Architettura dei Calcolatori

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1 Architettura dei Calcolatori Corso di Laurea in Ingegneria Civile Politecnico di Bari Sede di Foggia Fondamenti di Informatica Anno Accademico 2011/2012 docente: Prof. Ing. Michele Salvemini

2 Sommario L'Informatica e l'elaboratore Preistoria e Storia Charles Babbage La macchina alle differenze finite La macchina analitica Ada Lovelace Von Neumann Architettura di Von Neumann Il Processore CU, ALU ed il Clock Registri Architettura Ciclo di istruzione fetchdecode-execute Le Memorie Le Memorie Primarie Le Memorie Secondarie Il Bus Categorie di Bus Load di una cella di memoria Le Periferiche 2/39 Architettura dei Calcolatori

3 L'Informatica e l'elaboratore Informatica scienza preesistente all elaboratore, acronimo di INFORMAzione automatica. Elaboratore mezzo strumentale (macchina) per elaborare automaticamente l informazione con l obiettivo di risolvere differenti problemi. Elaborazione automatica sequenza di trasformazioni delle informazioni (dati) iniziali fornite alla macchina per ottenere la soluzione. Programma sequenza di istruzioni che, se eseguite, generano le suddette trasformaziomi 3/39 Architettura dei Calcolatori

4 L'Informatica e l'elaboratore il concetto di calcolatore/elaboratore 4/39 Architettura dei Calcolatori

5 L'Informatica e l'elaboratore Un Elaboratore quindi È una macchina in grado di elaborare informazione Elabora e memorizza informazioni, rappresentate in un formato digitale binario, sulla base di istruzioni in esso memorizzate. Un insieme di tali istruzioni e detto programma. È Programmabile è possibile cambiare il tipo di elaborazione svolta dalla macchina (e quindi la sua funzione) cambiando il programma contenuto nella macchina. Funzioni legge informazioni di ingresso (dati di input), elabora tali informazioni in base ad un insieme di istruzioni (programma), restituisce le informazioni trasformate (dati di output). 5/39 Architettura dei Calcolatori

6 L'Informatica e l'elaboratore Decomposizione di un calcolatore inteso nella sua globalità: Hardware: la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici ed elettromeccanici. Software: l insieme dei programmi che consentono all hardware di svolgere i vari compiti. 6/39 Architettura dei Calcolatori

7 Preistoria e Storia La storia del calcolo automatico può essere suddivisa in tre grandi fasi La prima comprende l'arco di tempo che va dalla preistoria fino al 1930 l'abaco, il pallottoliere e le macchine calcolatrici La seconda fase è quella dei grandi calcolatori degli anni '40 la terza fase è quella dei computer, quella che arriva fino ai giorni nostri 7/39 Architettura dei Calcolatori

8 Preistoria e Storia Charles Babbage Charles Babbage progettò la Difference Engine Si trattava di un calcolatore che, sfruttando il metodo delle differenze ovvero il metodo grazie al quale le operazioni di moltiplicazione e divisione vengono ridotte alle più semplici addizione e sottrazione; era in grado di svolgere equazioni polinomiali e creare dunque tabelle di polinomi. I motivi che spinsero Babbage all ideazione di questa macchina furono Calcolare tavole astronomiche, calcolare funzioni trigonometriche e logaritmi Fu realizzato un prototipo imperfetto 8/39 Architettura dei Calcolatori

9 Preistoria e Storia Charles Babbage Charles Babbage progetto la macchina analitica una macchina in grado di compiere qualsiasi calcolo programmabile funzionamento a vapore Considerata il primo computer al mondo, consisteva di una unità di calcolo, detta Mulino (Mill) una memoria, costituita da una pila di registri in cui venivano memorizzati dati e risultati intermedi. Una stampante per l output Input / Output (schede perforate) Fu solo progettata 9/39 Architettura dei Calcolatori

10 Preistoria e Storia ADA Lovelace ADA Lovelace (figlia legittima del poeta romantico George Byron) ideò i programmi per la macchina Analitica. E stata quindi la prima programmatrice della storia! A lei si deve l idea di loop e di subroutine. Il linguaggio di programmazione ADA ha preso il nome da lei! 10/39 Architettura dei Calcolatori

11 Preistoria e Storia Von Neumann Nel 1946, presso l Università della Pennsylvania fu costruito per scopi militari, il primo calcolatore elettronico: l ENIAC in grado di effettuare 400 moltiplicazioni al secondo costituito da più di componenti: occupava una superficie di 200 mq e pesava oltre 35 t. 11/39 Architettura dei Calcolatori

12 Preistoria e Storia Von Neumann L'ENIAC consumava molta corrente elettrica secondo la leggenda, ogni volta che lo si accendeva si abbassavano le luci in tutta Filadelfia. Dal punto di vista funzionale le dimensioni della macchina, la frequenza dei guasti e il consumo di energia elettrica erano bazzecole se paragonati alla programmazione necessaria a livello hardware. 12/39 Architettura dei Calcolatori

