Struttura del Sistema di Elaborazione

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1 Struttura del Sistema di Elaborazione 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 1

2 Tipica struttura a livelli Il livello 2 è il più basso al quale un utente può programmare la macchina Normalmente la programma a livello 5 Non tutti i sistemi hanno il livello 1 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 2

3 Struttura del computer PC: Program Counter IR: Instruction Register A: Accumulator 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 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 3

4 Struttura della CPU Esecuzione di operazioni aritmetiche e logiche sui dati contenuti nei registri Spostamento di dati fra registri e fra registri e memoria Ciclo elementare: due operandi sono inviati alla ALU e il risultato è messo in un registro 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 4

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 calcolane l indirizzo 5. Carica l operando in un registro 6. Esegui l istruzione (Execute) 7. Torna al passo 1. Per l esecuzione dell istruzione successiva 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 5

6 Vari Tipi di Parallelismo Il parallelismo è ormai l unica strada per aumentare le prestazioni Limite di un esecuzione sequenziale: velocità della luce (30 cm in 1 ns) Due tipi di parallelismo: 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 6

7 Vari Tipi di Parallelismo A) A livello di istruzioni(pipeline) Diverse istruzioni eseguite insieme Diverse fasi della stessa istruzione eseguite concorrentemente B) 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) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 7

8 Vari Tipi di Parallelismo ma non posso esagerare perchè avrei grossi problemi di gestione dei conflitti per i troppi accessi contemporanei ai registri di cui parleremo in seguito 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 8

9 Pipelining Una istruzione, 5 Stati, 5 clock Senza pipelining, ogni clock attiva un solo stato S1 Istr 1 S2 Istr 1 S3 Istr 1 S4 Istr 1 S5 Istr 1 T1 T2 T3 T4 T5 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 9

10 Pipelining Tutte le celle bianche vogliono dire Stato Inattivo!! S1 Istr 1 S2 Istr 1 S3 Istr 1 S4 Istr 1 S5 Istr 1 T1 T2 T3 T4 T5 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 10

11 Pipelining Riempio gli Stati Inattivi, parallelizzo le attività, ogni clock attiva due stati S1 Istr 1 Istr 2 S2 Istr 1 Istr 2 S3 Istr 1 Istr 2 S4 Istr 1 Istr 2 S5 Istr 1 Istr 2 T1 T2 T3 T4 T5 T6 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 11

12 Pipelining Clock 1 lo stadio S1 lavora alla istruzione 1 e la legge dalla memoria Clock2 lo stadio S2 decodifica l istruzione 1 mentre S1 legge istr. 2 Clock 3 lo stadio S3 legge gli operandi per istruzione 1, S2 decodifica istr. 2 e stadio S1 legge terza istruzione E cosi via 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 12

13 Pipelining Ciascuna istruzione è divisa in fasi L esecuzione avviene in una pipeline (catena di montaggio) a più stadi Più istruzioni in esecuzione contemporanea Una istruzione completata per ogni ciclo 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 13

14 Architetture Superscalari Si aumenta il parallelismo avendo più di una pipeline nel microprocessore Le pipeline possono essere specializzate: Il Pentium ha due pipeline a 5 stadi Una può eseguire solo istr. su interi Problema: compatibilità dell esecuzione parallela Indipendenza tra le istruzioni Ciascuna istruzione non deve utilizzare i risultati dell altra 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 14

15 Reti di calcolatori e cluster I sistemi lavorano in parallelo con diverse specializzazioni 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 15

16 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 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 16

17 La Memoria Centrale ES 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 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 17

18 La Memoria Centrale Memoria come chip ( ormai superata ) Scheda Single Inline Memory Module con fila di connettori solo su un lato ( SIMM ) Scheda Dual Inline Memory Module con fila di conduttori su ambedue i lati( DIMM ) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 18

19 Codici a correzione di errore Le memorie dei calcolatori possono introdurre errori, che debbo cercare di prevenire e correggere parola parola 2 EXCLUSIVE OR Se cambiano 3 bit (3 errori ) passo dalla parola 1 alla parola 2 3bit= distanza Hamming h 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 19

