Introduzione. Ullteriiorii consiideraziionii

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1 Appunti di Calcolatori Elettronici Appendice 1 Concetti vari STRUTTURE ASTRATTE DI DATI... 1 Introduzione... 1 Ulteriori considerazioni... 1 Lista... 2 Coda, Pila, Doppia Coda... 3 Matrice o Array... 3 Tavola... 4 Grafi... 4 APPUNTI VARI... 6 Argomenti vari... 6 Rappresentazione grafica degli stadi di esecuzione di una istruzione Gestione delle interruzioni Strutture astratte dii datii Introduzione E utile esaminare i principali tipi di insiemi di dati dotati di una propria struttura logica (insiemi ai quali si dà il nome di strutture astratte di dati) e i principali sistemi per la loro rappresentazione nella memoria di un calcolatore (ossia le cosiddette strutture concrete di dati adatte a contenere le strutture astratte). In seguito, useremo il termine elemento (o anche nodo) per indicare la componente base di una struttura astratta di dati: potrà trattarsi di un dato semplice di un certo tipo oppure di una sequenza di dati semplici, anche di tipo diverso (ossia di ciò a cui viene dato il nome di record). Ricordiamo, infine, prima di procedere, che con il termine struttura astratta di dati si indica un insieme finito di elementi e un insieme di leggi che definiscono le relazioni esistenti tra gli elementi dell'insieme. Ullteriiorii consiideraziionii Se bisogna risolvere un certo problema, è necessario considerare due aspetti fondamentali: i dati sui quali si intende lavorare e le operazioni che si intende compiere su tali dati. I due aspetti sono evidentemente collegati tra loro: infatti, la scelta della struttura dati influenza non poco l'algoritmo, il quale riguarda l'

2 Appunti di Calcolatori Elettronici Appendice 1 "aspetto delle operazioni da eseguire". In molti casi sono possibili più strutture alternative, tutte apparentemente idonee a risolvere bene uno stesso problema. Tuttavia, una attenta analisi sul costo, in termini di operazioni necessarie a seconda della struttura scelta, porta poi a preferire una struttura rispetto alle altre. Viceversa, una scelta sbagliata potrebbe condizionare parecchio la scrittura dell'algoritmo. Esistono due tipi fondamentali di strutture astratte di dati: le strutture statiche richiedono che il massimo numero di elementi appartenenti alla struttura stessa sia stabilito alla creazione e non possa venire in alcun modo modificato; le strutture dinamiche, invece, non impongono questo tipo di vincolo e perciò presentano dimensioni potenzialmente illimitate (che poi in realtà sono comunque limitate dalla memoria disponibile). Lista Con il termine lista si indica un insieme finito di dati nel quale è definita una legge di ordinamento, ossia un insieme per il quale è stabilita una corrispondenza biunivoca tra i suoi elementi e l'insieme dei primi n numeri naturali. In base a questa legge, è possibile stabilire quale è il primo elemento di questo insieme e quale l'ultimo ed è inoltre possibile stabilire quale, tra due elementi qualsiasi dell'insieme, precede l'altro e quale segue. La caratteristica principale di una lista è nell'accesso ai suoi elementi: infatti, l'accesso ad un elemento qualsiasi di una lista avviene tramite una ricerca sequenziale a partire dal primo elemento della lista per finire all'elemento considerato. Come vedremo, altre strutture dati come la pila o la matrice presentano un metodo di accesso diverso. Esempio semplicissimo di lista è un normale testo letterario: in questo caso, gli elementi che costituiscono l'insieme sono le singole parole e i segni di interpunzione, mentre l'ordinamento è definito dalla posizione fisica che gli elementi occupano nel testo. Un tipo particolare di lista è la stringa: si tratta di una lista i cui elementi componenti sono caratteri di un determinato alfabeto. Gli elementi di una lista possono essere indicati con una notazione del tipo A1, A2,..., Ai-1, Ai, Ai+1,..., An-1, An che mette in rilievo la loro sequenzialità. Tuttavia questo tipo di notazione non deve indurre a pensare che l'accesso all'elemento Ai avvenga in base all'indice, ma, come detto prima, esso avviene in modo sequenziale a partire dall'elemento A1. Se il numero dei dati che compongono una lista rimane costante nel tempo, allora si parla di lista a lunghezza fissa; se invece il numero di dati cambia (a seguito di operazioni di inserimento o di cancellazione), allora