Architettura del calcolatore Esempi dettagliati di funzionamento interno di memoria e processore
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- Orazio Pala
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1 Corso i Cloltori Elettronii I Arhitettur el loltore Esempi ettgliti i funzionmento interno i memori e proessore ing. Alessnro Cilro Corso i Lure in Ingegneri Biomei
2 Sommrio In quest presentzione verrnno mostrti esempi ettgliti rigurnti: interzione proessore-memori: erzioni i srittur in memori interzione proessore-memori: erzioni i lettur memori rimento e eseuzione i sequenze i istruzioni
3 Esempio i memori i fini ell esempio, onsierimo un memori on un speifi imensione (molto più piol i qunto si inontreree nell reltà)
4 Esempio i memori Cpità totle: 3 yte Si può veere ome un sequenz linere i 3 yte E yte-ressle: l inirizzo si riferise ll posizione el yte ll interno i quest sequenz l inirizzo è 5 it (per inirizzre 3= 5 lozioni) E orgnizzt in prole (wor) ue yte: si può veere ome sequenz i 1 wor 1 it l prol i 1 it è l unità minim on l qule si possono leggere o srivere ti ll esterno ttrverso i us prol (1 it) us ti (ingresso) (1 it) us ti (usit) (1 it) inirizzo (5 it) yte ( it)
5 Esempio i erzione i srittur (1/) Supponimo i voler srivere l seguente prol i 1 it: ll inirizzo 1 in memori immginimo he il proessore usi un onvenzione ig-enin: yte i peso mggiore sono memorizzti in lozioni i inirizzo minore Dt us Aress us nità i ontrollo
6 Esempio i erzione i srittur (/) Dt us Come prim os, il proessore inserise il to srivere in memori nel Memory Buffer () Aress us nità i ontrollo
7 Esempio i erzione i srittur (3/) Suessivmente, il proessore inserise l inirizzo in ui si vuole srivere il to in memori nel Memory Aress () Nell esempio, l inirizzo è (1) 1 = (111) Dt us Aress us nità i ontrollo
8 Esempio i erzione i srittur (/) nità i ontrollo Dt us Infine, il proessore ttiv il segnle per omnre un erzione i srittur ll memori Appen il segnle i si lz, il to è sritto in memori ll inirizzo inito Si noti l orine igenin on ui vengono memorizzti i ue yte: Aress us 1111 è ll inirizzo 15, mentre 1111 ll inirizzo 1.
9 Esempio i erzione i lettur (1/3) Supponimo i vere ei ti già presenti in memori e i voler leggere l prol i ue yte ll inirizzo 1 supponimo sempre he il proessore usi un onvenzione ig-enin Dt us Aress us nità i ontrollo
10 Esempio i erzione i lettur (/3) Come prim os, il proessore inserise nel Memory Aress () l inirizzo ui si vuole leggere il to in memori Nell esempio, l inirizzo è (1) 1 = (11) Dt us Aress us nità i ontrollo
11 Esempio i erzione i lettur (3/3) Infine, il proessore ttiv il segnle per omnre un erzione i lettur ll memori Appen il segnle i si lz, il to è trsferito ll inirizzo inito in memori l registro Si noti l orine igenin on ui sono memorizzti i ue yte Dt us Aress us nità i ontrollo
12 Interfi proessore-memori Oltre ll pi i registri /, il proessore ispone ell pi PC/, he hnno esttmente lo stesso ruolo, m sono usti per leggere istruzioni (e non ti) ll memori. PC memori lettur i istruzioni feth Tipimente non sono usti per sritture, m solo per letture normlmente, le istruzioni non vengono mi moifite
13 Pssimo l proessore PC R R memori O 1 O writ e
14 Struttur el proessore i esempio Quttro registri mhin uso generle i 1 it (R ) progrmmile trmite il segnle per effetture somme, sottrzioni e shift PC e i 5 it: si possono generre 5 =3 inirizzi verso l memori I ti letti ll memori (e quini e ) sono 1 it Registro i stto () on flg i riporto (C) e overflow (V) R R PC O 1 O memori
15 Struttur el proessore i esempio 1 it: l lrghezz ei registri mhin R R PC memori 5 it (per inirizzre 3= 5 lozioni i memori) O 1 O 1 it: l lrghezz i un prol in memori
16 progrmm i esempio Immginimo i voler relizzre il seguente lolo: = *( ) + ove in prtiolre: = ( 131 ) 1 = ( ) = ( 193 ) 1 = ( ) = ( 331 ) 1 = ( ) L moltiplizione per ( = ) si può relizzre trmite uno shift sinistr i ue posizioni Le vriili,,, ontenenti i vlori preeenti, sono memorizzte in tre lozioni istinte i memori. Il risultto srà memorizzto in un ulteriore lozione