20 Codici a correzione di errore Recupero degli errori hardware tramite codifiche ridondanti Codifiche con n= m+r bit n bit complessivi codifica m bit dati r check bit (ridondanti) Si utilizza solo un sottoinsieme delle codifiche (codifiche valide) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 20

21 Codici a correzione di errore Distanza di Hamming h: minimo numero di bit diversi tra due codifiche valide Per rilevare errori su d bit occorre h>=d+1, infatti: parola parola 2 EXCLUSIVE OR Se cambiano 3 bit (3 errori ) passo dalla parola 1 alla parola 2 Per correggere errori su d bit occorre h>=2d+1 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 21

22 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) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 22

23 Rilevazione di errore singolo (controllo di parità) 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 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 23

24 Rilevazione di errore singolo (controllo di parità) Costruire un codice avente due digit e un bit di parita con parita pari. Determinare le capacita rilevative e correttive del codice 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 24

25 Rilevazione di errore singolo (controllo di parità) Costruire un codice avente due digit e un bit di parità con parità dispari. Determinare le capacità rilevative e correttive del codice 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 25

26 Rilevazione di errore singolo (controllo di parità) Parole di codice X1 00;X2 01;X3 10;X4 11 Parole di codice con Parità pari: X1=(000), X2=(011), X3=(101), X4=(110); Distanze di Hamming: d(x1,x2)=2, d(x1,x3)=2, d(x1,x4)=2, d(x2,x3)=2, d(x2,x4)=2, d(x3,x4)=2; Distanza minima del codice: h=dmin=2; h d +1 d 2 1=1 h 2d +1 2d 2 1=1 d 1/2 Quindi, come avevamo già osservato, un codice a controllo di parità (3,2) può rivelare 1 errore, mentre non può essere utilizzato per la correzione di errori. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 26

27 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 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 27

28 Memorie Cache èvero, più la cache è grande, più migliorano le prestazioni, ma più aumentano i costi 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 28

29 Gerarchie di memoria Capacity (byte) 2 4 Access time (sec) > Scendendo nella gerarchia: Cresce il tempo di accesso Aumenta la capacità Diminuisce il costo per bit Solo il livello più alto della gerarchia è a contatto con la CPU Migrazione dei dati fra livelli della gerarchia 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 29

30 Dischi magnetici Un disco magnetico si compone di uno o piu piatti di alluminio con un rivestimento magnetizzabile. Le testine sono sospese appena al di sopra. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 30

31 Dischi magnetici (2) Cilindro: insieme di tracce sulla stessa verticale Tempo di seek t seek : spostamento delle testine sul cilindro desiderato, dipende in parte dalla distanza (~ 5-10ms) Tempo di latency t lat : spostamento sul settore desiderato (~ 10ms) Tempo di accesso: t acc =t see +t lat 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 31

32 Collegamenti Dischi SATA Una evoluzione del parallel ATA, interfaccia fisica di collegamento dei dischi. Serial ATA è un collegamento seriale - un unico cavo con un minimo di quattro fili crea una connessione puntopunto tra i dispositivi. La velocità di trasferimento Serial ATA è sino a SATA1 1,5 Gb/sec e SATA2 3 Gb/sec. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 32

33 Collegamenti Dischi SCSI SCSI (Small Computer Interface), standard ANSI Controller più intelligente, inizialmente migliori prestazioni Connessione daisy chain Adatto a server. Usato nelle Ws Unix 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 33

34 SCSI E piu di una interfaccia per dischi rigidi. E un BUS a cui si possono collegare un controllore SCSI e fino a sette altri dispositivi ( Dischi, CD, Registratori CD, scanner, Unita Nastro, etc ) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 34

35 Dischi RAID Problema: miglioramento lento delle prestazioni dei dischi (1970: t seek =50ms; 1999 t seek =10ms) Soluzione: RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) Dividere i dati su più dischi Parallelizzare l accesso Aumentare il data rate Introdurre una resistenza ai guasti Contrapposti a SLED (Single Large Expensive Disk) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 35