si parla di lista a lunghezza variabile. Le liste a lunghezza variabile sono quelle più usate e più interessanti dal punto di vista applicativo: questa loro caratteristica fa sì che le liste vengano considerate strutture di dati di tipo dinamico (in seguito si tornerà su questa definizione). Su di una lista possono essere eseguite due diverse categorie di operazioni: ci sono operazioni globali che interessano tutti gli elementi della lista e operazioni locali che interessano invece i singoli elementi della lista stessa. Tra le operazioni globali c'è per esempio la completa fusione di due liste in una sola, oppure la suddivisione di una lista in più parti o anche l'ordinamento degli elementi della lista secondo un ordine differente da quello iniziale e così via. aggiornamento: 7 luglio

3 Concetti vari Tra le operazioni locali, distinguiamo inviamo le seguenti operazioni fondamentali: l'accesso ad un elemento per determinarne il "valore" oppure per modificarlo; l'inserimento di un nuovo elemento tra altri due elementi, oppure all'inizio o alla fine della lista; l'eliminazione di un elemento, magari quello iniziale o quello finale. Infine, ricordiamo che la nozione di lista può essere ulteriormente generalizzata: si possono infatti considerare liste i cui elementi sono a loro volta liste con elementi e così via. Coda, Pila, Doppia Coda Con il termine coda indichiamo una lista di lunghezza variabile, in cui tutti gli inserimenti vengono effettuati dopo l'ultimo elemento (chiamato fondo della coda) mentre tutte le estrazioni con eventuale eliminazione avvengono sul primo elemento (chiamato testa della coda). Questo significa che il primo elemento che può essere estratto in un determinato istante è quello che è stato inserito per primo: ecco perchè si parla di metodo F.I.F.O, che sta per First In First Out. Con il termine pila (oppure stack in inglese) si indica una lista di lunghezza variabile nella quale sia gli inserimenti dei dati sia le estrazioni avvengono solo ad un estremo. Di conseguenza,in una pila il primo elemento estraibile ad un determinato istante è quello che è stato inserito per ultimo: esso viene chiamato elemento affiorante e il metodo con cui un calcolatore accede ad una pila di dati viene detto metodo L.I.F.O., cioè Last In First Out. Per coerenza con il nome che è stato assegnato, le pile vengono in generale rappresentate come un insieme di elementi disposti verticalmente uno sull'altro, cioè come avverrebbe ad esempio per la rappresentazione di una pila di pratiche disposte sopra una scrivania se le aggiunte venissero fatte, così come i prelevamenti, in cima. L'immissione di un nuovo elemento in una pila è una operazione che in inglese viene indicata con il termine push down (o semplicemente push): infatti si immagina che l'elemento da inserire venga semplicemente affondato. Per analogia l'operazione di estrazione dell'elemento affiorante viene chiamata pop up (o semplicemente pop), come se in fondo alla pila ci fosse una molla che fa schizzare fuori l'ultimo elemento inserito non appena si apre una valvola o qualcosa del genere. Matrice o Array Una matrice a n dimensioni è un insieme finito di elementi in corrispondenza biunivoca con un insieme di n-ple ordinate di numeri interi chiamati indici. Nel caso di n=2, si parla di matrice a 2 dimensioni; nel caso di n=1 si parla di vettore (array in inglese). Caratteristica essenziale della matrice, che è una struttura a lunghezza fissa, è l'accesso ad un suo elemento tramite la n-pla di indici che lo contraddistingue, aggiornamento: 7 luglio

4 Appunti di Calcolatori Elettronici Appendice 1 senza passare attraverso operazioni di ricerca sequenziale come accadeva nelle liste. Questo significa che un vettore si distingue da una lista per il fatto che l'accesso all'elemento Ai di una matrice unidimensionale avviene in modo diretto, specificando semplicemente l'indice i, mentre l'accesso allo stesso elemento di una lista avviene tramite una ricerca sequenziale che partendo da A1 scorre gli elementi A2,A3,..,Ai-1 fino ad arrivare ad Ai. Tavola Con il nome tavola (o tabella) si intende un insieme finito di elementi, ciascuno dei quali è un "record" costituito da due parti: la prima di queste viene chiamata chiave dell'elemento; la seconda è chiamata valore ed è costituita da uno o più dati associati alla chiave. Usualmente, le chiavi sono tutte diverse tra