Pag. 1. Informatica Facoltà di Medicina Veterinaria a.a. 2012/13 prof. Stefano Cagnoni. Architettura del calcolatore (parte II)

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1 1 Università degli studi di Parma Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Informatica a.a. 2012/13 La inserita nella architettura dell elaboratore Informatica Facoltà di Medicina Veterinaria a.a. 2012/13 prof. Stefano Cagnoni Architettura del calcolatore (parte II) Cache L1 Motherboard Memorie di Massa Hard Disk Floppy CD-ROM Tape Cache L2 RAM BIOS B U S Controllori Dispositivi di I/O Tastiera Mouse Schermo Stampante LAN (Local Area Network) Caratteristiche del collegamento a BUS Al centro dell architettura Semplicità un unica linea di connessione costi ridotti di produzione Estendibilità aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice Standardizzazione stesse regole per la comunicazione fra dispositivi diversi Lentezza utilizzo in «mutua esclusione» del bus (un dispositivo alla volta) Limitatà capacità al crescere del numero di dispositivi collegati Sovraccarico del processore () perchè funge da master sul controllo del bus Central Processing Unit () + Memoria Compito della : Eseguire i comandi contenuti nella memoria Architettura di Von Neumann Memoria Istruzioni + dati Architettura Harvard Memoria controlli Memoria dati Pag. 1

2 2 Architettura di Von Neumann della Architettura di Von Neumann della M e m o r i a ALU: Arithmetic Logic Unit: - Esegue le operazioni aritmetico-logiche. ACC: Accumulatore: - Immagazzina dati in ingresso e uscita all'alu. M e m o r i a Alcuni registri importanti: PC: Program Counter - Memorizza l'indirizzo della istruzione da eseguire. IR: Instruction Register - Memorizza il codice dell'istruzione da eseguire. DR: Data Register Memorizza i dati provenienti e diretti alla memoria. AR: Address Register - Memorizza gli indirizzi da comunicare alla memoria Il ciclo macchina Unità di controllo Un ciclo in cinque passi: 1. Fetch istruzione 2. Decodifica istruzione 3. Fetch Dati 4. Esecuzione Istruzione 5. Restituzione Risultato Implementa il ciclo macchina direttamente via hardware I suoi circuiti recuperano un istruzione dalla memoria ed eseguono le altre operazioni del ciclo un istruzione tipica ha la forma: ADD 2000, 2080, 4000 quest istruzione richiede che i numeri memorizzati nelle locazioni 2000 e 2080 siano sommati e che il risultato sia inserito nella locazione 4000 il passo di Fetch Dati deve estrarre i due valori; dopo aver effettuato la somma il passo Restituzione Risultato inserirà la somma nella locazione Pag. 2

3 3 Unità Aritmetico/Logica (ALU) Principio del programma memorizzato Esegue tutti i calcoli Generalmente è utilizzata nel passo del ciclo macchina denominato Esecuzione Istruzione Un circuito nell ALU può sommare due numeri Altri circuiti sono dedicati a moltiplicazione, confronto, ecc. Le istruzioni di puro trasferimento dei dati non usano l ALU Il passo del ciclo macchina Fetch Dati recupera i valori necessari all ALU (operandi) Quando l ALU ha completato l operazione, il passo Restituzione Risultato trasferisce il risultato (somma o prodotto o altra operazione) dall ALU (meglio, da un accumulatore) ad un indirizzo specificato nell istruzione Come fare per recuperare la prossima istruzione? Il programma deriva da un algoritmo, che elenca le operazioni in sequenza Di solito (>90% dei casi) l istruzione da eseguire è la prossima, quindi è sufficiente inserire le istruzioni in memoria in sequenza Altrimenti: JUMP <indirizzo> Questa istruzione macchina consente di saltare nell esecuzione ad un indirizzo arbitrario in memoria Altre istruzioni consentono di effettuare salti condizionati in base ad un risultato precedente Il Program Counter Istruzioni di salto Come fa il computer a determinare qual è l istruzione successiva da eseguire? (più in dettaglio) L indirizzo dell istruzione successiva è memorizzato nell unità di controllo ed è chiamato Program Counter (PC) Dato che le istruzioni occupano 4 byte di memoria, l istruzione successiva dovrebbe essere PC + 4 Il PC è incrementato di 4, così, quando il ciclo macchina ritornerà al passo Fetch Istruzione, il PC starà già "puntando" all istruzione successiva L istruzione può includere l indirizzo dell istruzione successiva. Questo modifica il PC che invece di aggiungere 4 automaticamente, "salta" alla locazione specificata Il PC viene quindi sovrascritto nel passo di Esecuzione Istruzione con il dato specificato come operando Il successivo Fetch farà riferimento alla istruzione a tale indirizzo Pag. 3

