Architettura di un calcolatore

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1 Architettura di un calcolatore Corso di Informatica A Vito Perrone Indice La macchina di Von Neumann Memoria CPU Bus Interfacce Esempio L algoritmo Il programma Fasi di esecuzione di un istruzione 2 1

2 La macchina di Von Neumann Bus di sistema Collegamento Unità di Elaborazione (CPU) Memoria Centrale (MM) Esecuzione istruzioni Memoria di lavoro Interfaccia Periferica P 1 Interfaccia Periferica P 2 Memoria di massa, stampante, terminale 3 La macchina di Von Neumann Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegue Le istruzioni possono comportare operazioni di manipolazione dei dati Oppure operazioni di trasferimento dei dati I trasferimenti di dati attraverso elementi funzionali diversi avvengono attraverso il bus di sistema Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispetto ad un orologio di sistema Durante ogni intervallo di tempo l unità di controllo (parte del processore) stabilisce la funzione da svolgere L intera macchina opera in maniera sequenziale 4 2

3 La memoria centrale (MM) RAM Volatile Dati e ROM e istruzioni 0 1 h = 16 bit Parola (word) Registro indir. (AR) k = 10 bit store load Registro dati (DR) h = 16 bit Indirizzo cella Spazio di indirizzamento 2 10 = Dato da leggere/scrivere 5 La memoria centrale (MM) Il numero di bit che costituiscono l indirizzo di un word all interno della memoria è caratteristico del microprocessore e identifica lo spazio di indirizzamento del microprocessore Esempio: Pentium 32 bit Avendo a disposizione k bit è possibile indirizzare 2 k byte Si ricorda che: 2 10 byte = 1Kilo Byte 2 20 byte = 1Mega Byte 2 30 byte = 1 Giga Byte 2 40 byte = 1Tera Byte 6 3

4 La memoria centrale (MM) La memoria centrale si chiama usualmente ram o memoria ad accesso casuale Viene cosi detta una memoria il cui tempo di accesso sia indipendente dall indirizzo della parola alla quale si vuole accedere Si tratta di una memoria volatile Altri tipi di memoria presenti in un calcolatore sono le rom Hanno caratteristiche generali simili alle ram Un tempo di accesso notevolmente maggiore Si tratta di memorie permanenti Sono tipicamente utilizzate per memorizzare quei dati e programmi che servono al momento dell accensione dell elaboratore, prima del caricamento del S.O. Esempio: Il BIOS (Basic Input Output System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa 7 Operazioni L unità di elaborazione (CPU) Indirizzo prox istruzione Registro contatore di programma (PC) Registro interruzioni (INTR) Registro istruzione corrente (CIR) Istruzione in elaborazione Registro dati (DR) Sincronizzazione Parola letta/da scrivere in MM Registro di stato (SR) A B Clock Registro indirizzi (AR) Stato CPU Flag: C, Z, S, V aritmetiche e logiche Unità aritmetico logica Registri operandi (ALU) Registri generali Unità di controllo (CU) Indirizzo cella MM Controllo: -Prelievo -Decodifica -Esecuzione8 4

5 Il bus di sistema Il bus di sistema collega tra loro i vari elementi del calcolatore In ogni istante il bus è dedicato a collegare due unità, una trasmette ed una riceve Il processore seleziona la connessione da attivare e indica l operazione da svolgere (bus mastering) Il bus è suddiviso in tre insiemi di linee: Bus dati Bus indirizzi Linee di controllo: trasportano informazioni relative alla modalità di trasferimento e alla temporizzazione 9 Il bus di sistema Registro contatore di programma (PC) Registro interruzioni (INTR) Registro istruzione corrente (CIR) Registro di stato (SR) A B Clock Unità aritmetico logica (ALU) Unità di controllo (CU) CPU Registro dati (DR) Registro indirizzi (AR) Bus Master/slave dati, Bus indirizzi, Bus controlli Bus di sistema 10 5

6 Passo 3 PC INTR CIR Sequenza di lettura SR A B Ck ALU CU 0 Passo 1 Passo DR 42 AR 123 READ OK Passo 2 PC INTR CIR Sequenza di scrittura SR 0 Passo 1 A ALU Passo 35 B CU Ck Passo 4 DR 70 AR 123 WRITE OK