loro e quindi l'accesso ad un elemento della tavola avviene tramite la sua chiave. Le tavole si presentano con frequenza molto elevata nei problemi di elaborazione automatica dei dati. Pensiamo ad esempio al listino prezzi di un negozio: il codice articolo costituisce la chiave mentre il valore può comprendere sia il prezzo sia anche una breve descrizione del prodotto. Un altro esempio semplice quanto comune è una tavola in cui ogni elemento è costituito dai vocaboli che individuano lo stesso oggetto in due lingue diverse. Ad esempio, la chiave potrebbe essere il termine in italiano mentre il valore potrebbe essere il corrispondente termine inglese: si ha così una tavola per la traduzione dall'italiano all'inglese. Le tavole giocano un ruolo molto importante anche nella realizzazione di assemblatori e di compilatori e, in generale, in tutti i casi di corrispondenze tra insieme esprimibili mediante formule matematiche. Grafi Il termine grafo viene usato per indicare una particolare figura geometrica, costituita da un insieme finito di punti, detti nodi (oppure vertici), e da segmenti o archi, detti lati (o spigoli), che congiungono coppie di nodi. Possiamo subito fare le seguenti considerazioni: possiamo supporre, ad esempio, che ciascun nodo del grafo sia il supporto di un dato o di un intero record e possiamo inoltre supporre che ciascun lato dello stesso grafo sia la rappresentazione di una relazione esistente tra i dati contenuti nei nodi che si trovano alle estremità del lato stesso; allora, visto in quest'ottica, un grafo può tranquillamente essere visto come la rappresentazione di una particolare struttura astratta di dati. Sia dato quindi un grafo qualsiasi, con un numero qualsiasi (purché ovviamente finito) di nodi e di lati. Vediamo qualche definizione: aggiornamento: 7 luglio

5 Concetti vari due nodi del grafo si diranno adiacenti se esiste un lato che li congiunge; una successione di nodi sarà perciò costituita da un certo numero di nodi adiacenti a due a due collegati tra loro; in particolare, se la successione data non contiene due volte lo stesso lato, allora si parla di cammino; a sua volta un cammino può essere di vari tipi: si parla di cammino semplice se contiene tutti nodi distinti fatta eccezione, al più, per il primo e l'ultimo nodo che potrebbero anche coincidere; inoltre, un cammino che congiunge un nodo con se stesso si dice cammino ciclico. In particolare, un cammino ciclico che è anche semplice viene brevemente chiamato ciclo (oppure circuito); un particolare tipo di grafo è il cosiddetto grafo connesso: se, dato un grafo qualsiasi e presi due qualsiasi suoi punti, è sempre possibile congiungere tali nodi mediante un cammino, allora il grafo si definisce appunto connesso. E' possibile che ogni lato di un grafo sia dotato di un orientamento, ossia di un qualcosa che precisa la relazione logica che intercorre tra i dati contenuti nei due nodi congiunti dal lato stesso. Allora, se i lati di un grafo sono tutti orientati, si parla di grafo orientato: in questo caso, i lati vengono graficamente rappresentati mediante un arco che termina con una freccia. Per i grafi orientati, così come per i grafi normali, si definiscono le nozioni di cammino orientato (successione di nodi adiacenti contenente ogni lato 1 sola volta) e di cammino ciclico orientato(cammino orientato che congiunge un nodo con se stesso). aggiornamento: 7 luglio

6 Appunti di Calcolatori Elettronici Appendice 1 Appuntii varii Argomenti vari Un processo è rappresentato da un modello matematico. Possono esserci processi di diversi tipi. I programmi, che costituiscono il processo da realizzare, sono informazioni. Le informazioni trovano posto nella memoria, che è una struttura sequenziale di byte. Ciò che distingue una calcolatrice da un calcolatore è che la calcolatrice ha una continua interazione con l utente (il quale scandisce le operazioni ed i loro operandi), mentre il calcolatore ha un programma in memoria che attive le operazioni con una sua precisa sequenza. Il calcolatore ha dunque il processo memorizzato. L intelligenza di un programma è tanto maggiore quanto maggiore è il numero di diramazioni possibili. La memoria principale di un calcolatore è dotata di accesso random (casuale): questo perché è possibile accedervi per posizione casuale in ingresso, grazie al meccanismo degli indirizzi. L architettura di un calcolatore è l