Corso di Fondamenti di Informatica Ingegneria delle Comunicazioni BCOR Ingegneria Elettronica BELR. Sommario Architetture

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1 Corso di Fondamenti di Informatica Ingegneria delle Comunicazioni BCOR Ingegneria Elettronica BELR Sommario Architetture

2 Cosa è questo sommario Checklist degli argomenti Enumera per grandissime linee tutti i concetti fondamentali toccati nelle lezioni di Architetture Può essere usato come checklist e uno stimolo per verificare proprie eventuali carenze Per approfondire Cercare e riguardarsi nel materiale didattico (slide del corso) gli argomenti che ci si accorge di non ricordare Se non basta approfondire anche sul libro Fino a quando non appare chiaro quanto evocato dal sommario Pagina 2

3 Cosa non è questo sommario Non è un elenco esaustivo Non pretende di enumerare tutti i concetti importanti Vuole solo indicare i principali, quelli fondamentali Allora qual'è il riferimento completo Le slide costituiscono un riferimento completo In esse sono trattati tutti gli argomenti Tuttavia, nelle slide le spiegazioni sono forzatamente sommarie Per capire può essere necessario essere stati a lezione o avere approfondito sul libro Pagina 3

4 Funzioni booleane Variabili e funzioni booleane Tabella della verità Prima forma canonica Reti AND-OR-NOT oppure NOR oppure NAND Circuiti fondamentali Comparatori, Multiplexere, Decoder Half-adder, full-adder ALU bit-slice, propagazione dei riporti PLA Pagina 4

5 Circuiti combinatori e sequenziali Concetto di stato Dipendenza dalla storia passata Numero di stati interni Realizzazione Flip-flop e latch Flip-flop con porte NOR Flip-flop di tipo RS e D Memorie realizzate con flip-flop Pagina 5

6 Tipologie di memorie Statiche Flip-Flop Volatili, veloci, bassa integrazione Dinamiche Volatili, più lente, alta integrazione ROM e PROM Non volatili ROM e EROM Flash Memorie Sommario Achitetturerealizzate con flip-flop Pagina 6

7 CPU RISC e CISC Architetture CISC Set di istruzioni esteso Microprogrammazione Più cicli di clock per istruzione Architetture RISC Set di istruzioni ridotto Interpretazione diretta Un ciclo di clock per istruzione Molti registri Pagina 7

8 CPU Pipelining e superscalarità Pipeline Latenza Banda Previsione dei salti Architetture superscalari Unità funzionali multiple Esecuzione out-of-order Architettura Intel Core Esecuzione parallela di microperazioni Pagina 8

9 CPU CPU a bit Dimensione Ampiezza registri ALU Word di memoria Perché aumentare? Evoluzione dell'architettura Intel Compatibilità all'indietro Limiti IA-32, IA-64, AMD-64, Intel 64 Pagina 9

10 CPU Istruzioni e indirizzamento Formati Lunghezza fissa o variabile 3, 2, 1 o 0 indirizzi Espansione dei codici operativi Indirizzamento Immediata, diretta, indiretta Registro, indiretta a registro Registro indice. Pagina 10

11 Cache Tipologie Livelli Cache di 1 2 e 3 livello Cache autocontenute Mappa diretta Associazione blocco-slot Associativa a insiemi Collisioni Elementi multipli Cache a più vie Pagina 11

12 Cache Struttura Struttura dell'indirizzo TAG N. di slot Posizione nel blocco Struttura della slot V TAG Blocco Elementi multipli Dimensione netta della cache Relazione con blocco e numero di slot Nel caso di cache auna o più vie Pagina 12

13 Bus Tipologie Seriali/Paralleli Numero di linee Bus Skew Vantaggi e svantaggi Sincroni/Asincroni Clock Durata del ciclo Vantaggi e svantaggi Pagina 13

14 Bus Banda Definizione Informazione/Tempo b/s o B/s Calcolo Dipende da: Frequenza Parallelismo Fattore limitante: bus skew Pagina 14

15 Bus Standard PCI Parallelo sincrono Interruzioni PCIe Switch Connessioni punto-punti bidir a più lane USB Seriale sincrono, no interruzioni USB1, USB2, USB3: compatibilità Pagina 15

16 Gestione I/O Programmato Busy waiting Occupa CPU Interruzioni Libera la CPU DMA Trasferimenti a blocchi Dispositivo ancillare Pagina 16

17 Interruzioni e trap Differenze Origine Sincrone/asincrone Mascheramento Servizio Salvataggio PC e PSW Salvataggio registri Servizio e rientro Interruzioni nidificate Pagina 17

18 Dischi Capacità Aumenti enormi negli ultimi 20 anni Tracce, cilindri e settori Tempo di accesso Migliorato di poco Seek: spostamento testine Latency: semirotazione Velocità di trasferimento Densità di registrazione Velocità di rotazione Pagina 18

