Calcolatore = esecutore di algoritmi FONDAMENTI DI INFORMATICA 1. Una semplice architettura. Istruzioni e programma ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI ALU

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Nicola Cicci
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1 Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica FONDAMENTI DI INFORMATICA 1 A.A. 2/2 Calcolatore = esecutore di algoritmi Il calcolatore è un sistema complesso la cui principale prerogativa è quella di poter memorizzare un insieme di istruzioni che verranno poi eseguite una ad una, in un ordine stabilito dal sistema stesso; tale insieme di istruzioni prende il nome di PROGRAMMA Docente: Gian Luca Marcialis ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI Il programma è la formalizzazione di un algoritmo, espresso in una forma intelligibile dal particolare calcolatore impiegato. Un algoritmo una volta espresso in forma di programma e inserito in memoria può essere eseguito autonomamente dal calcolatore senza ulteriori interventi esterni. Istruzioni e programma Una semplice architettura Ogni particolare calcolatore è in grado di eseguire autonomamente un insieme di operazioni. Un algoritmo per poter essere eseguito da un calcolatore dovrà essere espresso come combinazione di queste operazioni elementari. La sequenza di istruzioni che costituisce un programma è allocata in celle consecutive di memoria, a partire da una cella iniziale di indirizzo noto. Il calcolatore estrae dalla memoria le istruzioni, le interpreta e le esegue, secondo il ciclo di esecuzione: 1) Fetch dell istruzione 2) Decodifica o interpretazione dell istruzione 3) Fetch dell operando (o degli operandi) 4) Elaborazione degli operandi 5) Memorizzazione del risultato (in un registro o in un area di memoria)

2 Istruzioni Elementari Si considerino le seguenti istruzioni eseguibili dal calcolatore Codice operativo Codice mnemonico HLT LDA X STA X ADDA X SUBA X Significato HALT : termina le operazioni Load A: carica il registro A con il contenuto della cella di memoria di indirizzo X Store A: memorizza il contenuto del registro A nella cella di memoria di indirizzo X Add A: somma il contenuto del registro A e della cella di memoria di indirizzo X e pone il risultato in A Sub A: sottrae il contenuto della cella di memoria di indirizzo X dal valore presente nel registro A e pone il risultato in A Costruiamo un programma per la valutazione di un espressione aritmetica Supponiamo di dover scrivere un programma che valuti la seguente espressione aritmetica: 10 * Dove i valori 10, 2, 5, 72 sono contenute in celle contigue di memoria a partire dalla locazione 012 della nostra architettura. Il risultato vogliamo memorizzarlo nell indirizzo 101 MULA X Mul A: moltiplica il contenuto della cella di memoria di indirizzo X al valore contenuto nel registro A e pone il risultato in A Il codice operativo è la rappresentazione binaria dell istruzione. Una possibile soluzione algoritmica: *Preleva dalla memoria il valore 10 *Moltiplicalo per 2 *Somma al risultato 5 *Sottrai 72 *Metti il risultato nella locazione Con il nostro pseudolinguaggio: * *MULA 013 *ADDA 014 *SUBA 015 *STA *HLT STA LDA () + 1

3 LDA MULA STA (10) STA MULA 013 (002) MULA 013 MULA ADDA STA (20) MULA 013 STA 002 ADDA (003) ADDA 014

4 ADDA SUBA STA (25) ADDA 014 STA 003 SUBA () SUBA 015 SUBA STA STA (-47) SUBA 015 STA STA (005) STA

5 STA Esercizio calcolo del tempo di esecuzione STA (-47) STA STA E' dato il seguente algoritmo: VTA i sette numeri interi appartenenti all'insieme A: PER OGNI numero in A: SE il numero è minore di 5, scrivi Troppo piccolo ALTRIMENTI, SE il numero è uguale a 5, scrivi Perfetto ALTRIMENTI, scrivi Troppo grande Supporre che le operazioni in memoria centrale richiedano 50 ns e in cache 5 ns. (non considerare VTA come un'operazione!) Calcolare il tempo di esecuzione nel caso di accesso alla sola memoria centrale oppure nel caso in cui le operazioni interne siano memorizzate in cache. Supponiamo inoltre che l insieme A contenga 4 numeri minori di 5 un 5 2 numeri maggiori di 5 Per ogni numero minore di 5 è viene eseguito solo il primo SE e l istruzione di scrittura Per i numeri uguali a 5 vengono eseguiti due SE e l istruzione di scrittura Per i numeri maggiori di 5 vengono eseguiti i tre SE più l istruzione di scrittura Soluzione (caso 1) VTA i sette numeri interi appartenenti all'insieme A: PER OGNI numero in A: SE il numero è minore di 5, scrivi Troppo piccolo ALTRIMENTI, SE il numero è uguale a 5, scrivi Perfetto ALTRIMENTI, scrivi Troppo grande L istruzione PER OGNI viene eseguita 7 volte : 50 x 7 = 350 ns Per ogni numero minore di 5 è viene eseguito solo il primo SE e l istruzione di scrittura 4 x ( ) = 400 ns Per i numeri uguali a 5 vengono eseguiti due SE e l istruzione di scrittura 1+ ( ) = 150 ns Per i numeri maggiori di 5 vengono eseguiti i tre SE più l istruzione di scrittura 2+ ( ) = 400 ns Totale = 1300 ns