insieme delle soluzioni tecniche secondo cui il calcolatore è stato realizzato. Un calcolatore funziona come una specie di catena di montaggio: è uno scorrere di processi, una serie di passaggi. Il passaggio da un sistema ad un altro del calcolatore crea una codifica e decodifica. Ogni sistema fa da interfaccia tra altri due sistemi, uno a monte ed uno a valle. In generale, una interfaccia è un sistema che adatta la comunicazione tra due dispositivi che differiscono tra loro per tecnologia, velocità o codice. Data una struttura di dati a pila (stack), la sua dimensione è pari a MAX- MIN+1, dove MAX è l elemento in cima, mentre MIN è l elemento in fondo. Ad esempio, in presenza di due elementi, si ha MAX=2 e MIN=1, per cui la dimensione è 2. A proposito della memoria, ricordiamo che non esiste una operazione di cancellazione di una locazione di memoria; le uniche due operazioni possibili sono la scrittura e la lettura. La scrittura di un bit in memoria è una operazione di SET al nuovo valore del flip-flop rappresentativo della cella di memoria destinata ad accogliere quel bit. Tutti i calcolatori usano una struttura a bus (eventualmente a più bus), in cui tutti i dispositivi sono collegati tra loro tramite un unico fascio di cavi, il bus appunto. L alternativa sarebbe un collegamento stellare, nel quale cioè il processore (che fungerebbe da centro stella) sia collegato a tutti i dispositivi (memoria, video, stampante, tastiera, altre periferiche di I/O). Un collegamento di questo tipo ( 1 ) non sarebbe sicuramente quello ottimale dal 1 Un classico esempio si ha con i contatori ENEL nelle abitazioni, da cui partono tutti i cavi per eliminare gli apparecchi a muro nonché le prese elettriche. aggiornamento: 7 luglio

7 Concetti vari punto di vista dell ottimizzazione dei percorsi ed è inoltre molto costoso, dato che per ogni dispositivo è necessario avere una nuova linea di comunicazione con il processore. Dal punto di vista del risparmio energetico, invece, il collegamento stellare appare come la soluzione migliore: infatti, nel collegamento con bus unico, mettere più impianti sullo stesso cavo significa determinare un maggiore assorbimento di potenza attraverso un unico filo e quindi maggior riscaldamento e quindi anche maggior consumo. Nonostante quest ultima considerazione, il collegamento a bus viene preferito in quanto è quello che crea una migliore ottimizzazione delle risorse. Diamo qualche concetto relativo al collegamento delle periferiche di I/O ad un calcolatore elettronico: se vogliamo collegare una periferica che lavori alla massima velocità, è opportuno collegarla tramite una porta parallela. In alternativa, possiamo pensare di adottare una scheda, detta SCSI, che riconosce in maniera esclusiva le periferiche connesse ad un bus esterno. Esistono ovviamente dei limiti al numero di dispositivi collegabili su una stessa linea; ci sono comunque degli standard, come l HPIB (HP Interface Bus), che consentono di utilizzare fino a 256 dispositivi diversi. Lo svantaggio di queste tecniche è che comunque i dispositivi possono parlare uno per volta. Con il nuovo standard USB (Universal Serial Bus) si possono creare dei festoni di dispositivi: se il fan out non è tale da consentire il collegamento di un nuovo dispositivo, viene usata una interfaccia USB per ogni unità. Teoricamente, lo standard USB potrebbe dunque funzionare come la SCSI, anche se per il momento viene usato per singoli dispositivi, nonostante il fan out sia maggiore rispetto a SCSI. L unità aritmetica e logica (ALU) di una CPU funziona nel modo seguente: svolge tutte le possibili operazioni (aritmetiche e logiche) che è in grado di svolgere sugli operandi in ingresso; successivamente, tramite il codice dell operazione richiesta, la logica di controllo seleziona quale, di tutti i risultati prodotti, è quello di interesse: tale risultato è quello effettivamente prelevato in uscita dalla ALU. Questo è peraltro il meccanismo di funzionamento di tutti i circuiti che hanno un funzionamento continuo: spesso essi lavorano a vuoto, ma devono comunque trovarsi sempre in condizione di regime. Inoltre, dato proprio il fatto che la ALU sia una rete combinatoria, è necessario predisporre due latch che mantengano stabili gli ingressi, in modo tale che anche l uscita sia stabile e vengano evitate le cosiddette corse (dette anche alee) ( 2 ). RTL (Register Transfer