13 Preistoria e Storia Von Neumann fu l EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer ), progettato dal matematico ungherese Von Neumann, il vero precursore dei moderni computer. Ancora oggi i moderni calcolatori conservano la stessa organizzazione logica del modello di Von Neumann. primo progetto di calcolatore elettronico a programma memorizzato Il punto chiave consisteva nell'inserire i programmi dentro la macchina, non sotto forma di connessioni tra cavi, bensì come cariche elettriche e impulsi. 13/39 Architettura dei Calcolatori

14 Preistoria e Storia Von Neumann Von Neumann decise che le funzioni di base di un calcolatore addizione, sottrazione, fossero inserite nella macchina e diventassero parte integrante della sua struttura fisica; l ordine e le combinazioni d esecuzione variabili; Per far sì che una macchina lavorasse a diversi problemi, non sarebbe più stato necessario modificare la macchina. 14/39 Architettura dei Calcolatori

15 Il modello di Von Neumann L Unità Aritmetica Logica (ALU), esegue calcoli e operazioni logiche L Unità di Controllo (CPU), controlla il funzionamento dell ALU e sincronizza le comunicazioni tra i componenti L Unità di Memoria primaria, ospita in modo temporaneo i dati e le istruzioni (programmi); Le Unità di Input e Output, passando per la CPU immettono dati ed emettono i risultati; 15/39 Architettura dei Calcolatori

16 Architettura di Von Neumann 16/39 Architettura dei Calcolatori

17 Architettura di Von Neumann 17/39 Architettura dei Calcolatori

18 Architettura di Von Neumann 18/39 Architettura dei Calcolatori

19 Architettura di Von Neumann 19/39 Architettura dei Calcolatori

20 Architettura di Von Neumann 20/39 Architettura dei Calcolatori

21 Architettura di Von Neumann 21/39 Architettura dei Calcolatori

22 Il Processore CPU (Central Processing Unit) svolge le principali operazioni di calcolo e di controllo; collocata su un singolo chip e chiamata microprocessore; Interpreta ogni istruzione mediante una sequenza ben definita di operazioni detta ciclo di istruzione; E provvisto di meccanismi idonei a: Estrarre una istruzione (FETCH), Decodificarla (DECODE), Eseguirla (EXECUTE), Determinare la prossima istruzione da eseguire. E costituito da Unità di controllo (CU- Control Unit), Unità di calcolo (ALU -Aritmetic Logic Unit), Registri : Contatore (PC), di istruzione (IR), ecc, Clock 22/39 Architettura dei Calcolatori

23 Il Processore Unità di controllo (CU, Control Unit) controlla e coordina l'attività della CPU. responsabile del trasferimento e della decodifica delle istruzioni dalla memoria centrale ai registri della CPU ALU, Arithmetic Logic Unit Clock esegue le operazioni elementari necessarie per l'esecuzione delle istruzioni (operazioni aritmetiche e confronti sui dati della memoria centrale o dei registri); è l'orologio interno che scandisce la durata di un ciclo di esecuzione, permettendo il sincronismo delle operazioni. La frequenza del clock si misura in Mhz e indica il numero di operazioni elementari eseguite in un secondo: essa fornisce un'idea della velocità di elaborazione del computer; 23/39 Architettura dei Calcolatori

24 Il Processore I Registri Ogni registro è una memoria (Volatile) molto piccola ma veloce, utilizzata per memorizzare all'interno della CPU: dati prelevati dalla memoria e su cui la CPU dovrà lavorare; istruzioni prelevate dalla memoria che la CPU dovrà eseguire; indirizzi di celle di memoria all'interno delle quali ci sono dati o istruzioni da prelevare. alcuni registri MDR (registro dati): in esso transitano le parole da leggere (load) o scrivere (store) nella memoria centrale MAR (registro indirizzi): contiene l indirizzo della cella di memoria coinvolta nell operazione di load o store IR (registro istruzione corrente): contiene l istruzione correntemente in esecuzione PC (registro contatore di programma): contiene l indirizzo della cella di memoria in cui si trova la prossima istruzione da eseguire 24/39 Architettura dei Calcolatori

25 Il Processore - Architettura 25/39 Architettura dei Calcolatori

26 Il Processore il Ciclo di Istruzione 26/39 Architettura dei Calcolatori

27 Il Processore il Ciclo di Istruzione La CU preleva (fetch) l istruzione dalla memoria centrale, utilizzando l indirizzo conservato nel PC, e la trasferisce nel registro IR; 2. Il PC viene incrementato : (PC) = (PC)+1; 3. L istruzione viene decodificata nell IR: si determina il tipo e si indirizza il circuito o il microprogramma che la esegue ; 4. e 5. Se l istruzione usa operandi, si determina dove si trovano, se necessario, vengono trasferiti in registri della ALU (fetch degli operandi); 6. L istruzione viene eseguita; in presenza di operatori aritmetico/logici, gli operandi vengono inviati alla ALU per eseguire l operazione; 7. e 8. I risultati vengono trasferiti in memoria centrale; 9. Si torna al punto 1 e inizia a processare l istruzione successiva puntata dal PC. 27/39 Architettura dei Calcolatori

