Architettura di un elaboratore. Il modello di von Neumann
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- Giulia Pavone
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1 Architettura di un elaboratore Il modello di von Neumann
2 4(5) componenti fondamentali unita di elaborazione: CPU memoria centrale: RAM periferiche (memoria di massa) bus di sistema
3 bus di sistema CPU RAM
4 CPU elettronica interpreta le istruzioni del linguaggio macchina accede alle locazioni di memoria della memoria centrale una delle componenti piu importanti è la ALU (Arithmetic Logic Unit)... è il processore (Intel Core i7, Penthium, G4, Celeron, Athlon, Centrino, ecc.)
5 Memoria centrale contiene le informazioni che servono durante la computazione è elettronica è ad accesso casuale (random) contiene i programmi e i dati durante l elaborazione Esempio: come sto usando la RAM del mio pc adesso?
6 Periferiche memorie di massa: dischi, cd-rom, floppy, nastri, ecc. Servono a memorizzare i dati da una sessione all altra. video tastiere, mouse, trackpad, ecc. stampanti scanner ecc.
7 Il funzionamento della macchina di von Neumann CPU estrae i le istruzioni e i dati dalla RAM CPU decodifica ed esegue le istruzioni istruzioni di calcolo: CPU scrive i risultati istruzioni di trasferimento: CPU coordina il trasferimento dalle periferiche
8 Sincronizzazione Le operazioni della CPU devono essere sincronizzate con le operazioni delle altre componenti: Clock di sistema determina la durata dell intervallo di tempo necessario per una singola operazione Esempio: determiniamo il clock di questo computer
9 Codifica dei dati e delle istruzioni Tutte le informazioni vengono rappresentate mediante sequenze di 0 e di 1 (bit: Binary DigiT) Altra unita di misura utilizzata: byte (sequenza di otto bit)
10 Quanti bit mi servono? 1 bit: due informazioni 2 bit: quattro informazioni 3 bit: otto informazioni... 8 bit (un byte): 256 informazioni
11 Kilo byte 2 10 (1024) B Mega byte 2 10 (1024) K Giga byte 2 10 (1024) M Tera byte 2 10 (1024) G Quasi tutte le dimensioni si esprimono in bytes. Esempio: dimensioni della RAM e del disco di questo calcolatore. RAM 2048 MB (perche?) disco GB
12 Kilo byte 2 10 (1024) B Mega byte 2 10 (1024) K Giga byte 2 10 (1024) M Tera byte 2 10 (1024) G Quasi tutte le dimensioni si esprimono in bytes. Esempio: dimensioni della RAM e del disco di questo calcolatore. RAM 2048 MB (perchè?) disco GB
13 Rappresentazione dell informazione numerica Numeri naturali: (semplice) rappresentazione binaria Numeri interi: uso il primo bit per il segno Numeri reali: virgola fissa: un intero (parte intera) e un razionale (parte decimale) virgola mobile: mantissa ed esponente
14 Rappresentazione dei caratteri Codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange) 7 bit, 128 combinazioni, codifico lettere maiuscole, minuscole e digit da 0 a 9... non e l unico ma gli altri differiscono di poco.
15 Istruzioni sequenze di bit costituite di due parti: Codice operativo Operando
16 Organizzazione della RAM Parola (word) del calcolatore La RAM e una sequenza di word (più sono meglio è) bit1 bit2 bit3 bit32 prima parola seconda parola terza parola... parole da 32 bit
17 registro degli indirizzi (AR) k bit indirizzano 2 k parole l indirizzamento permette la lettura/scrittura di celle di memoria i dati vengono mantenuti nel registro dei dati (DR) lettura: loading scrittura: storing
18 0 AR... k = bit 32 bit... RAM... DR lett. scritt
19 Bus di sistema Serve (essenzialmente all unità di elaborazione, CPU) per comunicare In generale comunicano un master e uno slave È composto di piu (sotto)bus: bus di dati (trasferisce dati) bus di indirizzi (trasferisce...) bus di controlli (...)
20 Esempio: operazione di lettura dalla RAM master: CPU slave: RAM quattro fasi: la CPU carica l indirizzo della parola da leggere in AR e lo manda sul bus degli indirizzi richiesta di lettura: la CPU manda l istruzione di lettura sul bus dei controlli
21 a questo punto la RAM diventa master e la CPU slave e la RAM mette sul bus dei dati il contenuto della parola indirizzata e la spedisce in DR la RAM mette sul bus dei controlli l istruzione che segnala il termine... è necessario sincronizzare le operazioni
22 Componenti della CPU Unità di controllo Orologio di sistema Unità aritmetico logica (ALU) Registri (per l accesso veloce) DR (h bit), AR (k bit) Registro Istruzione corrente (CIR) (h bit) Program counter (PC) (k bit) Registo delle interruzioni (INTR) Registri operandi ALU: A e B Registri di lavoro e registro di stato (SR)
23 SR ALU A PC INTR B CIR working clock U.di Controllo working DR AR
24
25 Periferiche e loro interfacce Per comunicare con le periferiche si usano piccole CPU dedicate: interfacce (intelligenti) Le interfacce sono dotate di unità di controllo proprie e di registri
26 Registri per le interfacce I/O Registro dati della periferica (PDR) manda i dati sul bus dei controlli Registro comando della periferica (PCR) manda i valori sul bus dei controlli Registro di stato della periferica (PSR) contiene informazioni sullo stato della periferica e può essere collegato direttamente al registro INTR
27 Esecuzione: tre fasi per ogni istruzione fetch: carico l istruzione interpretazione: determino il tipo di istruzione e gli operandi esecuzione: eseguo l istruzione sugli operandi determinati al passo precedente... ciclo della CPU
28 Esempio Programma per il calcolo dell espressione (a+b)*(c+d) k = 10, h = 16, a, b, c, d letti dallo standard I Fetch della prima istruzione: PC AR carica l istruzione all indirizzo 0 nei registri
29 0 DR bit CIR RAM a questo punto e finita la fase di fetch e devo interpretare: (i primi 6 bit nel CIR) corrispondono a leggi (gli ultimi 10 bit nel CIR) corrispondono alla cella numero 16 esecuzione
30 AR DR RAM PDR
31 Esercizi Completare l esempio Seguire un esempio che faccia uso di istruzioni di branching (i.e. che modificano il contenuto del PC) Come si implementano le istruzioni iterative?
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