7 Le interfacce delle periferiche Si occupa della gestione dello scambio di dati tra processore e periferiche E possibile avere una interfaccia diversa per ogni periferica......ma è più logico avere delle interfacce standard per periferiche simili Esempi di interfacce standard: Interfaccia seriale RS-232-C (mouse, modem,...) Interfaccia PS2 (mouse, tastiera,...) Interfaccia USB (mouse, telecamere, stampanti, scanner,...) Interfaccia parallela Centronix (stampante, scanner,...) Interfaccia ISA (modem, schede audio,...) Interfaccia SCSI (hard-disk, CD-ROM, scanner,...) Interfaccia EIDE (hard-disk, CD_ROM,...) Ogni interfaccia contiene registri per: Inviare comandi alla periferica Scambiare dati Controllare il funzionamento della periferica 13 Le interfacce delle periferiche Interfacccia periferica 1 Interfacccia periferica 2 Peripheral Data Register (PDR) Peripheral Command Register (PCR) Peripheral State Register (PSR) Dato da leggere/scrivere Peripheral Data Register (PDR) Comando da Peripheral eseguire Command Register (PCR) Peripheral State Stato della Register periferica (PSR) Bus di sistema 14 7

8 Le interruzioni Al fine di gestire richieste provenienti dalle periferiche può essere necessario interrompere la normale esecuzione di un programma La periferica segnala sue particolari necessità attraverso una interruzione Ad ogni passo di esecuzione la UC verifica lo stato del registro delle interruzioni Se si è verificata una interruzione: Lo stato del processore (registri) viene salvato in memoria Viene attivata una speciale procedura di gestione delle interruzioni (parte del S.O.) Quando la procedura di gestione delle interruzioni termina lo stato del processore viene ripristinato ed il programma viene ripreso 15 Es.: valutazione di espressione Vogliamo calcolare il valore dell espressione: (a+b) (c+d) leggendo i valori delle variabili a, b, c, d dal dispositivo di ingresso e scrivendo il risultato della valutazione sul dispositivo di uscita. 16 8

9 Un algoritmo generale 1. Leggi dal dispositivo di ingresso il valore delle variabili a, b, c, d 2. Somma il valore di a al valore di b 3. Salva il risultato parziale ottenuto 4. Somma il valore di c al valore di d 5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato 6. Scrivi sul dispositivo di uscita il risultato della valutazione complessiva 7. Termina l esecuzione del programma. 17 L algoritmo dettagliato (1) 1. Scrivi nella cella di memoria centrale riservata al valore della variabile a il valore letto dal dispositivo di ingresso (disponibile nel registro dati della periferica). Fai la stessa cosa per b, c, d 2. Somma il valore di a al valore di b 2.1Copia il contenuto della cella di memoria riservata ad a nel registro A 2.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a b nel registro B 2.3Somma il contenuto dei registri A e B 3. Salva il risultato parziale, contenuto nel registro A, in una cella di memoria predisposta per il risultato (z). 18 9

10 L algoritmo dettagliato (2) 4. Somma il valore di c al valore di d 4.1 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a c nel registro A 4.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a b nel registro B 4.3 Somma il contenuto dei registri A e B 5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato 5.1 Copia il contenuto della cella riservata a z nel registro B (z e B contengono ora a+b, mentre A contiene c+d) 5.2 Moltiplica il contenuto dei registri A e B. 19 L algoritmo dettagliato (3) 6. Scrivi sul dispositivo di uscita il risultato della valutazione complessiva 6.1 Memorizza il risultato appena calcolato (e disponibile nel registro A) nella cella di memoria riservata a z 6.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a z nel registro dati della periferica di uscita 7. Termina l esecuzione del programma