28 Le Memorie Le memorie si dividono in due livelli gerarchici Memorie primarie Registri Cache Ram (Memoria principale o centrale), Rom, Memorie secondarie o di massa HardDisk, CD ROM, DVD, 28/39 Architettura dei Calcolatori

29 Le Memorie Primarie Le memorie primarie o centrali o principali sono responsabile della memorizzazione delle informazioni relative ad i programmi in esecuzione; organizzata in celle o locazioni a ciascuna cella è associato un indirizzo, che la identifica ciascuna cella è in grado di memorizzare una quantità fissata di memoria (numero di bit), detta parola Ogni cella è caratterizzata da un indirizzo, un numero che identifica la cella e ne consente l accesso un valore, la sequenza di bit memorizzata in essa Memoria a sola lettura (ROM) lettura/scrittura (RAM e Cache Memory) 29/39 Architettura dei Calcolatori

30 Le Memorie Primarie 30/39 Architettura dei Calcolatori

31 Le Memorie Primarie La RAM RAM (Random Access Memory) capacità di memorizzazione espressa in MB o GB i primi computer erano dotati di alcune decine di KB tempo di accesso (tempo medio che intercorre tra la richiesta ed il completamento di una operazione di lettura o scrittura di una cella)espresso in nanosecondi volatile operazioni Memorizzazione o modifica di un valore in una cella (scrittura) accesso al valore memorizzato in una cella (lettura) 31/39 Architettura dei Calcolatori

32 Le Memorie Primarie La ROM e Cache Memory ROM (Read Only Memory) particolare tipo di memoria in cui vengono memorizzate informazioni che possono soltanto essere lette e non modificate Tipici utilizzi Bios (Basic Input output Stream) Schede video, Schede audio Nei primi computer contenevano il sistema operativo (Commodore Vic20, C64, ) non volatile La Cache Memory utilizzata per accelerare l'accesso alle posizioni di memoria RAM usate più frequentemente Si tratta di una piccola quantità di memoria veloce installata direttamente sul processore o nelle sue immediate vicinanze Volatile 32/39 Architettura dei Calcolatori

33 Le Memorie Secondarie Hard Disk Memoria di massa ad accesso casuale; Le informazioni sono raggruppate in file gestiti dal sistema operativo; Internamente è costituito da più supporti circolari rigidi, chiamati piatti (in genere in lega di alluminio), impilati su un unico asse centrale ed organizzati in tracce concentriche e in settori; Meccanismo di memorizzazione di tipo magnetico; Tempi di accesso dell ordine di decine di millisecondi; Attualmente gli HD permettono di archiviare centinaia di GB (gigabyte) di dati (> di byte o caratteri). 33/39 Architettura dei Calcolatori

34 Le Memorie Secondarie Hard Disk Struttura di un piatto A) Traccia B) Settore C) Settore di una traccia D) Cluster, insieme di settori contigui 34/39 Architettura dei Calcolatori

35 Le Memorie Secondarie Gerarchia Capacità inversamente proporzionale alla velocità di accesso 35/39 Architettura dei Calcolatori

36 Il Bus Il BUS è un insieme di linee per la trasmissione dei dati tra le varie componenti Una trasmette, l altra riceve: Master e Slave Le possibili interconnessioni sono: tra l unità di elaborazione e la memoria, oppure tra l unità di elaborazione e l interfaccia di una specifica periferica Costituito da un insieme di connessioni elementari, suddivise in tre categorie a seconda del tipo di informazione trasportata Bus dati: bidirezionale Bus Indirizzi: unidirezionale Bus Controllo: bidirezionale 36/39 Architettura dei Calcolatori

37 Bus dati Per la trasmissione di dati dall unità master all unità slave o viceversa Bus indirizzi Per la trasmissione di indirizzi di memoria centrale Bus di controllo Per la trasmissione di comandi ed informazioni di controllo alle varie unità, in particolare: trasmette dall unità master all unità slave un codice corrispondente all istruzione da eseguire; dall unità slave all unità master informazioni relative all avvenuto completamento dell operazione richiesta; 37/39 Architettura dei Calcolatori

38 Il Bus - Load di Una Cella di Memoria 38/39 Architettura dei Calcolatori

39 Le Periferiche Un calcolatore è generalmente collegato a vari dispositivi di ingresso e uscita (chiamati periferiche) Esempi: tastiera, mouse, schermo, stampanti, modem; Consentono la comunicazione dell elaboratore con l esterno ed in particolare la lettura di dati in input e la restituzione dei risultati delle elaborazioni in output; Ogni periferica è controllata con un opportuna interfaccia; 39/39 Architettura dei Calcolatori