17 Implementzione el progrmm Si vuole ottenere: = *( ) + Si suppong he: l vriile si ontenut in memori ll inirizzo, l vriile si ontenut in memori ll inirizzo, l vriile si ontenut in memori ll inirizzo, e he si vogli memorizzre l vriile risultto ll inirizzo 3
18 Vriili in memori (ig-enin) = ( 131 ) 1 = ( ) = ( 193 ) 1 = ( ) = ( 331 ) 1 = ( ) R R O 1 O PC
19 Implementzione el progrmm Doimo relizzre il preeente lolo sfruttno le erzioni elementri messe isposizione l proessore, he sono le seguenti: trsferisi un to un lozione i memori (M) uno ei registri i mhin R, e vievers: es.: M[ 1 ] R, M[ 1 ],. izion i ontenuti i ue ei registri R, es.: R + R sottri i ontenuti i ue ei registri R, es.: R R trnsl (shift) il ontenuto i uno ei registri R, es.: shiftl (R )R (Left-shift, ovvero trnsl R sinistr i un it)
20 Implementzione el progrmm Si vuole ottenere: = *( ) + n possiile progrmm he esegue il preeente lolo è ftto lle seguenti otto istruzioni: M[ ] R (spost, ontenut in mem. ll inirizzo, nel reg. R ) M[ ] (spost, ontenut in mem. ll inirizzo, nel reg. ) R R (sottri il vlore i quello e poni il risultto in R ) (trsl sinistr, ovvero moltipli per, il ontenuto i R ) (trsl sinistr, ovvero moltipli per, il ontenuto i R ) M[ ] R (spost, ontenut in mem. ll inirizzo, nel reg. R ) R + R R (somm on R, ontenente (-) e poni il risultto in R ) R M[ 3 ] (spost il risultto in, orrisponente ll inirizzo 3 in mem.)
21 Progrmm in memori Il progrmm (le otto istruzioni viste prim) è esso stesso immgzzinto in memori Ogni istruzione oup un prol (ue yte) Seglimo i ollore le otto istruzioni nelle prime otto prole in memori (inirizzi,,,,, 1,, 1) M[ ] R M[ ] R R 1 M[ ] R R + R R 1 R M[ 3 ] inirizzo
22 Progrmm in memori R R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
23 Seguimo l eseuzione el preeente progrmm, soffermnoi su ogni psso neessrio per eseguire le sue otto istruzioni Per ominire: riorimo he il ilo el proessore prevee i srivere nel PC l inirizzo ell prossim istruzione rire e eseguire. PC gise esttmente ome il registro, feno riferimento però ll re istruzioni etermin un lettur ll memori verso il registro interno Il progrmm, pertnto, può essere vvito sriveno l inirizzo(quello ell prim istruzione) nel registro PC
24 Prim istruzione Srivimo l inirizzo ell prim istruzione () in PC. Avvimo poi un lettur ttivno il segnle i. Quest lettur rppresent il feth ell istruzione R R PC O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
25 Prim istruzione L istruzione viene trsferit nel registro. Il proessore l legge e etermin i pssi neessri per eseguirl. Qui serve un esso in memori ll inirizzo. R R PC 1 M[ ] R O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
26 Il proessore pone quini il vlore ell inirizzo =(11) ll interno el registro e omn un erzione i lettur () Prim istruzione R R PC 1 11 M[ ] R O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
27 Prim istruzione L memori rispone forneno ll interno i il ontenuto ell lozione (l vriile ) R R PC 1 M[ ] R O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
28 Prim istruzione Infine, il vlore è spostto l registro estinzione inito ll istruzione, ovvero R. L eseuzione ell prim istruzione è omplett! 1111 R PC 1 M[ ] R O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
29 Seon istruzione Si noti he nel frttempo PC è stto inrementto i : or ontiene (1) =. In questo moo, il proesso i feth si può ripetere on l seon istruzione! 1111 R PC 1 M[ ] R O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
30 Seon istruzione L istruzione viene trsferit nel registro. Il proessore l legge e etermin i pssi neessri per eseguirl. Qui serve un esso in memori ll inirizzo R PC 1 M[ ] O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
31 Il proessore pone quini il vlore ell inirizzo =(111) ll interno el registro e omn un erzione i lettur () Seon istruzione 1111 R PC M[ ] O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