Language) è il linguaggio che noi usiamo per descrivere il movimento dei dati nel calcolatore (in particolare nella CPU). Ricordiamo che proprio il movimento dei dati che crea l intelligenza di un processo: è cioè importante l attività a valle del dispositivo, ossia l attività di selezione ed instradamento. Nel capitolo sulle gerarchie di memoria abbiamo osservato che la più piccola unità di informazione che può essere presente (o meno) nella gerarchia a due livelli prende il nome di linea (o anche blocco ) quando si parla di memoria cache e di pagina quando si parla di memoria virtuale. Scendendo ulteriormente nella gerarchia di memorie, dato che al di sotto della memoria secondaria (il disco fisso) troviamo la rete (network), il termine corretto diventa pacchetto. 2 Si vedano, in proposito, i concetti trattati nel corso di Elettronica dei Sistemi Digitali aggiornamento: 7 luglio

8 Appunti di Calcolatori Elettronici Appendice 1 Esistono diversi modi di realizzare la multiprogrammazione, ossia quella tecnica per cui, su un calcolatore dotato di singolo processore, sia possibile far coesistere contemporaneamente più processi, che si alternano nell uso della CPU e delle risorse. Nei primi tempi, la strategia di multiprogrammazione utilizzata era quella cosiddetta a lotti (o anche batch): nel corso dell esecuzione di un dato processo (o programma), non appena la CPU diventa in operativa (ad esempio perché ha avviato una operazione di I/O e resta in attesa della sua conclusione), il sistema operativa passa all esecuzione di un altro programma, poi torna al precedente oppure va a servirne un altro e così via. Questo modo di operare è chiaramente di tipo asincrono, in quanto i passaggi da un processo all altro dipendono dalle evenienze, legate essenzialmente alle operazioni di I/O. Nei sistemi più recenti, invece, ha preso piede una valida alternativa, detta di time sharing (condivisione del tempo): in presenza di un sistema unico usato da più utenti (ad esempio ciascuno dotato di un proprio terminale), la CPU serve in modo paritario ogni utente, assegnando uno slot temporale a ciascuno. Il sistema operativo, quindi, tratta i vari processi assegnando a ciascuno un certo numero di cicli di clock. Il problema, di un meccanismo del genere, è che si corre il rischio che la CPU sia inattiva per alcuni cicli di clock, tipicamente quando è stata richiesta una operazione di I/O e la si sta completando. Un ulteriore strategia di multiprogrammazione è il cosiddetto multitasking, implementato ad esempio nei sistemi operativi Windows: ogni volta che viene aperta una data finestra, l attenzione della CPU e delle risorse è rivolta ad essa, anche se non si sta facendo niente, mentre le altre finestre aperte vengono sospese. Da notare, del resto, che questa strategia non esclude il funzionamento a lotti, con la differenza che, nel multitasking, è l utente stesso sostanzialmente a generare le interruzioni (quando passa da una finestra all altra), mentre invece nell altro sistema tutto dipende dall evolversi degli eventi. A volte, quando c è da stampare un documento molto lungo, si preferisce non occupare la memoria principale, salvando il documento su disco (nella cosiddetta area di spool) e lasciando che sia il DMA a gestire il passaggio del documento verso la stampante. In presenza di più documenti, essi vengono accodati, in modo da essere stampati con il classico metodo FIFO. A proposito della memoria virtuale, è compito del sistema operativo stabilire quanta parte della memoria secondaria (cioè generalmente del disco rigido) destinare alla memoria virtuale. Nel caso del sistema operativo Windows, poi, esso chiede all utente di indicare quanto spazio riservare alla memoria virtuale. In un calcolatore che usa la memoria virtuale, tutti gli indirizzi generati dalla CPU sono indirizzi virtuali, che devono necessariamente essere tradotti in indirizzi fisici, usando le apposite tabelle. In presenza di più processi contemporaneamente attivi (multiprogrammazione), è il gestore dei processi a gestire i riferimenti tra processi e tabelle di traduzione. Spesso, la memoria viene suddivisa in una parte riservata solo ai dati ed una riservata solo alle istruzioni. In questi casi, ci si può organizzare in diversi modi: ad esempio, si possono avere due tabelle per ogni processo (una di programma ed una di dati), a ciascuna delle quali sarà ovviamente associato un corrispondente TLB. Fino a qualche tempo fa, la densità di codice è banalmente rappresentata dal cosiddetto LOC (Line Of Code), ossia semplicemente dal numero di righe aggiornamento: 7 luglio

