIA CENTRALE BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO MM INPUT INPUT OUTPUT INTERFACCE UNITA PERIFERICHE 17

18 La CPU 18

19 La CPU Contiene gli elementi circuitali che regolano il funzionamento del calcolatore: L unità di controllo è responsabile della decodifica e dell esecuzione delle istruzioni. È la parte che dirige l esecuzione di tutte le altre parti L orologio di sistema (clock) permette di sincronizzare le operazioni temporizzando il funzionamento del calcolatore L unità aritmetico-logica (ALU) realizza le operazioni aritmetiche e logiche eventualmente richieste per l esecuzione dell istruzione. È priva di facoltà di scelta I registri sono piccole memorie velocemente accessibili, utilizzate per memorizzare risultati parziali o informazioni necessarie al controllo. L insieme dei valori contenuti nell'insieme di tutti i registri in un dato istante dell elaborazione viene chiamato contesto 19

20 La CPU I registri della CPU: Registro contatore di programma (PC) contiene l indirizzo di memoria della prossima istruzione da eseguire Registro istruzione corrente (CIR) contiene l istruzione correntemente in esecuzione Registri operandi (A, B) contiene gli operando su cui eseguire la prossima operazione con la ALU Registri di lavoro contengono i dati utilizzati di frequente nelle operazioni o risultati intermedi (in genere i registri operandi e i registri di lavoro sono stati uniti in un unica struttura contenente una serie di registri chiamato banco di registri) Registro di stato (SR) contiene alcune informazioni sull esecuzione dell ultima operazione della ALU (bit di overflow, bit di segno, bit zero) Registro indirizzi (AR) contiene un indirizzo di memoria in cui fare un operazione di lettura/scrittura Registro dati (DR) contiene un dato da trasferire alla memoria o ricevuto dalla memoria Registro interruzioni (INTR) contiene informazioni sullo stato di funzionamento delle periferiche Registro stack pointer (SP) indica l indirizzo di memoria in cima alla stack del programma in esecuzione 20

21 Formato delle istruzioni in linguaggio macchina Costituite (ovviamente) da sequenze di 0 e 1 Campo codice operativo (obbligatorio) specifica l operazione da eseguire Campo operandi (facoltativo) indica i dati da utilizzare (gli operandi possono essere uno o due) Può contenere direttamente il valore o l indirizzo della cella che contiene il valore (riferimento a una variabile) FORMATO ISTRUZIONE: Cod. operativo Operandi 21

22 Formato delle istruzioni in linguaggio macchina Istruzioni di elaborazione dei dati Eseguono un operazione aritmetico/logica/relazionale su due dati specificati in due registri (in genere A e B) o in un registro ed una costante e salvano il risultato in un registro (A) Istruzioni di trasferimento dei dati Eseguono un operazione di trasferimento di un dato da un registro di lavoro alla memoria o viceversa Istruzioni di salto (modifica del flusso di controllo) Valutano una condizione semplice (in genere confrontano il contenuto di un registro con il valore 0) e se la condizione risulta vera modificano il contenuto del registro PC con un valore contenuto in un altro registro o specificato nell istruzione stessa 22

23 Fasi del Ciclo di CPU La CPU esegue ciclicamente tre fasi Durante una fase viene eseguita un istruzione Prelievo (o Fetch): Contenuto di registro PC trasferito in registro AR Lettura da memoria centrale trasferito in registro DR Contenuto del registro DR trasferito in registro CIR Incremento del contenuto di registro PC Decodifica: interpretazione codice operativo Esecuzione: attivazione esecuzione pertinente all operazione Dipendono dal tipo di istruzione 23

24 Fasi del Ciclo di CPU Esecuzione delle istruzioni di elaborazione Il contenuto di due registri (A e B o anche un registro di lavoro) viene inviato alla ALU L ALU esegue l operazione Il risultato viene salvato in un registro di lavoro (A o B o un altro registro di lavoro) Esecuzione delle istruzioni di scrittura in memoria Il contenuto di un registro di lavoro viene trasferito al registro DR L indirizzo viene trasferito nel registro AR Viene richiesta l operazione di scrittura Esecuzione delle istruzioni di lettura da memoria L indirizzo viene trasferito nel registro AR Viene richiesta l operazione di lettura Il contenuto del registro DR viene trasferito in un registro di lavoro Esecuzione delle istruzioni di salto Il contenuto di un registro viene inviato alla ALU La ALU valuta la condizione (e.g. valore del registro == 0?) Se il risultato è vero (si controlla il registro di stato), il contenuto del registro PC viene modificato copiandoci il contenuto di un altro registro di lavoro o una costante specificata nell istruzione 24

25 Esempio di esecuzione di un programma Esempio di codice C: scanf( %d,&a); scanf( %d,&b); scanf( %d,&c); scanf( %d,&d); z=(a+b)*(c+d); printf( %d,z); 25

26 Esempio di esecuzione di un programma Codice macchina risultante: Leggi un valore dall input e mettilo nella cella 16 (a) Leggi un valore dall input e mettilo nella cella 17 (b) Leggi un valore dall input e mettilo nella cella 18 (c) Leggi un valore dall input e mettilo nella cella 19 (d) Carica il contenuto della cella 16 (a) nel registro A Carica il contenuto della cella 17 (b) nel registro B Somma i registri A e B Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris.parziale) Carica il contenito della cella 18 (c) nel registro A Carica il contenito della cella 19 (d) nel registro B Somma i registri A e B Carica il contenuto della cella 20 (z) (ris. parziale) in B Moltiplica i registri A e B Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris. totale) Scrivi il contenuto della cella 20 (z) (ris. totale) in output Halt 26

