Il sistema di elaborazione

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1 Il sistema di elaborazione Marco D. Santambrogio Ver. aggiornata al 20 Maggio 2015

2 Un po di logistica 2

3 2ndo Compitino 21 NECST Lab (12.30pm) 22 CG1 (2pm) 22 CG1 (3.30pm) 3

4 Info (con i compitini) ed EIM Avete superato INFO con i compitini? Ricordo che si supera con un tot di 55% 4

5 Info (con i compitini) ed EIM Avete superato INFO con i compitini? Ricordo che si supera con un tot di 55% FINITO!!! 5

6 6

7 Info (con i compitini) ed EIM Avete superato INFO con i compitini? Ricordo che si supera con un tot di 55% Dovete superare EIM nella sessione estiva Ricordo che una sessione = due prove (nello stesso periodo) Ricordo che vi sono 3 sessioni Luglio (estiva), Settembre (autunnale(?)), Febbraio (invernale) 7

8 Lab di EIM Giovedi : Abba' a Conti Lunedi : Core a Luraghi 8

9 Giusto per fare il punto su ven 1945 ENIAC (170m2 30t 20 numeri) Apple ~1980 (16kb) IBM 1981 (64kb) 1960 Burroughs

14 Obiettivi Codifica delle istruzioni e dei dati per l esecuzione automatica Architettura dei calcolatori Struttura e principi di funzionamento della CPU della memoria centrale 14

15 L esecutore Un calcolatore basato sull archite9ura di Von Neumann esegue un programma sulla base dei seguen> principi: da> e istruzioni sono memorizza> in una memoria unica che perme9e sia la scri9ura che la le9ura; i contenu> della memoria sono indirizza> in base alla loro posizione, indipendentemente dal >po di dato o istruzione contenuto; le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale. Il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore è de9o linguaggio macchina. Le istruzioni scri9e in linguaggio macchina sono piu9osto rudimentali: il conce9o di >po di dato è quasi assente, il numero di operandi è limitato (in genere non più di due), il numero di operazioni previste è rido9o. Stru%ura istruzione codice opera1vo dest src1 src2 Linguaggio assemblatore add R01 R02 R03 Linguaggio macchina

16 Ciclo Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute 16

17 Le parti di una CPU Data path (o percorso dei dati) è la parte che si occupa dell effettiva elaborazione dei dati; comprende dispositivi diversi una o più unità aritmetico-logiche, dette ALU (Arithmetic Logic Unit); alcune unità di memorizzazione temporanea, i registri, memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e informazioni di controllo (il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del registro). Unità di controllo coordina le operazioni di tutto il processore (anche quelle del data path!); regola il flusso dei dati e indica quali registri debbano essere collegati agli ingressi e all uscita dell ALU; invia all ALU il codice dell operazione da eseguire; riceve indicazioni sull esito dell operazione appena eseguita dall ALU e gestisce opportunamente queste informazioni; comprende alcuni registri di uso specifico Program Counter (PC) qual è l istruzione successiva; Instruction Register (IR) istruzione in corso d esecuzione; Program Status Word (PSW) 17

18 Data path Registri R00 R01 R02 R03 Registri ingresso ALU Istruzione (e.g. add) esito X Y X Registro uscita ALU A L U X + Y X + Y Y 18

19 Unità di controllo Data path CPU Unità di controllo Bus controllo Bus da> Bus indirizzi Collegamen1 per il trasferimento da1 PSW ALU Collegamen1 per il trasferimento istruzioni IR Registri PC Memoria Collegamen1 di controllo 19

20 Una sequenza di istruzioni Ipo>zziamo che si debba eseguire l istruzione A A + B + C (assegna alla variabile A la somma del contenuto delle variabili A, B e C); le corrisponden> istruzioni in linguaggio macchina si trovino all indirizzo 789, 790, 791, (come riportato nella tabella so9ostante); le variabili A, B e C si trovino rispexvamente nelle celle di memoria 4000 (A), 4004 (B) e 4008 (C). Num Istruzione Commento 789 load R02,4000 trasferisce il contenuto della cella 4000 (A) nel registro R load R03,4004 trasferisce il contenuto della cella 4004 (B) nel registro R add R01,R02,R03 somma il contenuto dei registri R02 e R03 e scrive il risultato in R load R02,4008 trasferisce il contenuto della cella 4008 (C) nel registro R add R01,R01,R02 somma il contenuto dei registri R01 e R02 e scrive il risultato in R store R01,4000 trasferisce il contenuto del registro R01 nella cella 4000 (A) 20

