Architettura di un Sistema di Elaborazione

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1 Architettura di un Sistema di Elaborazione Hardware e Software: Prima scomposizione di un "sistema informatico": Hardware: componenti fisici del sistema Software: i programmi che vengono eseguiti dal sistema Il confine tra hardware e software in realta non e sempre ben definito (v. firmware). UTENTE Software Firmware Hardware FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 1

2 Modello di Von Neumann Architettura di un elaboratore Organizzata secondo il modelio della macchina di von Neumann definita nei tardi anni 40 all Institute for Advanced Study di Princeton. E` costituita da quattro elementi funzionali fondamentali: Unità centrale di elaborazione (CPU); Memoria Centrale; Periferiche; Bus di sistema. Bus di sistema Unita di elaborazione Memoria centrale Interfacce verso periferiche Architettura di un elaboratore FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 2

3 La CPU contiene i dispositivi elettronici in grado di acquisire, interpretare ed eseguire le istruzioni di ogni programma, trasformando i dati. Le istruzioni vengono eseguite in sequenza. Dati ed istruzioni vengono trasferiti da (e verso) la memoria centrale. La memoria centrale contiene sia le istruzioni che i dati (informazioni necessarie per eseguire un programma). Ha dimensioni limitate ed e` volatile (cioe` le informazioni memorizzate vengono perse allo spegnimento del computer). Le periferiche consentono uno scambio di informazioni fra l'elaboratore e l'esterno (ingresso/uscita, memoria secondaria). In particolare, la memoria secondaria (o memoria di massa) viene utilizzata per memorizzare grandi quantita' di informazioni in modo persistente. Ha dimensioni elevate, ma l accesso e' meno rapido, rispetto alla memoria centrale. Il bus di sistema collega questi elementi funzionali. Fornisce il supporto fisico per la trasmissione dei dati tra i vari elementi. FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 3

4 Introduzione Che cos è un calcolatore? Come funziona un calcolatore? è possibile rispondere a queste domande in molti modi, ciascuno relativo a un diverso punto di vista in questo corso, il punto di vista prevalente è quello del calcolatore come macchina programmabile, ovvero in grado di eseguire programmi Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 2

5 Hardware e software La prima decomposizione di un calcolatore è relativa alle seguenti macrocomponenti: hardware la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici ed elettromeccanici software l insieme dei programmi che consentono all hardware di svolgere dei compiti utili il software comprende il software di base (tra cui il sistema operativo) e il software applicativo Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 4

6 Organizzazione a livelli Hardware e software sono organizzati a livelli (o strati). Ogni livello usa i servizi offerti dal livello sottostante. Utente Un utente agisce usando i servizi del livello software applicativo (web, videogames, programmi di grafica etc) Le applicazioni a loro volta usano i servizi del software di base (es. sistema operativo) Il livello software di base, utilizza il livello hardware. Software applicativo Software di base Hardware Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 5

7 Macchina di Von Neumann L architettura dell hardware di un calcolatore reale è molto complessa viene introdotta la macchina di Von Neumann, che è un modello semplificato dei calcolatori moderni Von Neumann è stato il progettista (intorno al 1950) del primo calcolatore in cui i programmi potevano essere memorizzati anziché codificati mediante cavi e interruttori 8 Architettura dei calcolatori

8 US-Army photo

9 Elementi della macchina di Von Neumann La macchina di Von Neumann è composta da quattro tipologie di componenti funzionali fondamentali unità centrale di elaborazione (CPU) componente in grado di eseguire istruzioni per l elaborazione dei dati svolge anche funzioni di controllo (ovvero, di coordinamento) delle altre componenti funzionali memoria centrale memorizza e fornisce l accesso a dati e programmi interfacce di ingresso e uscita componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore (considerate esterne al calcolatore), che consentono lo scambio di dati tra calcolatore e utente bus svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali 9 Architettura dei calcolatori

10 Vista funzionale di un Calcolatore Ambiente Trasferimento Controllo Elaborazione Memorizzazione Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 6

