Architettura di von Neumann
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- Agostina Bianchi
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1 Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 Architettura di von Neumann Stefano Ferrari UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO DIPARTIMENTO DI TECNOLOGIE DELL INFORMAZIONE Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 1/26 Scomposizione funzionale Il calcolatore può essere descritto scomponendolo iterativamente in una gerarchia di sottosistemi. Ogni componente: è responsabile di una funzionalità; interagisce con gli altri componenti e con l ambiente; è, a sua volta, dotato di una struttura interna. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 2/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 1
2 Funzionalità principali Le funzionalità principali sono: scambio dati con l esterno; memorizzazione; elaborazione; controllo. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 3/26 Trasferimento dati È la funzionalità che consente di scambiare dati con l esterno: input/output(i/o). Si realizza mediante: dispositivi di I/O; connessione in rete. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 4/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 2
3 Memorizzazione Vi sono almeno due tipi di memorizzazione: a breve termine; a lungo termine. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 5/26 Elaborazione Risulta come compromesso tra le diverse caratteristiche di un calcolatore: flessibilità; modularità; scalabilità; standardizzazione; costo; semplicità; disponibilità di applicazioni. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 6/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 3
4 Controllo È esercitato da: utente(ad alto livello); CPU(a basso livello); unità di controllo(a bassissimo livello). Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 7/26 Calcolatore programmabile Il calcolatore è una macchina estremamente flessibile: le funzionalità vengono fornite dall hardware; la specializzazione viene fornita dal software. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 8/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 4
5 Architettura di von Neumann La cosidetta architettura di von Neumann si compone di: una unità elaborazione centrale(central Processing Unit CPU); un dispositivo di memoria, costituito da un insieme di elementi identificabili tramite il loro indirizzo; alcuni dispositivi, detti periferiche, per l interazione con l esterno; una linea di interconnessione, detta bus, con modalità master/slave. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 9/26 CPU È il componente principale, a cui sono affidate le funzioni di: controllo; coordinamento; elaborazione. La tecnologia realizzativa è la microelettronica, le CPU vengono chiamate microprocessori. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 10/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 5
6 Memoria centrale La memoria centrale: ospita i dati coinvolti nell elaborazione(talvolta anche quelli delle periferiche); è costituita da insieme di celle adiacenti, ognuna delle quali è identificata da un indirizzo numerico. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 11/26 Periferiche Le periferiche: interagiscono con l utente(e l ambiente); comunicano tramite l interfaccia di I/O. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 12/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 6
7 Bus Ilbusèunalineaacuisonocollegate contemporaneamente diverse unità: lacpusvolgeilruolodimaster; le altre unità funzionano da slave. Architettura master/slave vantaggi semplicità; estendibilità; standardizzabilità; svantaggi lentezza; capacità del canale limitante; sovraccarico CPU. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 13/26 Bus Sul bus transitano informazioni di tre tipi: dati; indirizzi; segnali di controllo. Esse viaggiano su linee separate. Pertanto, il bus è scomponibile in: bus dati; bus indirizzi; bus controllo. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 14/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 7
8 Esecutore L idea fondamentale ancora oggi seguita nella realizzazione dei sistemi di calcolo: codificare le istruzioni in forma numerica; inserirle nella memoria centrale. Nella macchina di von Neumann: dati e istruzioni memorizzati in un unica memoria che permette lettura e scrittura; la memoria è costituita da celle uguali, indirizzate dalla loro posizione; le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 15/26 Linguaggio macchina I programmi vengono codificati in un linguaggio detto linguaggio macchina, o assembly, caratterizzato da: assenza di struttura o tipo di dato; istruzioni semplici e in numero ridotto; istruzioni composte dall identificativo dell operazione più eventuali operandi: esempio: <Somma> <Reg1> <Reg2>. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 16/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 8
9 Codice operativo Il codice operativo è il valore numerico che identifica l operazione effettuata da una istruzione assembly. Sihache: CPU della stessa famiglia hanno lo stesso codice operativo; CPU di diversi produttori possono adottare lo stesso codice operativo(compatibilità). Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 17/26 Esecuzione del programma Quandoilprogrammaeidatirisiedonoinmemoria,la CPU opera in modo ciclico: viene recuperata dalla memoria l istruzione da eseguire(fetch); viene decodificata(decode); vengono eseguite le operazioni che compongono l istruzione(execute). Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 18/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 9
10 CPU È composta da: ALU(Arithmetic-Logic Unit) registri: Program Counter(PC) bus dati bus indirizzi bus controllo MDR MAR Instruction Register(IR) Memory Address Register(MAR) IR UC PC PSW Memory Data Register(MDR) Processor Status Word(PSW) Registri di lavoro unità di controllo CPU REG 1... REG N b a d ALU c e Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 19/26 Fetch Nella fase di fetch: 1.l UCmettePCinMAR; 2.l UCmetteilcomandodi lettura sul bus controllo; bus dati bus indirizzi bus controllo MDR IR UC MAR PC PSW 3.MDRvienemessoinIR incremento di PC. CPU REG 1... REG N b a d ALU c e Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 20/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 10
11 Memoria Si divide in: memoria centrale; memoria di massa. Si classifica per: velocità d accesso; densità; volatilità; costo per bit. Diverse tecnologie hanno caratteristiche diverse. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 21/26 Gerarchia di memoria Dalla più rapida alla più lenta: memoria interna alla CPU: registri, cache(a volte è esterna,manonpassaperilbus); memoria interna al calcolatore: memoria centrale; memoria esterna al calcolatore: memoria di massa (dischi, nastri). L uso della della cache è motivato dalle proprietà di località spaziale e temporale degli accessi a memoria. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 22/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 11
12 Periferiche Modalità: seriale(usb, Firewire, Bluetooth); parallela. Interfaccia di I/O è composta da: registro dati; registro di controllo; registro di stato. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 23/26 Controllo delle periferiche Ci sono due modalità di controllo delle periferiche: in modalità memory mapped, la CPU accede ai registri della periferica con un operazione di lettura o scritturainmemoria,malofainindirizzichela memoria non riconosce come propri; tramite istruzioni dedicate, previste nell instruction set della CPU. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 24/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 12
13 Modalità di I/O Gestione I/O a controllo di programma: la CPU controlla direttamente lo stato della periferica (polling). Gestione I/O a interrupt: la periferica avvisa la CPU. Gestione I/O tramite DMA: la CPU controlla il controllore DMA. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 25/26 Approfondimento Istruzioni particolari possono alterare il prelievo delle istruzioni da celle consecutive(e quindi la sequenzialità): istruzioni di salto; istruzioni di chiamata a sotto-programmi; istruzioni di interruzione. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Fondamenti di Informatica per la Sicurezza Architettura di von Neumann a.a. 2007/08- p. 26/26 Stefano Ferrari Fondamenti di Informatica per la Sicurezza a.a. 2007/08 13
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