21 Situazione iniziale CPU Memoria Data path Unità di controllo 0789 load R02,4000 ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni R05 R04 R PC R02 R01 R Da> Collegamen1 per il trasferimento da1 Collegamen1 per il trasferimento istruzioni Bus controllo Bus da> Bus indirizzi Collegamen1 di controllo 21

22 Lettura istruzione 0789 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi Istruzioni +1 Da> 22

23 Esecuzione istruzione 0789 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi load R02, Da> 23

24 Lettura istruzione 0790 CPU Memoria Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni load R02,4000 R05 R04 R03 R02 R01 R PC Bus controllo Bus da> Bus indirizzi +1 Da> 24

25 Esecuzione istruzione 0790 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni load R03, R05 R04 R03 R02 R01 R PC Bus controllo Bus da> Bus indirizzi 1492 Da> 25

26 Lettura istruzione 0791 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni load R03,4004 R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi 1492 Da> 26

27 Esecuzione istruzione 0791 CPU Memoria Data path 3410 ALU Registri Unità di controllo esito PSW add IR 0789 load R02, load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni R05 R04 R03 R02 R01 R PC Bus controllo Bus da> Bus indirizzi add R01,R02,R Da> 27

28 Lettura istruzione 0792 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni add R01,R02,R03 R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi 1492 Da> 28

29 Esecuzione istruzione 0792 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni load R02, R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi Da> 29

30 Lettura istruzione 0793 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni load R02,4008 R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi 2006 Da> 30

31 Esecuzione istruzione 0793 CPU Memoria Data path 5416 ALU Registri Unità di controllo esito PSW add IR 0789 load R02, load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 R05 R04 R03 R02 R01 R PC Bus controllo Bus da> Istruzioni Bus indirizzi add R01,R01,R Da> 31

32 Lettura istruzione 0794 CPU Data path Unità di controllo lettura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni add R01,R01,R02 R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi 2006 Da> 32

33 Esecuzione istruzione 0794 CPU Data path Unità di controllo scrittura 0789 load R02,4000 Memoria ALU Registri PSW IR 0790 load R03, add R01,R02,R load R02, add R01,R01,R store R01,4000 Istruzioni R05 R04 R PC R02 R01 R Bus controllo Bus da> Bus indirizzi store R01, Da> 33

34 Ma dati e istruzioni, dove sono salvati? in memoria 34

35 Criteri di caratterizzazione di una memoria Velocità tempo di accesso (access time) (quanto passa tra una richiesta e la relativa risposta) velocità di trasferimento (transfer rate) (quanti byte al secondo si possono trasferire) Volatilità cosa succede quando la memoria non è alimentata? per quanto tempo i dati vi rimangono immagazzinati? Capacità quanti byte può contenere? qual è la dimensione massima? Costo (per bit) Modalità di accesso diretta (o casuale): il tempo di accesso è indipendente dalla posizione sequenziale: il tempo di accesso dipende dalla posizione mista: combinazione dei due casi precedenti associativa: indicato il dato, la memoria risponde indicando l eventuale posizione che il dato occupa in memoria. 35

36 Gerarchia di memoria! Obiettivo: realizzare una memoria grossa e veloce dimensioni pari a circa quelle della memoria grossa; Memorie di gran capacità, relativamente lente, economiche ed accessibili tramite il bus prestazioni pari a circa quelle della memoria veloce. Memorie veloci, integrate nello stesso chip della CPU, ma costose Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il valore dei parametri fondamentali: aumenta il tempo di accesso; aumenta la capacità di memorizzazione; ma diminuisce il costo per bit. 36

