Architettura dell elaboratore 1

Transcript

1 Le principali componenti Architettura di un elaboratore Lezione 1 Un elaboratore è composto da 3 componenti principali: Il microprocessore I dispositivi di Ingresso/Uscita 2 Le principali componenti Schema dell architettura Le componenti sono interconnesse Il processore comunica con la memoria si interfaccia con le unità periferiche Le unità periferiche si interfacciano con gli utenti Processore Memoria I/O 3 4 Schema delle interconnessioni Le componenti sono tra loro interconnesse Il processore 5 Architettura dell elaboratore 1

2 Il processore Il processore Il processore è composto da due componenti: DATAPATH CONTROLLER Il datapath o unità di elaborazione L insieme dei circuiti che operano e manipolano i dati Il controller L insieme dei circuiti che interpretano un programma e sovraintendono all esecuzione delle istruzioni da parte delle altre componenti del calcolatore 7 8 Ciclo del processore Il processore esegue in continuazione il ciclo preleva-interpreta-esegui Preleva dalla memoria principale la prossima istruzione di un programma preleva Il linguaggio del processore Ogni modello di microprocessore ha un proprio linguaggio macchina diverso da quello di altri processori Ogni modello di microprocessore riconosce solo programmi scritti nel proprio linguaggio macchina esegui Esegui l istruzione interpreta Decodifica l istruzione Il linguaggio macchina contiene tutte e sole le operazioni che possono essere eseguite dal microprocessore 9 10 Linguaggio macchina Linguaggio macchina 2 Un processore con 2 registri R1 e R2 Si debbono sommare i contenuti delle locazioni di memoria var1 e var2 e archiviare in tot L operazione di somma è possibile solo sui dati archiviati nei registri Trasferisci il contentuto di var1 nel registro R1 Trasferisci il contentuto di var2 nel registro R2 Somma il contenuto dei due registri Trasferisci il risultato nella locazione di memoria tot 11 È necessario disporre di Istruzioni per il trasferimento di dati dalla memoria ai registri e viceversa Istruzioni aritmetiche/logiche Eventualmente istruzioni di controllo Esempio: load R1, var1 load R2, var2 add R1, r2 store R1, tot 12 Architettura dell elaboratore 2

3 Linguaggio macchina - 3 se a=b allora c:=0 altrimenti c:=a+b fine: load R1, a load R2, b sub R1, R2 jzero R1, fine load R1, a add R1, R2 store R1, c 13 Le operazioni elementari Ogni istruzione del linguaggio macchina viene eseguita da un microprocessore svolgendo una serie di passi, le operazioni elementari Il numero di operazioni elementari necessario a portare a compimento un istruzione in linguaggio macchina è dell ordine di Il ciclo di clock La velocità dei processori Ciclo di clock Parametro caratteristico di un processore è la durata del ciclo di clock Indica il tempo richiesto dal microprocessore a compiere un operazione elementare La frequenza del clock è espressa in MHz (Mega Hertz) ed è l inverso della durata del ciclo espressa in µs = 10-6 s Dati 2 processori con lo stesso linguaggio macchina, risulterà più veloce quello con frequenza di clock maggiore Non è possibile dire nulla su processori con linguaggi macchina diversi Es. Pentium Vs. PowerPC Confronto tra processori diversi Dati i calcolatori A e B con diversi linguaggi macchina Clock di A è 500MHz Clock di B è 400MHz Il linguaggio di A richiede l esecuzione di 10 operazioni elementari per ogni istruzione Il linguaggio di B ne richiede 6 Per eseguire un programma di 100M istruzioni di linguaggio macchina A impiegherà 2s = (100 * 10 6 * 10)/(500 * 10-6 )s B impiegherà 1,5s = (100 * 10 6 * 6)/(400 * 10-6 )s La frequenza La frequenza di clock non è quindi un indice assoluto per quanto riguarda la bontà di un microprocessore Attualmente si trovano in commercio microprocessori che operano a frequenze di 1 GHz (1 Giga Hertz) Architettura dell elaboratore 3