11 Componenti di un Calcolatore Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 7

12 Rappresentazione delle Informazioni e Memorizzazione: Unita di misura I sistemi di elaborazione sono realizzati con tecnologia digitale: le informazioni sono rappresentate mediante segnali elettrici a 2 valori di tensione {V low, V high } (oppure {0,1}). Per questo motivo, l unita` logica di memorizzazione (e, in generale, di rappresentazione delle informazioni) e` il bit (binary digit): +un bit e` una grandezza il cui dominio di variazione e` composto dai due valori {0,1}. il byte equivale ad 8 bit Unita` successive: potenze in base 2 del byte (con esponente multiplo intero di 10): Kilobyte 210 byte 1024 byte KB Megabyte 220 byte byte MB Gigabyte 230 byte ~109 byte GB Terabyte 240 byte ~1012 byte TB FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 4

13 Rappresentazione delle informazioni e dati Lo scopo fondamentale di un calcolatore è di permettere l elaborazione di informazioni le informazioni sono rappresentate sotto forma di dati un dato è una informazione elementare I dati che un calcolatore sa rappresentare ed elaborare direttamente sono molto semplici i dati vengono rappresentati nel calcolatore mediante delle codifiche binarie i tipi di dato in un calcolatore numeri interi numeri razionali caratteri valori di verità (vero/falso) per essere manipolate da un calcolatore, le informazioni di interesse devono essere organizzate in termini di questi tipi di dato 12 Architettura dei calcolatori

14 Elaborazione Le istruzioni del linguaggio macchina di un calcolatore corrispondono ad operazioni elementari di manipolazione dei dati operazioni aritmetiche somma, prodotto,... operazioni relazionali confronto tra dati operazioni su caratteri e valori di verità altre operazioni numeriche calcolo di logaritmi e funzioni trigonometriche Un calcolatore sa dunque svolgere poche tipologie di operazioni ma le sa eseguire in modo molto efficiente un calcolatore può eseguire circa milioni di istruzioni del linguaggio macchina al secondo L elaborazione dei dati viene svolta dall unità aritmetico -logica (ALU), che è un componente dell unità centrale di elaborazione 13 Architettura dei calcolatori

15 Memorizzazione Un calcolatore ha la necessità di memorizzare, in modo temporaneo o permanente, i dati per la rappresentazione delle informazioni di interesse La memoria è l unità responsabile della memorizzazione dei dati una unità di memoria è organizzata in celle a ciascuna cella è associato un indirizzo, che la identifica ciascuna cella è in grado di memorizzare un singolo dato Una unità di memoria fornisce due operazioni memorizzazione di un dato in una cella (scrittura) dato il valore da memorizzare e l indirizzo della cella, modifica lo stato della memoria accesso al dato memorizzato in una cella (lettura) dato l indirizzo della cella, restituisce il valore Nella memoria vengono memorizzati anche i programmi viene utilizzata una opportuna codifica delle istruzioni 14 Architettura dei calcolatori

16 Trasferimento Il bus è il componente del calcolatore dedicato al trasferimento dei dati e di informazioni di controllo tra le varie parti del calcolatore il bus è l insieme dei collegamenti su cui vengono trasferiti i dati e i segnali di controllo in un calcolatore L idea alla base del bus ci sono due modalità per collegare tutte i componenti di un calcolatore (per permettere lo scambio di dati tra i componenti) collegare ciascun componente con ogni altro componente collegare tutti i componenti a un unico insieme di linee (il bus, appunto) l uso del bus favorisce la modularità e l espandibilità del calcolatore 15 Architettura dei calcolatori

17 Controllo Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall unità di controllo l unità di controllo è un altro componente dell unità centrale di elaborazione ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall unità di controllo L attività di controllo svolta dall unità di controllo avviene in modo sincrono rispetto alla scansione temporale imposta dall orologio di sistema (clock) è un coordinamento dell esecuzione temporale delle funzioni che devono essere svolte sia internamente all unità di elaborazione che negli altri elementi funzionali 16 Architettura dei calcolatori