37 Una gerarchia di memoria tecnologia magnetica (HD esterni) Supporti esterni tecnologia ottica (CD, DVD) tecnologia elettronica (flash disk) Registri Cache I liv Cache II liv RAM CPU Disco fisso (hard disk) tecnologia magnetica Circuito Integrato (chip) Scheda madre (motherboard) Involucro esterno del calcolatore (case) 37

38 Indirizzi di memoria I bit nelle memorie sono raggruppa> in celle: tu9e le celle sono formate dallo stesso numero di bit; una cella composta da k bit, è in grado di contenere una qualunque tra le 2 k combinazioni diverse di bit. Ogni cella ha un indirizzo: serve come accesso all informazione; in una memoria con N celle gli indirizzi vanno da 0 a N 1. La cella è l unità indirizzabile più piccola. In quasi tux i calcolatori è di 8 bit (un byte). I byte vengono raggruppa> in parole (che oggi sono di 32/64 bit), su cui la CPU esegue le operazioni. 38

39 Organizzazione della memoria parole da 16 bit parole da 12 bit parole da 8 bit 39

40 Organizzazione della memoria Anche gli indirizzi della memoria sono rappresenta> come numeri binari: un indirizzo di M bit consente di indirizzare 2 M celle; per 6 o 8 celle bastano 3 bit, per 12 celle ne servono 4; il numero di bit nell indirizzo determina il numero massimo di celle indirizzabili nella memoria ed è indipendente dal numero di bit per cella (una memoria con 2 12 celle richiede sempre 12 bit di indirizzo, quale che sia la dimensione di una cella). Una memoria può essere organizzata in diversi modi: per esempio, con 96 bit possiamo avere 6 celle di 16 bit (6*16=96), 8 celle di 12 bit (8*12=96) 12 celle di 8 bit (12*8=96). In genere si considerano celle di 8 bit (1 byte). 40

41 Memoria e collegamenti al bus Viene selezionata la parola di indirizzo il contenuto è ; l operazione è di lettura (load) o di scrittura (store) a seconda dei comandi presenti sul bus di controllo 0110 Bus indirizzi DECODIFICATORE linea 0 linea 1 linea 2 linea 3 linea 4 linea 5 linea 6 linea 7 linea 8 linea 9 linea 10 linea 11 linea 12 linea 13 linea 14 linea 15 Bus di controllo linee di selezione parola leggi/scrivi celle di memoria di 8 bit ciascuna parola selezionata Dato (letto o da scrivere) Bus dati 41

42 Gli array Array vettori di elementi indicizzati, omogenei, memorizzati in celle di memoria consecutive Dichiarazione di un array: int vett[3]; È un array di 3 elementi di tipo int Gli elementi di un array sono normali variabili: vett[0] = 3; printf("%d", vett[0]); > 3 scanf("%d", &vett[1]); > 17 vett[1] assume valore 17 42

43 Gli array int a, vett[3]; vett[0] 0A 0B 0C vett[2] 04 0D 05 0E vett[1] 0F 10 a

44 Come opera il calcolatore? int v[100]; alloca memoria per 100 elementi interi, a partire da un certo indirizzo di memoria la dimensione deve essere nota al compilatore deve essere una espressione costante Per accedere all' i-esimo elemento di v calcola l'indice i i può essere un'espressione all indirizzo della prima cella di v somma il numero di celle pari allo spazio occupato da i elementi 44

45 Puntatori premessa Dichiarare una variabile significa riservare una zona di memoria composta da diverse celle Il numero di celle dipende dal tipo di dato (short int 2 byte, float 4 byte, ) Ogni cella di memoria ha un indirizzo fisico e: il nome della variabile indica il contenuto della cella di memoria l operatore & permette di ottenere l indirizzo di memoria della cella associata alla variabile cui l operatore è applicato 45

46 Variabili e indirizzi int var; &var 3 2 var 1 0 Supponiamo che la dichiarazione riservi la zona di memoria all indirizzo 1 var indica il contenuto della cella di memoria &var indica l indirizzo della cella di memoria 46

47 Somma degli elementi di un array di int 47

48 In memoria int dati[dim]; dati[0] 0A 0B 0C dati[2] 04 0D 05 0E dati[1] 0F

49 Giochiamo con gli array e i puntatori 49

50 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; dati[0] 0A 0B 0C dati[2] 04 0D 05 0E dati[1] 0F 10 valori