4 Processori Un processore I microprocessori più diffusi, prodotti da case diverse, sono: Intel (x86) Motorola (68xxx) IBM (PowerPC) HP (PA-RISC) DEC (Alpha) Svolge la funzione di magazzino per i programmi e i dati su cui deve operare il microprocessore L informazione digitalizzata viene rappresentata e salvata in memoria sotto forma di numeri binari Dati e programmi sono memorizzati in unità minime chiamate Byte Un byte è a sua volta costituito da 8 bit, una sequenza di 8 cifre binarie 22 Rappresentazione binaria La singola cifra binaria è detta bit (0 o 1) La scelta è dettata da ragioni di praticità ed economia Il bit rappresenta due stati Come una lampadina: accesa (1) o spenta (0) Il significato della stringa di bit dipende dalla codifica se letto come testo, è la lettera b se letto come numero, è il valore Combinazioni di bit in sequenze di lunghezza opportuna rappresentano i dati 24 Architettura dell elaboratore 4

5 1 bit 0 1 Combinazioni di bit 2 bit bit bit Ogni bit in più raddoppia il numero delle combinazioni possibili 25 Combinazioni di bit Ogni combinazione rappresenta un valore diverso Ci sono 2 N combinazioni lunghe N bit Quindi, ci vogliono N bit per rappresentare 2 N valori distinti Quanti valori possiamo rappresentare con 1 bit? 2 bit? 3 bit? 4 bit? 5 bit? 2 1 = 2 valori 2 2 = 4 valori 2 3 = 8 valori 2 4 = 16 valori 2 5 = 32 valori 26 Struttura della memoria Struttura della memoria è organizzata in locazioni di memoria o celle Ogni cella ha un indirizzo numerico, che la identifica univocamente è organizzata in celle di una data lunghezza (spesso 1 byte di 8 bit) Valori grandi possono essere immagazzinati in celle consecutive (2/4/6 byte) Dimensione della memoria La capacità di immagazzinare informazione in memoria (storage capacity) è indicata dal numero di byte di cui è costituita La capacità è espressa in diverse unità di misura: unità simbolo numero di byte kilobyte megabyte gigabyte terabyte KB 2 10 = 1024 MB 2 20 (> 1 milione) GB 2 30 (> 1 miliardo) TB 2 40 (> 1000 miliardi) 29 Per questioni di costi ed efficienza la memoria di un elaboratore è distribuita su dispositivi hardware diversi, che nel loro insieme costituiscono il sistema memoria dell'elaboratore, più comunemente chiamato gerarchia di memoria 30 Architettura dell elaboratore 5

6 Ai livelli più alti di questa gerarchia sono presenti le memorie più veloci, e quindi più costose. Ai livelli bassi sono presenti le memorie più economiche ma anche più lente La velocità di una memoria è misurata in base al tempo di accesso speso dal microprocessore I livelli di memoria generalmente presenti sono i registri, le cache, la memoria centrale, i dischi. Una configurazione standard di un PC 32 registri, 256Kbyte di cache, MB di memoria centrale e un disco di 16GB I livelli più alti sono più vicini al processore registri nel datapath memoria cache sul chip del processore Il livello intermedio è la memoria centrale KB, su chip separati I livelli bassi sono fisicamente lontani dischi, nastri, CD-ROM Legenda della figura I registri sono nel chip del processore. La cache di I livello può anch essa essere nel processore o esterna. Backing store quando c è svolge le funzioni di buffer per i dischi. Questa funzione può essere svolta dalla memoria centrale. I nastri magnetici sono piuttosto in disuso, al loro posto si usano spesso batterie di cdrom. 35 memorie SRAM DRAM Dischi magnetici Memorie: confronti Tempo di accesso 5-25 ns ns milioni di ns SRAM (Static RAM) per le cache di I e II livello DRAM (Dynamic RAM) per la memoria Costo in $ nel Architettura dell elaboratore 6