36 Dischi RAID Data Striping: dati consecutivi nello stesso file vengono affettati e disposti su dischi diversi, dai quali possono essere letti (e scritti) in parallelo 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 36

37 RAID Level 0 Su n dischi si può guadagnare un fattore n sia in lettura che in scrittura Lo MTBF (Mean Time Between Failures) peggiora Non c è ridondanza: non è un vero RAID 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 37

38 RAID Level 1 Ciascun disco è duplicato: shadowing Ottime prestazioni soprattutto in lettura: molte possibilità di bilanciare carico Eccellente resistenza ai guasti 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 38

39 RAID Level 2 Striping a livello di word o di byte Rotazione dei dischi sincronizzata Resiste a guasti semplici Guadagna un fattore 4 in read e write Forte overhead (nell esempio 75%) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 39

40 Raid Level 3 Versione semplificata di RAID 2 Resiste a guasti semplici! Il bit di parità, sapendo quale drive è rotto, consente la correzione Overhead abbastanza contenuto RAID 2 e 3 offrono un eccellente data rate ma permettono di gestire solo una operazione su disco per volta perché ciascuna operazione coinvolge tutti i dischi 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 40

41 RAID 4 e RAID 5 Striping a livello di blocco: drive non sincronizzati RAID 4: la strip nell ultimo disco contiene i bit di parita dell insieme di bit omologhi di tutte le altre strip Resiste a guasti singoli (vedi RAID 3) Se una sola strip è scritta occorre leggere tutte le altre per calcolare la parità Il disco di parità è collo di bottiglia RAID 5 distribuisce le strip di parità 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 41

42 RAID Redundant Array of Inexpensive Disks 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 42

43 RAID Redundant Array of Inexpensive Disks 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 43

44 Dischi ottici: CD-ROM Foto diodo Laser.78µ pit land 1/4 λ Interferenza nelle cavità Standard originariamente introdotto per i CD audio Registrazione basata su pit (bruciatura 1 ) e land ( non bruciatura 0 ) Unica traccia a spirale dal centro ~ giri a ~ 600/mm: lunghezza totale ~5.6Km Rotazione variabile RPM per avere flusso dati uniforme (musica) Si dice che durino 100 anni, vedremo nel /02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 44

45 CD scrivibili e riscrivibili Laser a due potenze (scrivibili): alta (scrive): brucia delle areole nello strato colorato bassa (legge): come nei CD-ROM Solco pre-inciso per guidare il laser Laser a tre potenze (riscrivibili): (supporto due stati amorfo/cristallino) alta (scrive): cristallino amorfo media (cancella): amorfo cristallino bassa (legge): come nei CD-ROM 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 45

46 DVD Digital Versatile Disk Aumento della capacità: Laser λ=.65µ pit piu piccoli.4µ (erano.8µ) Spirale più stretta.74µ (erano 1.6µ) Capacità: 4.7 GB Data rate (1 ): 1.4MB/sec Basta per 133 minuti di film a , compresso con MPEG-2 Ulteriore aumento di capacità: Singola faccia, layer doppio: 8.5 GB Doppia faccia, layer singolo: 9.4 GB Doppia faccia, layer doppio: 17 GB 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 46

47 DVD Digital Versatile Disk la tecnologia dello strato doppio consiste in uno strato riflettente sul fondo coperto da uno strato semiriflettente I dischi a due lati vengono costruiti prendendo due dischi a lato unico e incollandoli insieme sul dorso 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 47

48 Dispositivi di I/O I dispositivi di I/O sono connessi al bus tramite controller I controller gestiscono autonomamente i trasferimenti da e per la memoria: DMA (Direct Memory Access) Possono comunicare con la CPU tramite le interruzioni Il bus è condiviso da CPU e controller, e gli accessi sono regolati da un arbitro 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 48