19 RAID Affidabilità e velocità RAID-0 Velocità ma non affidabilità RAID-1 Dischi ombra RAID-4 e RAID-5 Unico disco di parità Capacità lorda e capacità netta Pagina 19

20 Dischi ottici Principio Interferenza o bruciatura del dye Traccia unica a spirale Codifica Alta ridondanza (30% netto) CD, DVD, Blu Ray Capacità Frequenza e lunghezza d'onda del laser Capacità: 600 MB, 5 GB, 20 GB Pagina 20

21 Rilevazione e correzione di errore Codifiche ridondanti Codifiche valide e distanza di Hamming Rilevazione di n errori h = n + 1 Correzione di n errori h = 2n + 1 Controllo di parità Pagina 21

22 Tastiere e mouse Tastiere Codice indica tasto pigiato o rilasciato Lavora su interruzione Mapping dei tasti via software Mouse invia 3 byte per ogni cambiamento di stato 2 byte: spostamento x e y; 1 byte posizione pulsanti Lavora su interruzione Pagina 22

23 Stampanti Ink-jet Driver costruisce immagine raster (occupa CPU) Stampante stupida Alti costi marginali Laser CPU invia descrizione immagine Immagine raster costruita dalla stampante Minore occupazione CPU Pagina 23

24 Codifica ASCII Codifica a 8 bit ASCII standard (US ASCII) Primo bit sempre a 0: 128 codifiche Mancano caratteri accentati ASCII esteso: ISO-IEC codifiche Metà coincide con US ASCII 15 diversi codici nazionali per l'altra metà ISO-IEC Latin-1 West European Pagina 24

25 UNICODE Codifica a più byte Dizionario unico con milioni di code points Gestito da comitato internazionale Diversi schemi di codifica UTF8 Numero variabile di byte Coincide con US ASCII per codifiche a un solo byte Schema di codifica progressivo Pagina 25

26 Linguaggi a basso livello Linguaggi macchina Legati alla piattaforma Scarsa espressività e produttività Controllo completo dell'efficienza Linguaggi assemblativi Trascrizioni dei linguaggi macchina Mnemonici ed etichette, migliore leggibilità Corrispondenza uno a uno (salvo pseudoistruzioni) Pagina 26

27 Linguaggi ad alto livello Espressività e leggibilità Istruzioni più potenti, migliore produttività Minore controllo dell'efficienza Portabilità Indipendenti dalla piattaforma Standardizzazione Basta ricompilare Abbattono i costi sul ciclo di vita del sw Pagina 27

28 Traduzione e interpretazione Traduzione Dal programma sorgente al programma oggetto Esecuzioni multiple del programma oggetto Compilatori e assemblatori Interpretazione Interpreta le istruzioni una ad una: decodifica e svolge le azioni corrispondenti Non esiste programma oggetto Molto poco efficiente Pagina 28

29 Macro definizioni Macro Sostituzione statica in fase di assemblaggio Anche macro con parametri Procedure (funzioni) Chiamata: salto all'inizio della funzione a tempo di esecuzione Rientro: ritorno all'istruzione successiva alla chiamata Codice più modulare e compatto Pagina 29

30 Assemblatori Problema Riferimenti in avanti: non si sa a cosa saltare Assemblatori a una passata Traducono tutto, salvo riferimenti in avanti Completano con passata finale Assemblatori a due passate 1. Costruiscono le tavole dei riferimenti 2. Tutto è noto: generano il codice Pagina 30

31 Collegamento e caricamento Compilazione Traduzione di ogni modulo genera modulo oggetto Indirizzi partono sempre da 0 Collegamento Posizionamento moduli in indirizzi successivi Aggiornamento degli indirizzi di salto e dei riferimenti a memoria Caricamento Programma eseguibile caricato in memoria Pagina 31

32 Collegamento dinamico Collegamento run-time Parte dei moduli non vengono collegati Collegamento dinamico all'atto della chiamata Solo per le funzioni effettivamente chiamate Condivisione Librerie condivise fra più processi in esecuzioni Librerie DLL Soluzione tipica di Windows: evita di ricollegare gli eseguibili quando le librerie vengono aggiornate Pagina 32

33 Numeri e numerali Numero Entità astratta: modo di esprimere una quantità, la posizione in un elenco ordinato, il rapporto tra due grandezze Numerale Stringa di caratteri che rappresenta un numero in un determinato sistema di numerazione Per lo stesso numero varia con il sistema di numerazione: 157, CLVII, Stesso numerale rappresenta numeri diversi Pagina 33

34 Sistemi posizionali Rappresentazione posizionale Fa riferimento a una base: 10, 2, 8, 16 Somma di potenze della base pesate con coefficienti Effettuazione delle operazioni aritmetiche Procedure che operano su numerali e generano il numerale che rappresenta il risultato Es: addizione tra numerali incolonnati, moltiplicazione con scalatura dei prodotti parziali. Pagina 34