6 Soluzione (caso 2) VTA i sette numeri interi appartenenti all'insieme A: PER OGNI numero in A: SE il numero è minore di 5, scrivi Troppo piccolo (5 ns) ALTRIMENTI, SE il numero è uguale a 5, scrivi Perfetto (5 ns) ALTRIMENTI, scrivi Troppo grande (5 ns) L istruzione PER OGNI viene eseguita 7 volte : 50 x 7 = 350 ns Per ogni numero minore di 5 viene eseguito solo il primo SE e l istruzione di scrittura 4 x (50 + 5) = 220 ns Per i numeri uguali a 5 vengono eseguiti due SE e l istruzione di scrittura 1+ ( ) = 105 ns Per i numeri maggiori di 5 vengono eseguiti i tre SE più l istruzione di scrittura 2+ ( ) = 310 ns Domande sull'architettura dei Calcolatori 1. Qual è la sequenza di registri coinvolti nel prelievo delle istruzioni? 2. Qual è la sequenza di registri coinvolti nel prelievo dei dati? 3. Quali sono i registri coinvolti nell'esecuzione di operazioni aritmetiche? 4. Quali delle istruzioni di base coinvolgono il registro di servizio SR? 5. Quali delle istruzioni di base coinvolgono la? Totale = 985 ns pari a circa il 76% del tempo impiegato senza l uso della cache, con un risparmio del 24% Domanda 1. Qual è la sequenza di registri coinvolti nel prelievo delle istruzioni (fetch)? STA MULA MULA (002) NOTA: Il prelievo delle istruzioni viene eseguito PER TUTTE le istruzioni! 013 Domanda 2. Qual è la sequenza di registri coinvolti nel prelievo dei dati? STA LDA NOTA: Non confondere il prelievo dei dati con l'esecuzione dell'istruzione LDA

7 Domanda 3. Quali sono i registri coinvolti nell'esecuzione di operazioni aritmetiche? STA (-47) SUBA Domanda 4. Quali delle istruzioni di base coinvolgono il registro di servizio SR? Risposta: tutte, tranne HLT (che comunque è un'istruzione particolare in quanto non svolge nessuna operazione, ma indica solo il termine dell'esecuzione corrente) NOTA: La è coinvolta, ma non è un registro! Costruiamo un programma per la valutazione di un espressione aritmetica Domanda 5. Quali delle istruzioni di base coinvolgono la? Risposta: tutte quelle che coinvolgono operazioni logiche o aritmetiche, nel nostro caso abbiamo descritto: ADDA (somma) SUBA (sottrazione) MULA (moltiplicazione) Supponiamo di dover scrivere un programma che valuti la seguente espressione aritmetica: 16-3 * i valori 16, 3, 2, 14 sono contenute in celle contigue di memoria a partire dalla locazione 012 della nostra architettura. Il risultato vogliamo memorizzarlo nell indirizzo

8 Una possibile soluzione algoritmica: *Preleva dalla memoria il valore 16 *Sottrai 3 *Moltiplica per 2 *Addiziona 14 *Metti il risultato nella locazione Con il nostro pseudolinguaggio: * *SUB 013 *MUL 014 *ADD 015 *STA *HLT STA LDA () + 1 LDA SUBA STA (16) STA SUBA 013 (002) SUBA 013

9 SUBA MULA STA (13) SUBA 013 STA 002 MUL (003) MULA 014 MULA ADDA STA (26) MULA 014 STA 003 ADDA () ADDA 015

10 ADDA STA STA (40) ADDA 015 STA STA (005) STA STA STA 40 STA STA

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