32 Seon istruzione L memori rispone forneno ll interno i il ontenuto ell lozione (l vriile ) 1111 R PC 1 M[ ] O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
33 Seon istruzione Infine, il vlore è spostto l registro estinzione inito ll istruzione, ovvero. L eseuzione ell seon istruzione è omplett! R PC 1 M[ ] O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
34 Terz istruzione Nel frttempo PC è stto inrementto i : or ontiene (1) =. In questo moo, il proesso i feth si può ripetere ientio on l terz istruzione! R PC 1 M[ ] O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
35 Terz istruzione L istruzione viene trsferit nel registro. Il proessore l legge e etermin i pssi neessri per eseguirl. Qui viene hiest un sottrzione tr ue registri R PC 11 R R O 1 O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
36 Terz istruzione Per eseguire l sottrzione usno l, il primo psso è spostre gli erni nei suoi registri i ingresso. Viene quini ito il vlore i R in O R PC 11 R R O O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
37 Quini viene ito il vlore i in O Terz istruzione R PC 11 R R O O M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
38 Terz istruzione Viene poi omnt ll l erzione i sottrzione ttrverso il segnle. Il risultto è sritto nel registro i usit. Non si proue né riporto né overflow. R R R R O O =SB 1111 PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
39 Il risultto è infine ito ll usit ell l registro R (il ontenuto preeente viene perso). Questo omplet l terz istruzione. Terz istruzione R R R R O O 1111 PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
40 PC nel frttempo è stto inrementto i e or vle (11) =. Questo permette i rivvire il feth, quest volt on l qurt istruzione. Qurt istruzione R R R R O O 1111 PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
41 Qurt istruzione All interno i viene rit l prossim istruzione. Il proessore l nlizz e si prepr eseguirl. In questo so si trtt i uno shift. R R O O 1111 PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
42 Qurt istruzione Il registro interessto llo shift, ovvero R, viene ito in uno ei registri i ingresso ell R R O O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
43 Qurt istruzione Viene omnt ll un erzione i shift sinistr sul suo erno sinistro O 1. Il risultto è sritto nel registro i usit. Non si è generto riporto. R R O O =LSHIFT PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
44 Qurt istruzione Infine, l usit ell è it nel registro R, ome rihiesto ll istruzione (il ontenuto preeente viene perso). Questo omplet l qurt istruzione. R R O O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
45 PC nel frttempo è stto inrementto i e or vle (1) =. Questo permette i rivvire il feth, quest volt on l quint istruzione. Quint istruzione R R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
46 Quint istruzione All interno i viene rit l prossim istruzione. Il proessore l nlizz e si prepr eseguirl. In questo so si trtt i uno shift. R R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
47 Quint istruzione Il registro interessto llo shift, ovvero R, viene ito in uno ei registri i ingresso ell R R O O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
48 Quint istruzione Viene omnt ll un erzione i shift sinistr sul suo erno sinistro O 1. Il risultto è sritto nel registro i usit. Non si è generto riporto. R R O O =LSHIFT PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
49 Quint istruzione Infine, l usit ell è it nel registro R, ome rihiesto ll istruzione (il ontenuto preeente viene perso). Questo omplet l quint istruzione. R R O O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
50 Le istruzioni eseguite finor i hnno permesso i lolre il vlore *( -) Inftti, riorno he = ( 131 ) 1 = ( ) = ( 193 ) 1 = ( ) ll interno i R trovimo esso il vlore ( 1111 ) = ( ) 1 he è pri prrio *( - ) Animo vnti on le ltre istruzioni...