35 Rappresentazione finite Numero di cifre fisso La rappresentazione fissa il numero di cifre Necessario in ogni realizzazione hardware Si perde la chiusura degli operatori Overflow (trabocco) Avviene quando il risultato non è rappresentabile con lo stesso numero di cifre degli operandi Necessario controllo nell'esecuzione delle operazioni aritmetiche Pagina 35

36 Perché base 2? Semplicità di memorizzazione Bastano dispositivi bistabili (es. relé, flip-flop) Semplicità delle operazioni Tabelline più semplici (4 elementi contro 10) Semplicità dei circuiti Due soli livelli di tensione: alto e basso Circuiti aritmetici molto semplici( v. tabelline) Pagina 36

37 Rappresentazione di interi con segno Modulo e segno Non si usa: non è del tutto posizionale Complemento a 1 Posizionale, ma si usa poco Cambio di segno: complemento a 1 Complemento a 2 Posizionale: una delle due utilizzate Cambio di segno: complemento a 1 Eccesso 2 n-1 Posizionale: una delle due utilizzate Pagina 37

38 Conversioni Decimale - Binario naturale Somma di potenze di 2 Decimale - CA1, CA2 Rappresentare modulo (binario naturale) Cambiare segno CA2 - Eccesso Cambia solo il primo bit Passare sempre per CA2 Pagina 38

39 Notazione base 16 Cifre 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Conversione Binario Base 16 Conversione a gruppi di 4 cifre binarie Notazione compatta Notazione esadecimale di stringhe binarie Codifica a gruppi di 4 Rappresentazione più semplice (es. 32 bit = 8 cifre Hex) Conversione immediata Pagina 39

40 Addizioni e moltiplicazioni binarie Addizioni in complemento Niente sottrazione: sono tutte somme algebriche Somma posizionale con propagazione dei riporti Possibilità di trabocco Moltiplicazioni binarie tra interi Come in decimale: somma di prodotti parziali con scalatura Ciascun prodotto parziale è uguale a 0 o al moltiplicando Pagina 40

41 Rappresentazioni di numeri reali Virgola fissa Numero fisso di cifre intere e frazionarie Migliore precisione (più cifre significative Intervalli limitati Virgola mobile Rappresentazione <mantissa, esponente> Meno cifre significative ma intervalli più ampi Tradeoff precisione ampiezza intervallo Normalizzazione e delle mantisse: b k-1 m < b k Pagina 41

42 Standard IEEE 754 (1985) Standard di riferimento Universalmente adottato da computer e strumenti Semplice e doppia precisione Semplice 32 bit, mantissa di 23 Doppia 64 bit, mantissa di 52 Configurazioni speciali Numeri denormalizzati (precisione variabile) Rappresentazione dello 0 Overflow NAN: Not A Number Pagina 42

43 Addizioni e moltiplicazioni in virgola mobile Addizione: scalatura degli addendi Devono essere portati allo stesso esponente Scalatura della mantissa dell'addendo più piccolo Possibile scomparsa degli addendi piccoli Moltiplicazione Somma degli esponenti Prodotto delle mantisse e eventuale normalizzazione Realizzazioni circuitali (ALU FP) Relativamente semplici: addizionatori, shifter,.. Pagina 43

44 Errore di rappresentazione Perché l'errore di rappresentazione? Un reale richiede un numero illimitato di cifre La rappresentazione ha un numero limitato di cifre Errore assoluto Differenza tra numero e sua rappresentazione Dipende anche dalla dimensione del numero Errore relativo Errore assoluto / numero Errore relativo massimo costante su tutto l'intervallo Con 1 m < 2 e k cifre frazionarie della mantissa l'errore relativo massimo è maggiorato da 2 -k Pagina 44

45 Per gli esercizi 1 Intervalli rappresentati Intervallo dell'esponente, mantissa minima e massima Intervalli positivi e negativi speculari Numerali che rappresentano gli estremi Valori estremi dell'esponente Valori estremi della parte frazionaria della mantissa Intervalli di overflow e underflow Intervallo di underflow che circonda lo 0 Due intervalli infiniti di overflow Ordini di grandezza binari e decimali La conversione si basa su: 2 10» 10 3 Pagina 45

46 Per gli esercizi 2 Rappresentare un intero in notazione FP Individuare il segno Ricavare il modulo Normalizzare il modulo tra 1 e 2 Determinare l'esponente (numero di cifre scalate) Troncare o estendere la mantissa Approssimare un numero FP con un intero Denormalizzare la mantissa Ricavare il modulo dell'intero (superiore o inferiore) Cambiare di segno (se necessario) Pagina 46

47 Per gli esercizi 3 Conversione tra rappresentazioni FP Si mantiene il segno Parte frazionaria della mantissa troncata o estesa Conversione della rappresentazione dell'esponente: diversa rappresentazione e/o numero di cifre frazionarie Calcolo dell'errore relativo e assoluto Errore relativo (massimo): dipende esclusivamente dal numero k di cifre frazionarie della mantissa: 2 -k Errore assoluto: dipende anche dall'ordine di grandezza del numero che si intende rappresentare Pagina 47