49 Struttura fisica del PC Un semplice personal computer e dotato di un unico BUS che viene usato per collegare CPU,memoria e dispositivi di I/O(controller e unita ) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 49

50 Struttura fisica del PC La base della struttura è costituita dalla Scheda Madre (Mother Board) Sulla scheda madre sono la CPU, il Chipset, il bus e vari connettori per la memoria e i dispositivi di I/O Il bus è costituito da una serie di piste sul circuito stampato Spesso sono presenti più bus, secondo diversi standard Le carte di I/O vengono inserite nei connettori 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 50

51 Bus PCI EXPRESS Standard di interconnessione al bus, che si espande e raddoppia la velocità di trasferimento dati originali PCI. PCI Express è una connessione seriale a due vie che trasporta i dati in pacchetti, lungo due coppie di collegamento puntopunto, rispetto al bus dati PCI, parallelo ad una via. PCI Express raggiunge 2.5Gb/s per direzione, il che equivale a velocità di trasferimento dati di circa 200 MB/s. PCI Express è stato sviluppato in modo che interconnette periferiche veloci come USB 2.0 e Gigabit Ethernet. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 51

52 Monitors CRT collegati ai PC tramite scheda video con sua RAM a bordo a sua volta collegata al BUS Collegati ai mainframe e minicomputer via RS 232 (locale con cavo o remoto via Modem ) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 52

53 Display Flat Panel Basati sulla conduzione di luce polarizzata da parte dei cristalli liquidi (LCD) Conduzione influenzata da campi elettrici Campi generati da elettrodi trasparenti Problemi: basso contrasto, angolo visuale Display a Matrice Attiva Elementi luminosi (pixel) controllati da una matrice di selezione Molto migliori ma costosi 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 53

54 Stampanti Inkjet Avvolgimento di eccitazione Inchiostro Capillare Goccia Carta Stampanti grafiche: dot/inch Caratteri trattati come immagine Contrazione del capillare per impulsi elettrici nell avvolgimento Teste a più ugelli, si spostano sulla carta Poco costose e silenziose, ma lente Problemi Trascinamento della carta Intasamento degli ugelli Costo delle cartucce Generazione dell immagine, da parte del computer 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 54

55 Stampanti Laser Eccitazione elettrostatica del tamburo di selenio con pennello laser Adesione del toner (polvere elettrostatica) Pressione del tamburo e trasferimento del toner sulla carta a caldo e sua fusione (fissaggio) Vantaggi Silenziose, veloci e precise Maggiori costi fissi, minori marginali 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 55

56 Digital Cameras A digital camera. CCD Charge Couple Device sensibili alla luce. Ogni pixel è costituito da quattro CCD, red, blue e due green per la gestione ottimale del colore. I pixel sono memorizzati nella RAM. Comprimo in JPEG e metto in Flash Memory Collego USB con PC e manipolo con Adobe Photoshop 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 56

57 Modem Informazione binaria trasmessa su linee analogiche modulando una portante Modulazione di ampiezza, frequenza e fase Bit rate: frequenza di invio dei bit Baud rate: frequenza con cui varia il segnale Bit rate tipiche: ~ bits/sec Protocolli V.32 bis V.34 bis Modem programmabili tramite linguaggio standard (AT) ISDN - ADSL 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 57

58 Esercizio Illustrare le principali motivazioni per l utilizzo di architetture di dischi raid al posto di dischi tradizionali ; descrivere e confrontare due diverse architetture RAID, eventualmente riportando delle figure. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 58

59 Esercizio Al momento della esecuzione di un programma, la CPU va prima di tutto a cercare: i dati nella memoria centrale e le istruzioni nella cache L1 i dati nella cache L1 e le istruzioni nella cache L2 i dati e le istruzioni nella memoria cache L1 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 59

60 Esercizio Costruire un codice avente due digit e un bit di parità con parità pari. Determinare le capacità rilevative e correttive del codice 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 60

61 Esercizio Costruire un codice avente due digit e un bit di parità con parità dispari. Determinare le capacità rilevative e correttive del codice 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 61