11 Tipologia delle operazioni svolte Operazioni di manipolazione Somma: 2.3, 4.3 Moltiplicazione: 5.2 Operazioni di trasferimento Da periferica-input a MM: 1 Da MM a CPU: 2.1, 2.2, 4.1, 4.2, 5.1 Da CPU a MM: 3, 6.1 Da MM a periferica-output: Le istruzioni macchina Un programma scritto in linguaggio macchina è formato da una sequenza di istruzioni appartenenti al set di istruzioni del particolare processore Ogni istruzione è formata da: Un codice operativo Zero o più operandi Tanto il codice operativo quanto gli operandi sono rappresentati nella memoria del calcolatore sotto forma di numeri binari Data la difficoltà per l uomo di interpretare numeri binari si usa l assembler al posto del linguaggio macchina codice operativo operando(i) 22 11

12 Le istruzioni macchina Il set di istruzioni di un qualsiasi linguaggio macchina può essere diviso in quattro classi principali di istruzioni: Istruzioni per il trasferimento dati tra memoria e registri del processore e viceversa Operazioni aritmetiche e logiche sui dati Istruzioni per il controllo del flusso di programma Istruzioni per la gestione dell I/ O 23 Forma binaria del programma 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 24 12

13 Programma in memoria centrale Cella Spazio riservato per a 16 Spazio riservato per b 17 Spazio riservato per c 18 Spazio riservato per d 19 Spazio riservato per z Fase di fetch 1 a istruzione Passo 1 0 Memoria centrale (MM) Passo 2 PC Passo 4 AR Passo 3 DR CIR

14 Fase di interpretazione 1 a istruzione CIR Codice operativo 0100 = leggi da input 27 Fase di esecuzione 1 a istruzione Indirizzo operando = cella 16 Memoria centrale (MM) 0 Passo 3 CIR Passo 1 AR Passo 2 Valore di a letto dall input (es. 4127) DR PDR

15 Il linguaggio assembler Un esempio (didattico) di assembler potrebbe contenere le seguenti istruzioni: Le istruzioni loada e loadb servono per spostare il contenuto di una cella di memoria nei registri A e B rispettivamente Esempio: loada ind1 Le istruzioni storea e storeb servono per spostare il contenuto dei registri A e B rispettivamente in una cella di memoria il cui indirizzo è indicato come parametro Esempio: storea ind1 Le istruzioni per lo svolgimento delle operazioni aritmetiche di base Operazioni su interi: add, dif, mul, div Operazioni su reali: addr, difr, mulr, divr Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro A Nel caso di divisione tra interi il registro B viene usato per contenere il resto dell operazione 29 Il linguaggio assembler Le istruzioni per lo svolgimento delle operazioni logiche di base and, or, not Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro A Nel caso di operazione not viene usato il solo registro A Le istruzioni per leggere/scrivere su periferiche L istruzione read legge un dato dalla periferica di input e pone il dato letto nella cella di memoria il cui indirizzo viene passato come parametro Esempio: read ind1 L istruzione write scrive il dato presente nella cella di memoria il cui indirizzo viene passato come parametro sulla periferica di output Esempio: write ind1 Le istruzioni per il controllo di flusso L istruzione di salto incondizionato jump salta all indirizzo specificato come parametro L istruzione di salto condizionato jumpz salta all indirizzo specificato come parametro se l ultima operazione matematica ha dato risultato nullo Il processore controlla il valore del registro di stato del processore Il salto viene effettuato solo se il bit di zero vale 1 Altre istruzioni L istruzione halt termina l esecuzione del programma 30 15

16 Linguaggio Macchina, Assembler e C Linguaggio Macchina Linguaggio Assembler READ A READ B READ C READ D LOADA A LOADB B ADD STOREA RIS LOADA C LOADB D ADD LOADB RIS MUL STOREA RIS WRITE RIS HALT INT A INT B INT C INT D INT RIS Linguaggio C int a, b, c, d, ris; scanf("%d%d%d%d", &a, &b, &c, &d); ris = (a+b)*(c+d); printf("ecco il risultato %d", ris); 31 Esercizi 1) Si usi il linguaggio assembler presentato per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video B volte il primo numero A 2) Si usi il linguaggio precedente per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video il prodotto di A per B Non si faccia uso dell istruzione mul ma delle sole istruzioni add e dif 32 16