51 PC nel frttempo è stto inrementto i e vle or (11) =1. Questo permette i ripetere il feth on l sest istruzione. Sest istruzione R R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
52 Sest istruzione L istruzione viene trsferit nel registro. Il proessore l legge e etermin i pssi neessri per eseguirl. Qui serve un esso in memori ll inirizzo. R R M[ ] R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
53 Il proessore pone quini il vlore ell inirizzo =(111) ll interno el registro e omn un erzione i lettur () Sest istruzione R R M[ ] R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
54 Sest istruzione L memori rispone forneno ll interno i il ontenuto ell lozione (l vriile ) R R M[ ] R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
55 Sest istruzione Infine, il vlore viene ito l registro l registro inito ome estinzione ll istruzione, ovvero R. Anhe l sest istruzione è omplet. R R M[ ] R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
56 PC nel frttempo è stto inrementto i e vle or (11) =. Questo permette i ripetere il feth on l settim istruzione. Settim istruzione R R M[ ] R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
57 Settim istruzione L istruzione viene trsferit nel registro. Il proessore l legge e etermin i pssi neessri per eseguirl. Qui oorre fre un izione trmite l. R R R + R R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
58 Settim istruzione Come prim, oorre portre gli erni nei registri i ingresso ell. Viene quini ito R in O 1. R R R + R R O O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
59 Suessivmente viene ito R in O. Settim istruzione R R R + R R O O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
60 Settim istruzione Quini viene omnt ll un erzione i izione. Il risultto è sritto nel registro i usit. L erzione non gener riporto né overflow. R R R + R R O O =ADD PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
61 Infine, il risultto viene ito ll usit ell nel registro estinzione inito ll istruzione, R. L settim istruzione è omplet. Settim istruzione R R R + R R O O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
62 PC nel frttempo è stto inrementto i e vle or (111) =1. Questo permette i ripetere il feth on l ottv istruzione. Ottv istruzione R R R + R R O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
63 Ottv istruzione L istruzione viene trsferit nel registro. Il proessore l legge e etermin i pssi neessri per eseguirl. Qui è rihiest un srittur registro memori. R R R M[ 3 ] O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
64 Ottv istruzione Il proessore pone quini in il vlore ontenuto nel registro R in vist el suo trsferimento verso l memori. R R R M[ 3 ] O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
65 Ottv istruzione Il proessore pone poi il vlore ell inirizzo 3=(1111) ll interno el registro R R R M[ 3 ] O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
66 Ottv istruzione Infine, omn un erzione i srittur (). Il risultto è finlmente sritto nell lozione i memori he orrispone ll vriile. R R R M[ 3 ] O 1 O PC M[ ] R M[ ] R R M[ ] R R + R R R M[ 3 ]
67 Do l eseuzione elle istruzioni, in memori ll inirizzo orrisponente ll vriile (inirizzo 3) si trov il risultto ell erzione: ove = *( ) + = ( 131 ) 1 = ( ) = ( 193 ) 1 = ( ) = ( 331 ) 1 = ( ) Il risultto è = ( 1135 ) 1 = ( ) (sritto in memori, ome le ltre vriili, on onvenzione ig-enin)
68 o? Si noti he PC ontinu essere inrementto srà effetuto un feth ll posizione 1 Il proessore presuppone he le istruzioni eseguire sino tutte presenti in sequenz, un o l ltr Cos si può fre se le istruzioni non sono sempre onseutive? Sempliemente, st mire il vlore el PC insereno mnulmente l inirizzo ell prossim istruzione he si vuole fr eseguire l proessore (ovunque si ollot in memori): inirizzo_prossim_istruzione PC E un istruzione i slto
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