51 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; 00 int *valori; 09 dati[0]=53 dati[1]=7 dati[2]= A 0B 0C D 05 0E F 10 valori

52 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; 00 int *valori; 09 dati[0]=53 dati[1]=7 dati[2]= A 0B 0C valori=dati; 0D 05 0E F

53 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; 09 0A 0B 0C 0D 0E 11 0F

54 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; Si prende il dato in valori e si somma A 0B 0C 0D 0E 11 0F

55 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; Si prende il dato in valori e si somma 1 Sommare 1 rispetto al tipo di dato a cui punta valori 09 0A 0B 0C 0D 0E 11 0F

56 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; Si prende il dato in valori e si somma 1 Sommare 1 rispetto al tipo di dato a cui punta valori valori punta ad un intero (=4byte) 09 0A 0B 0C 0D 0E 11 0F

57 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; Si prende il dato in valori e si somma 1 Sommare 1 rispetto al tipo di dato a cui punta valori valori punta ad un intero (=4byte) valori contiene A 0B 0C 0D 0E 11 0F

58 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; Si prende il dato in valori e si somma 1 Sommare 1 rispetto al tipo di dato a cui punta valori valori punta ad un intero (=4byte) valori contiene 01 valori++ è 01 + lo spazio per 1 intero 09 0A 0B 0C 0D 0E 11 0F

59 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; Si prende il dato in valori e si somma 1 Sommare 1 rispetto al tipo di dato a cui punta valori valori punta ad un intero (=4byte) valori contiene 01 valori++ è 01 + lo spazio per 1 intero valori++ = = A 0B 0C 0D 0E 11 0F

60 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; int *valori; valori=dati; valori++; Si prende il dato in valori e si somma 1 Sommare 1 rispetto al tipo di dato a cui punta valori 0C valori punta ad un intero (=4byte) 0D 0E valori contiene 01 0F valori++ è 01 + lo spazio per 1 intero 10 valori++ = = A 0B 60

61 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; 00 int *valori; 09 dati[0]=53 dati[1]=7 dati[2]= A 0B 0C 20 valori=dati; valori++; D 0E F

62 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; 00 int *valori; 09 dati[0]=53 dati[1]=7 dati[2]= A 0B 0C 20 valori=dati; valori++; valori++; D 0E 0F

63 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; 00 int *valori; 09 dati[0]=53 dati[1]=7 dati[2]= A 0B 0C 20 valori=dati; valori++; valori++; *valori=43; D 0E 0F

64 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; 00 int *valori; 09 dati[0]=53 dati[1]=7 dati[2]= A 0B 0C 20 valori=dati; valori++; valori++; *valori=43; * 0D 0E 0F

65 In memoria, macchina a 32bit, e.g. x86 int dati[dim]; 00 int *valori; 09 dati[0]=53 dati[1]=7 dati[2]= A 0B 0C 43 valori=dati; valori++; valori++; *valori=43; D 0E 0F

66 Somma degli elementi di un array di int: funzioni 66

71 In memoria int dati[dim]; dati[0] (aka valori[0]) 0A 0B 0C dati[2] (aka valori[2]) 04 0D 05 0E dati[1] (aka valori[1]) 0F

72 Somma degli elementi di un array di int: funzioni con int *valori 72

73 Somma degli elementi di un array di int: funzioni con int *valori 73

74 int *valori Vs int valori[] Accesso tramite array Aritmetica dei puntatori 74

75 Fonti per lo studio + Credits Fonti per lo studio Informatica arte e mestiere, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, McGrawHill Capitolo 2 Introduzione ai sistemi informatici, D. Sciuto, G. Buonanno, L. Mari, 4a Ed, McGrawHill Capitolo 1, 2, 5 The Art & Craft of Computing, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, Addison-Wesley Capitolo 2 Approfondimenti Struttura e progetto dei calcolatori, D. A. Patterson, J. Hennessy, 3a Ed, Zanichelli Capitolo 1, 2 Credits Prof. G. Buonanno e D. Sciuto, LIUC 75