9 Concetti vari da cui erano composti i programmi: quindi, per stabilire quanto pagare un programma, si usava valutare il numero di linee di codice, il che naturalmente spingeva alcuni programmatori a pompare artificiosamente il loro codice, con il paradosso che chi invece si sforzava di ottimizzare il proprio codice veniva pagato di meno. Oggi, la valutazione dei programmi è stata decisamente rivisitata e razionalizzata. Un possibile metodo consiste nell introdurre artificiosamente nei programmi i cosiddetti break point: essi consentono di interrompere il programma in punti predefiniti e di effettuarne un debug. In questo modo, si ottiene una verifica a passi del programma, individuando i punti di test in modo opportuno. Così facendo, si riescono a individuare i punti funzionali del programma (definiti da funzioni autoconsistenti, ossia funzioni costituite da insiemi di istruzioni ciascuna di importanza critica, nel senso che l eliminazione di anche una sola di tali istruzioni comprometterebbe l intera funzione) e si paga in base a questi. Non esiste la prestazione assoluta di un processore rispetto ad un altro; bisogna invece confrontare i due processori nello svolgimento di una determinata funzione. Nel linguaggio C esistono due particolari istruzioni di incremento: l istruzione di pre-incremento (a=b++, corrispondente ad a=b e b=b+1) e quella di post-incremento (a=++b, corrispondente a b=b+1 e a=b). Un processore microprogrammabile è un processore per il quale è possibile definire il set di istruzioni. Questi processori sono a non più di 4 bit. Mettendone diversi in parallelo, si ottiene una cosiddetta bit slice. Il firmware è un software fisso, residente in hardware. A volte, impropriamente viene definito come firmware tutto ciò che si trova in una memoria ROM: questo è scorretto, in quanto ad esempio il kernel si trova nella ROM ma non è firmware, in quanto lo si programma separatamente. Più correttamente, firmware è tutto il software che si trova nella piastrina del processore. Uno stesso processore può essere dotato di più set di istruzioni. Il software viene sempre modularizzato tramite subroutine, cioè moduli del programma. Quanto più un programma è modularizzato, tanto più è leggibile, documentabile, testabile e manutenibile. Inoltre, la modularizzazione conferisce al software maggiore robustezza, nel senso che si riescono a prevedere tutte le possibili situazioni, anche quelle non previste. Ad esempio, bisogna sempre prevedere il caso in cui vengano immessi dei dati sbagliati. Nei codici operativi dei processori, possono esserci combinazioni di bit non utilizzabili: queste possono essere riconosciute come NOP, in modo tale che il programma possa continuare a funzionare. Siamo sempre nell ambito della robustezza del software. TRAP è una interruzione interna: avviene sempre in uno stesso punto se vengono adoperati gli stessi dati in ingresso al programma in esecuzione. Consideriamo una CPU dotata di memoria cache e supponiamo che la CPU richieda un dato che la cache non possiede. Si può pensare allora a tre strategie diverse: la prima è quella per cui la cache prende il dato dalla memoria principale e lo fornisce alla CPU, dopodiché carica l intero blocco a partire dalla prima parola; la seconda strategia è che la cache comincia aggiornamento: 7 luglio

10 Appunti di Calcolatori Elettronici Appendice 1 subito a caricare il blocco dalla prima parola, ma, appena arriva al dato richiesto, lo fornisce alla CPU, dopodiché procede a caricare il resto del blocco; la terza ed ultima strategia è che la cache comincia a carica il blocco a partire dal dato richiesto, fornendo quest ultimo subito alla CPU, dopodiché carica la parte rimanente del blocco. E evidente che la prima e la terza strategia forniscono la penalizzazione di fallimento più bassa, dato che il dato richiesto viene consegnato il prima possibile alla CPU, ma sono anche quelle più complesse da implementare. Il DMA può impegnare il bus dei dati solo se non lo impegna la cache, in quanto questa ha priorità di accesso più alta. Nel frattempo, il processore non è comunque fermo, essendo una macchina a regime. Il buffer è una struttura di memoria di tipo FIFO, che