7 Esistono due categorie di dispositivi di memoria: le memorie volatili le memorie non volatili Le memorie volatili sono i dispositivi di memoria che perdono il loro contenuto quando viene loro a mancare l'alimentazione elettrica Le memorie non volatili invece mantengono l'informazione registrata anche in assenza di alimentazione elettrica Le memorie volatili Le memorie volatili genericamente indicate con il termine RAM (Random Access Memory) i registri di CPU, le cache e la memoria centrale sono realizzati rifacendosi alla tecnologia dei circuiti integrati Le memorie non volatili I dispositivi più diffusi come memoria non volatile, sono i dischi magnetici A elaboratore spento tutte le informazioni risiedono su disco All'accensione, le informazioni necessarie al funzionamento vengono trasferite da disco a memoria centrale, sino ai livelli più alti della gerarchia di memoria in funzione del loro utilizzo Architettura dell elaboratore 7

8 I dispositivi di I/O I dispositivi di I/O o periferiche Rappresentano l interfaccia del calcolatore verso il mondo esterno 44 I dispositivi di I/O I dispositivi di input monitor tastiera schermi tastiere mouse scanner touch screen processore memoria principale Le periferiche di input e output consentono interazione disco rigido dischetto I dispositivi di input acquisiscono informazioni espresse in un formato consono all operatore umano Le traducono in un formato consono all elaboratore le trasmettono alle componenti opportune del calcolatore Es.: mouse, tastiera, scanner, microfono I dispositivi di output I dispositivi di I/O I dispositivi di output acquisiscono informazioni dall elaboratore nel formato di rappresentazione interno le traducono in un formato consono all operatore umano le visualizzano Es.: video, stampante Ogni periferica è costituita da 3 componenti: Una componente visibile, il dispositivo in senso lato detto device Una componente elettronica di controllo chiamato device controller Una componente software device driver Architettura dell elaboratore 8

9 Il controller Il device driver Riceve gli ordini dal microprocessore e li impartisce al dispositivo fisico Risiede su un circuito stampato ed è solitamente esterno all unità periferica ed all interno dello chassis Il collegamento tra il controller e la periferica avviene attraverso opportuni connettori Componente sw necessaria per la gestione della periferica Ogni periferica ha un proprio driver che viene consegnato su un disco all atto dell acquisto della periferica Prima di utilizzare la periferica è necessario installare il driver corrispondente I Bus I controller di tutte le periferiche devono essere collegati al microprocessore per poter prendere ordini dallo stesso Per svolgere questa funzionalità ogni elaboratore è provvisto di uno o più bus il bus è un insieme di cavi il bus fa convergere al microprocessore le informazioni provenienti dai vari controller paragonabile ad una strada su cui convergono più vie laterali provenienti dai vari controller 51 I Bus Periferiche diverse possono usare tipi di bus diversi, in genere in funzione della velocità di trasmissione dati I bus più diffusi: PCI Generalmente usato sulla scheda madre tra memoria e processore SCSI Usato per diversi tipi di periferiche in catena IDE Generalmente usati per i dischi USB Usato per periferiche di I/O 52 Monitor La dimensione fisica di un monitor (17") si misura diagonalmente, come per la TV I monitor di oggi hanno capacità multimediali gestiscono testo, grafica, video, graphics, video Un monitor ha una risoluzione, che indica il numero di picture elements, detti pixels, che può visualizzare (es: 1280 per 1024) Una risoluzione alta (più pixels) fornisce immagini più chiare 53 Modem Ci sono strumenti per trasferire dati tra due computer Molti computer incorporano modem, che consente di trasferire dati sulla linea telefonica Uno strumento per trasferire dati ha una velocità massima di trasferimento Un modem può avere una velocità di trasferimento di 56,000 bits per second (bps) 54 Architettura dell elaboratore 9

10 Le specifiche del computer Dare le specifiche di un personal computer, ad esempio: 600 MHz Pentium III Processor 256 MB RAM 16 GB Hard Disk 24x speed CD ROM Drive 17 Multimedia Video Display con risoluzione 1280 x Kps Modem 55 Architettura dell elaboratore 10