CALCOLATORI ELETTRONICI A cura di Luca Orrù

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1 Lezione 1 Obiettivi del corso Il corso si propone di descrivere i principi generali delle architetture di calcolo (collegamento tra l hardware e il software). Sommario 1. Tecniche di descrizione (necessarie per poter progettare e fare l analisi dei calcolatori; 2. Architettura generale di una CPU, con particolare riferimento alla descrizione del percorso dati e dell Controllo; 3. Gerarchia di memoria (le sue prestazioni sono fondamentali) 4. Il sottosistema Ingresso/Uscita per descrivere l interazione del calcolatore con il mondo esterno; 5. Il Bus di sistema o sistema d interconnessione; 6. Motivazioni che hanno portato allo sviluppo dei processori RISC e superscalari (sistemi ad elevate prestazioni) Testi di riferimento Giacomo Bucci, Architettura dei calcolatori elettronici, McGrawHill 2001 Introduzione all architettura dei calcolatori, McGrawHill, V.Carl Hamacher J.P Heyes Computer Architecture Si consiglia inoltre di studiare le dispense di Prof. Sonza Reorda docente del corso. 1

2 Sommario lezione n.1 Un po di storia dei calcolatori Modelli e tecniche di descrizione per capire i sistemi di calcolo Livelli di astrazione: logico, RTL, funzionale (prima tecnica di descrizione) Negli anni 800 e precisamente nel 1832, le prime macchine di calcolo erano di tipo meccanico. I veri predecessori delle macchine attuali erano però stati costruiti durante la seconda guerra mondiale. Queste macchine erano state create per scopi militari e precisamente per il calcolo di tabelle di tiro per l artiglieria. Una delle prime macchine di una certa rilevanza fu l ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). L Eniac fu costruito all Università della Pensylvenia tra il 1943 e il 1946; pesava circa 30 tonnellate ed era costituito da tubi a vuoto. La sua capacità di calcolo può essere paragonata a quella di un Game Boy odierno. Il primo modello di calcolatore fu quello di Von Neumann ( ) Lo schema a blocchi rappresentativo di questo modello è il seguente: Preleva istruzioni dalla memoria CPU Memoria Programmi e dati Dati controllo calcolo Sistemi di I/O Dall unità di Input/Output verso la CPU Dalla CPU verso Input/output 2

3 I dati e i programmi sono memorizzati nella stessa memoria e ad essi si accede allo stesso modo. Attualmente i dati e i programmi sono posti in memoria in aree differenti. La CPU era costituita da un unità di controllo e da un unità di calcolo (ALU). Vediamo ora una classificazione dei calcolatori in funzione delle tecnologie e della velocità. Tecnologia Anno Numero operazioni eseguite al secondo Relè elettromeccanici Tubi a vuoto ^3 Transistori ^4 Circuiti integrati a piccola scala ^5 Circuiti integrati a media scala Circuiti integrati VLSI (a grande scala) ^ ^9 La velocità dei calcolatori va di pari passo con lo sviluppo della tecnologia costruttiva. Il primo sistema di elaborazione ad essere costruito fu il mainframe IBM System 360 Mainframe Computer Sistemi di calcolo di grande potenza ma anche di grandi dimensioni (oggi il termine mainframe è sostituito con quello di computer di classe Server). Un Mainframe insieme alle periferiche occupava un intera camera formando un CED (Centro Elaborazione Dati). Era multiprocessore con un numero di processori <10. I Mainframes impegnavano del personale addetto e chi voleva eseguire un elaborazione doveva recarsi presso il centro e far ricorso al personale. I costi erano quindi elevati, e per questo motivo se lo potevano permettere solo banche, università e grandi aziende. Minicomputer Con le nuove tecnologie si riducevano le dimensioni dei sistemi di calcolo. La Digital (DEC) tra il 1968 e il 1980 introdusse sistemi per applicazioni sul campo, basati su tecnologie a bassa scala d integrazione. Macchine che potevano essere messe nelle fabbriche e gestite da persone anche non specializzate. Oggi i minicomputer hanno 1 Tubo a vuoto: dispositivo costituito da un recipiente di vetro al cui interno viene generato un fascio di elettroni tra due elettrodi (anodo e catodo). Questo fascio di elettroni viene sfruttato per la generazione di segnali elettrici. 3

4 capacità di memoria e di calcolo superiori ai PC e vengono usati per esempio per il controllo di una catena di montaggio. Calcolatori personali Sono caratterizzati da costi ridotti. La CPU poteva essere realizzata utilizzando un unica piastrina di silicio e questo ha fatto ridurre le dimensioni. Tra le cause dello sviluppo di questa classe di elaboratori vi è quindi la nascita delle tecnologie che hanno consentito la miniaturizzazione di milioni di transistor in un unico chip dalle dimensioni molto ridotte. Supercalcolatori Per affrontare problemi molto complessi vennero sviluppati i supercalcolatori. Architetture ad elevatissime prestazioni sviluppate con tecnologie specifiche. I supercalcolatori utilizzavano architetture parallele, cioè diverse unità di calcolo che operavano parallelamente. Un esempio di supercalcolatore è il Connection Machine 2. Questi sistemi multiprocessore (migliaia di processori impiegati) non andarono molto avanti. Vennero introdotti i cosiddetti sistemi a Cluster. Sistemi a Cluster Sistemi ad elevate prestazioni, composti da nodi di calcolo. Ogni nodo è un personal computer che interagisce con gli altri personal computer. Si costituiva in tal modo una rete di computer e i costi scesero sensibilmente. I sistemi di supercalcolo sono ora realizzati connettendo in rete nodi di calcolo a loro volta realizzati con sistemi a più CPU. Dopo aver fatto una classificazione dei tipi di elaboratori, passiamo all evoluzione della densità dei circuiti integrati. Evoluzione della densità dei circuiti integrati (C.I) E l evoluzione della complessità dei sistemi di calcolo espressa in numero di componenti elettronici (transistor) presenti su un unica piastrina di silicio (chip). Attualmente le memorie arrivano a 1GB(DRAM), i microprocessori sono a 64bit e il numero di transistor è dell ordine di 10^9.Negli anni 70 le memorie erano attorno a 1kbit, i microprocessori erano a 4 bit e il numero di transistor era dell ordine di 10^3. 4

5 Le ragioni dello sviluppo Lo sviluppo della tecnologia elettronica ha portato i seguenti vantaggi: Diminuzione dei consumi (L Eniac necessitava di una centrale elettrica per alimentarlo) Diminuzione dei costi Miglioramento dell affidabilità (negli anni 40 bisognava cambiare ogni mattina un certo numero di tubi a vuoto). Il miglioramento delle architetture ha portato invece ai seguenti vantaggi: Aumento del parallelismo delle operazioni da 4 bit a 64 bit (più velocità) Migliore organizzazione della memoria Modularità e standardizzazione cioè suddivisione dell elaboratore in moduli funzionali (CPU, Memoria etc) 5

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