riceve dati e non ha bisogno di indirizzi. E possibile realizzare una unità di calcolo che, invece di tre bus come il DLX, abbia un unico bus interno? Per farlo, è fondamentale anteporre un latch davanti ad uno degli ingressi della ALU, mentre l altro ingresso riceve direttamente l operando dal bus. Serve anche un latch all uscita della ALU. Al fine di migliorare le prestazioni di un calcolatore, a parità di tecnologia di realizzazione, dobbiamo cercare di ottenere la massima sovrapposizione in termini di tempi, stadi, eventi e così via. Questo è il principio guida che porta, ad esempio, alla pipeline o alla memoria cache. In informatica, risulta sempre A+B=A quando B è molto minore di A. Si definisce kernel il nucleo del sistema operativo. Si tratta però di un termine abbastanza generale, che assume di volta in volta nomi diversi: ad esempio, nel caso dei sistemi DOS e Windows, si parla di bios. Il kernel contiene ad esempio il cosiddetto bootstrap, che permette di caricare, quando il computer viene avviato, i driver di tutte le periferiche; permette anche di verificare quanta memoria risulta disponibile. Al giorno d oggi, alcuni hard disk professionali sono dotati di una loro memoria cache, che serve da interfaccia con la memoria principale. Tra le altre cose, questa cache consente di rendere l hard disk meno stressato, evitando che stia continuamente a leggere e scrivere. In un sistema multiprocessore a memoria condivisa, tale memoria fa in modo che i processori possano scambiarsi i dati, dato che stanno lavorando allo stesso processo. Se invece non ci fosse la memoria condivisa, allora un processore dovrebbe prendere i dati da un altro attraverso linee di comunicazione apposite. In un sistema multiprocessore, il tempo di elaborazione può aumentare a causa di una frazione del processo non parallelizzabile o anche perché si verifica uno stato di attesa di risultati provenienti da altri processori. Così come il processore ha registri MAR e MDR per comunicare con la memoria cache, anche la cache ha analoghi registri per comunicare con la memoria principale. Tra le varie differenze tra macchine RISC e CISC, c è anche quella per cui, nelle macchine RISC, il controllo può essere fatto in logica dedicata (ne abbiamo visto un esempio proprio sul DLX). aggiornamento: 7 luglio

11 Concetti vari La memoria virtuale non viene introdotta nei calcolatori solo per garantire che anche programmi più grandi della memoria fisica a disposizione possano essere eseguiti; al contrario, essa è stata introdotta fondamentalmente per garantire la presenza contemporanea di più processi in memoria. Con il termine mapping intendiamo fondamentalmente un processo che riceve un dato in ingresso e lo traduce in un dato in uscita. Ad esempio, nel controllo microprogrammato, il codice operativo dell istruzione situata nel registro IR viene tradotta nell indirizzo della prima microistruzione da eseguire (indirizzo relativo alla memoria di controllo). Una memoria a doppia porta, essendo destinata a due utenze contemporanee, è collegata necessariamente a due bus indirizzi e due bus dati. Ciò non esclude, comunque, che le due utenze siano in realtà riconducibili allo stesso processore. Rappresentazione grafica degli stadi di esecuzione di una istruzione Abbiamo sempre schematizzato graficamente i vari stadi di esecuzione di una istruzione nel modo seguente: Schematizzazione grafica semplificata delle varie fasi di esecuzione di una istruzione In effetti, avremmo potuto usare una rappresentazione leggermente più complessa, al fine di evidenziare alcuni particolari in più relativamente alle operazioni che vengono effettuate nei vari stadi ed al fatto che non tutte le istruzioni sono attive in tutti gli stadi; avremmo ad esempio potuto usare la seguente rappresentazione: Schematizzazione grafica dettagliata delle varie fasi di esecuzione di una istruzione Le frecce che collegano ciascuno stadio al successivo indicano uno trasferimento delle informazioni contenute nell istruzione. Dallo stato IF allo stadio ID è stato indicato uno sdoppiamento del percorso perché l informazione va sia al circuito di decodifica dell istruzione sia anche all indirizzamento del banco registri (in quanto ricordiamo che lo stadio ID comporta anche l esecuzione delle operazioni A Rs1 e B Rs2). aggiornamento: 7 luglio