27 Esempio di esecuzione di un programma Organizzazione dei Cella 0 1 dati in memoria: Spazio riservato per a 16 Spazio riservato per b 17 Spazio riservato per c 18 Spazio riservato per d 19 Spazio riservato per z

28 Esempio di esecuzione di un programma Fetch della prima istruzione: Passo 1 0 Memoria centrale (MM) Passo 2 PC Passo 4 Il valore di PC viene incrementato AR DR Passo 3 CIR

29 Esempio di esecuzione di un programma Decode della prima istruzione: CIR Codice operativo 0100 = leggi da input 29

30 Esempio di esecuzione di un programma Execute della prima istruzione: Indirizzo operando = cella 16 0 Memoria centrale (MM) Passo 3 CIR Passo 1 AR Passo 2 DR Valore di a letto dall input (es. 4127) PDR

31 Architettura del calcolatore CPU RAM MEMORIA CENTRALE BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO MM INPUT INPUT OUTPUT INTERFACCE UNITA PERIFERICHE 31

32 Il bus di sistema Insieme di connettori (conduttori elettrici) che trasportano bit di informazioni collegando fra di loro l unità di elaborazione, la memoria e le varie interfacce di ingresso/uscita I trasferimenti sono gestiti dalla CPU (modalità master/slave) e si chiamano cicli del bus, che con la sua capacità ne determina la velocità 32

33 Componenti del bus di sistema Bus Dati Trasferisce dati da master a slave e viceversa Bus Indirizzi Trasferisce indirizzi, per esempio l indirizzo di un dato dal registro indirizzi alla memoria, per accedere al dato stesso Bus di Controllo Read/Write Errore Richiesta e risposta (lavoro eseguito) Memoria o I/O 33

34 Componenti del bus di sistema Registro contatore di programma (PC) Registro interruzioni (INTR) Registro di stato (SR) A B Unità aritmetico logica (ALU) CPU Registro istruzione corrente (CIR) Clock Unità di controllo (CU) Registro dati (DR) Registro indirizzi (AR) Bus di sistema 34

35 Operazioni di trasferimento sul bus Operazione di lettura da memoria centrale (LOAD): 1. la CPU carica l indirizzo della parola di memoria nel registro AR e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi 2. la CPU invia il comando di Read Memory sul bus di controllo 3. la memoria trasmette sul bus dati il contenuto della parola verso il registro DR 4. la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l operazione è stata completata con successo: il dato si trova nel registro dati 35

36 Operazioni di trasferimento sul bus Passo 3 PC INTR CIR SR A B Ck ALU CU Passo 1 0 Passo 2 Passo DR 42 AR READ OK 36

37 Operazioni di trasferimento sul bus Operazione di scrittura in memoria centrale (STORE): 1. la CPU carica indirizzo della parola di memoria dove si vuole scrivere nel registro AR e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi 2. la CPU carica nel registro DR la parola da scrivere in memoria 3. la CPU invia il comando di Write Memory sul bus di controllo 4. la CPU trasmette sul bus dati il contenuto del registro DR verso l indirizzo di memoria segnalato 5. la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l operazione è stata completata con successo: il dato si trova nella parola di memoria destinazione 37

38 Operazioni di trasferimento sul bus Passo 2 PC INTR CIR SR A B Ck ALU CU Passo 1 0 Passo 3 Passo Passo 4 DR 70 AR WRITE OK 38

39 Architettura del calcolatore CPU RAM MEMORIA CENTRALE BUS INDIRIZZI BUS DATI BUS DI CONTROLLO MM INPUT INPUT OUTPUT INTERFACCE UNITA PERIFERICHE 39

40 Interfacce di I/O Consentono il collegamento tra elaboratore e periferiche Possono essere dispositivi elettromeccanici Contengono registri accessibili dalla CPU per Inviare comandi alla periferica Registro comandi periferica (PCR) collegato al bus di controllo Scambiare dati Registro dati della periferica (PDR) collegato al bus dati Controllare il funzionamento della periferica Registro stato periferica (PSR) pronto, occupato, errore,... Interfaccia periferica 1 Peripheral Data Register (PDR) Peripheral Command Register (PCR) Peripheral State Register (PSR) Bus di sistema 40

41 Il sistema operativo Il sistema operativo è un programma che viene utilizzato per far fronte alla complessità della gestione del calcolatore Obiettivi: Gestione delle risorse Fornire una visione di macchina semplificata ed estesa ad i programmi in esecuzione Macchina semplificata: fornisce ai programmi una serie di funzioni di alto livello per interagire con il calcolatore Macchina estesa: mostra al programma una macchina con maggiori risorse rispetto a quelle reali Funzioni: Gestione dei processi: gestisce più programmi in esecuzione contemporaneamente Gestione della memoria: gestisce la memoria principale che viene utilizzata dai programmi in esecuzione Gestione dei dispositivi: fornisce un interfaccia semplificata (basata su driver) per l utilizzo delle periferiche Gestione del file system: organizza in modo strutturato le informazioni sulla memoria di massa 41