4 4 E il processo di esecuzione di un programma il computer interpreta i comandi tradotti nel linguaggio macchina Stato della prima del fetch di una istruzione di ADD: L esecuzione comincia trasferendo dalla memoria all unità di controllo l istruzione contenuta all indirizzo specificato dal PC I bit dell istruzione sono copiati nel circuito decodificatore (IR) dell unità di controllo Una volta fatto questo, il PC può essere configurato per il recupero dell istruzione successiva Nel passo Decodifica Istruzione, l ALU è configurata per eseguire l operazione desiderata Il decodificatore troverà gli indirizzi dei dati in ingresso (operandi sorgente) la maggior parte delle istruzioni contiene gli indirizzi di due operandi sorgente (come ADD) questi indirizzi sono passati al circuito che li recupera durante il passo successivo, Fetch Dati Il decodificatore estrae l indirizzo di destinazione per il passo Restituzione Risultato e lo inserisce in un apposito registro Il decodificatore determina quali operazioni l ALU dovrà eseguire e la configura in modo appropriato Pag. 4

5 5 Decodifica istruzione e fetch dati Esecuzione Istruzione: è il passo in cui sono effettivamente eseguiti i calcoli. Nel caso dell istruzione ADD, il circuito effettua la somma dei due operandi sorgente Set di istruzioni Restituzione Risultato: restituisce il risultato dell elaborazione nella locazione di memoria specificata dall indirizzo di destinazione Una volta concluso questo passo, il ciclo ricomincia E l insieme di istruzioni elementari di una I computer possono eseguire solo circa 100 istruzioni diverse (come ordine di grandezza) circa 20 tipi di operazioni distinte (ma servono istruzioni diverse per sommare byte, parole di memoria, numeri decimali ecc.) processori RISC (Reduced Instruction Set Computer) e CISC (Complex Instruction Set Computer) Si tratta di operazioni estremamente elementari Tutto ciò che chiediamo al computer deve essere ricondotto a una combinazione di queste operazioni primitive, supportate direttamente dall hardware Pag. 5

6 6 Esempi di altre istruzioni Tre tipologie di istruzioni Oltre ad ADD, MULT (moltiplicazione) e DIV (divisione), altri esempi di istruzioni includono: lo spostamento (shift) dei bit di una parola di memoria verso destra o verso sinistra, riempiendo gli spazi che si vengono a creare con degli zeri e buttando via i bit che traboccano il calcolo dell AND logico, che verifica se due bit valgono entrambi 1, o dell OR logico, che verifica se almeno uno di essi vale 1 (operazioni applicate in parallelo a tutti i bit di due parole) il test che appura se un singolo bit vale zero o no, e salta a un nuovo blocco di istruzioni a seconda del risultato lo spostamento dei dati da un area all altra della memoria la ricezione di segnali dai dispositivi di input e la scrittura in quelli di output Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati) Somma, Sottrazione, Divisione, And, Or, Xor, Maggiore, Minore, Uguale, Minore o uguale, Controllo del flusso delle istruzioni Sequenza Selezione semplice, a due vie, a n vie, Ciclo a condizione iniziale, ciclo a condizione finale, Trasferimento di informazione Trasferimento dati e istruzioni tra e memoria Trasferimento dati e istruzioni tra e dispositivi di ingresso/uscita (attraverso le relative interfacce) Pag. 6