12 Appunti di Calcolatori Elettronici Appendice 1 Il bypass dello stadio MEM indice invece il fatto che non tutte le istruzioni accedono alla memoria, anche se ribadiamo che, in una macchina con pipeline, la sincronizzazione degli stadi impone che, comunque, tutte le istruzioni attraversino tutti gli stadi della pipeline, pur senza richiedere il compimento di alcuna operazione. Il doppio percorso tra lo stadio ID e lo stadio EX è dovuto al fatto che lo stadio EX richiede sempre l intervento della ALU, che vuole in ingresso sempre due operandi, da scegliersi (tramite i multiplexer all ingresso dell ALU stessa) in base all istruzione. Da notare che istruzioni e dati, nella rappresentazione appena descritta, si muovono sempre da sinistra e destra attraverso il percorso ; concettualmente, fa eccezione a questo l ultimo stadio (WB, Write Back), in quanto il dato che viene eventualmente scritto nel banco dei registri potrebbe essere letto da una istruzione successiva, in corrispondenza dello stadio ID. Gestione delle interruzioni Quando si presenta una istruzione, per un processore dotato di pipeline come ad esempio quella del DLX, a prescindere dal tipo di interruzioni esistono tre distinte modalità di procedere: quella più drastica consiste nello svuotare la pipeline: bisogna cioè terminare l esecuzione delle istruzioni precedenti a quella che ha causato l interruzione, dopodiché l interruzione viene servita e si riprende l esecuzione a partire dalla stessa istruzione che l ha causata; una soluzione meno drastica consiste nel congelare la pipeline così com è, ossia nell arrestare tutti gli stadi in corso: viene servita l interruzione e poi tutti gli stadi sospesi vengono ripresi; infine, c è anche la possibilità di effettuare il cosiddetto switch del processore: si passa da un processore ad un altro di gestione interrupt (il quale non deve ulteriormente essere suscettibile di interrupt). Nella figura seguente è illustrata la prima strategia, ipotizzando che sia l istruzione i+2 a determinare l interruzione, in corrispondenza della fase ID: Istruzione i Istruzione i+1 Istruzione i+2 Istruzione i+3 IF ID EX MEM WB IF ID stallo stallo Istruzione i+4 Istruzione i+5 interruzione tempo (cicli di clock) Quando l interruzione viene rilevata, si provvede a servirla mentre si termina l esecuzione delle istruzioni precedenti, dopodiché si riprende dalla fase IF aggiornamento: 7 luglio

13 Concetti vari dell istruzione che ha provocato l interruzione. Un esempio di possibile applicazione di questa strategia sono le situazioni di mancanza di pagina. Nella figura seguente viene invece schematizzata la seconda strategia, supponendo che sia sempre la fase ID dell istruzione i+2 a determinare l interruzione: Istruzione i Istruzione i+1 ID EX MEM WB Istruzione i+2 IF ID stallo EX MEM WB Istruzione i+3 IF stallo ID EX MEM WB Istruzione i+4 Istruzione i Una volta servita l interruzione (qui si suppone che basti un solo ciclo di clock), si riprende dagli stadi che erano stati bloccati. Un esempio di possibile applicazione di questa strategia sono le situazioni di accesso incompleto a memoria, anche se, in realtà, queste non sono da considerarsi come dei veri e propri interrupt, visto che si tratta semplicemente di prolungare la durata di un singolo stadio di esecuzione. Da notare che, se l interruzione è esterna, la soluzione si presenza abbastanza semplice: infatti, essa viene rilevata prima della fase IF della prossima istruzione, per cui quest ultima viene sostituita dalla prima istruzione della routine di interrupt, che viene anch essa posta nella pipeline. Le interruzioni esterne asincrone (come le richieste dal sistema di I/O, un calo della tensione di alimentazione o altro) vengono sempre rilevata alla fine dell istruzione in corso e quindi servite prima della fase IF dell istruzione successiva. Se invece l interruzione è interna, allora il discorso è più complesso. Consideriamo, ad esempio, un processore con controllo microprogrammato, il che significa che l esecuzione di ogni istruzione corrisponde sostanzialmente all esecuzione di un microprogramma, cioè di una sequenza di microistruzioni: se si dovesse verificare una interruzione interna, come ad esempio una mancanza di pagina, il microprogramma in corso di esecuzione viene arrestato nel mezzo ed avviene un salto ad una subroutine di gestione dell interruzione che è un altro microprogramma. sandry@iol.it sito personale: aggiornamento: 7 luglio