18 Frequenza di clock La frequenza con cui si eseguono i cicli di esecuzione è scandita dal clock (orologio interno) ad ogni impulso di clock l unità di controllo esegue un ciclo di esecuzione la velocità di elaborazione di un microprocessore dipende dalla frequenza del suo clock (300, 400,... MHz) (es.: 300 milioni di cicli al secondo). Attualmente si parla di GHz. PDF created with pdffactory trial version

19 Unità centrale di elaborazione L unità centrale di elaborazione (o processore ) è composta dall unità di controllo e dall unità aritmetico-logica l unità centrale di elaborazione controlla l esecuzione di un programma (memorizzato in memoria centrale sotto forma di una sequenza di istruzioni del linguaggio macchina) eseguendo ordinatamente le istruzioni del programma L esecuzione di ciascuna istruzione avviene mediante lo svolgimento delle seguenti tre operazioni di base (lettura) fetch legge dalla memoria la prossima istruzione da eseguire (decodifica) decode determina il tipo di istruzione che deve essere eseguito (esecuzione) execute richiede lo svolgimento di tutte le azioni necessarie per l esecuzione dell istruzione ciascuna azione viene richiesta al componente opportuno 17 Architettura dei calcolatori

20 Periferiche e interfacce di ingresso-uscita Un calcolatore può essere collegato a diversi dispositivi di ingresso e/o uscita (chiamati periferiche ) ad esempio, la tastiera, il mouse, lo schermo, le stampanti, il modem anche le memorie di massa (ad esempio, le unità disco e il lettore di CD-ROM) sono considerati periferiche Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte del calcolatore ogni periferica viene controllata mediante un opportuna interfaccia una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa 18 Architettura dei calcolatori

21 Il Bus di Sistema 2 A rchitettura del calcolatore Bus di Sistema: collega tra loro le varie unità funzionali (la CPU, la memoria e le varie interfacce di I/O). In ogni istante, il bus collega 2 unità funzionali, (es. CPU e memoria oppure CPU e l interfaccia di una specifica periferica).

22 2 Architettura del calcolatore Il Bus di Sistema Il bus è sempre sotto il controllo della CPU che: seleziona l'interconnessione da attivare indica l'operazione da compiere Le altre unità funzionali (slave) si attivano solo dopo essere state selezionate dalla CPU (master)

23 2 Architettura del calcolatore Il Bus di Sistema La durata di un'interconnessione dipende sia dalla velocità di trasmissione del bus, sia dalla velocità dei dispositivi ad esso connessi. Le linee del bus vengono suddivise in tre categorie in base al tipo di informazione trasportata: Il bus di sistema consiste di un bus dati, un bus indirizzi e un bus controllo.

24 Tipi di Bus Bus dati: utilizzato per trasferire dati (es. fra memoria e CPU, fra CPU e interfacce di I/O) Bus indirizzi: che identifica la posizione delle celle di memoria un cui la CPU va a scrivere o leggere Bus di controllo: in cui transitano i segnali di controllo che consentono di selezionare le unità coinvolte in un trasferimento dati (sorgente e destinazione), di definire la direzione dello scambio (scrittura o lettura) Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 8

25 Architettura di Von Neumann Burks, Goldstein e Von Neumann sono stati i primi a proporre che il codice del programma potesse essere memorizzato nella stessa memoria dei dati Indirizzi CPU Dati Controllo Memoria Memoria indifferenziata per dati o istruzioni Solo l'interpretazione da parte di CPU stabilisce se una data configurazione di bit è da riguardarsi come un dato o come un'istruzione Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 9

26 John Von Neumann ( ) Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl Organizzazione Bus indirizzi: origina dalla CPU e contiene gli indirizzi della cella di memoria da leggere/scrivere Bus controlli: comandi della CPU, risposte, indicatori di stato Bus Dati Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

27 Memoria centrale PDF created with pdffactory trial version

28 Memorie RAM e memorie ROM o Le memorie RAM (random access memory) possono essere accedute sia in lettura che in scrittura sono volatili (i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore) sono usate per memorizzare dati e programmi PDF created with pdffactory trial version

29 Memoria centrale La memoria è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acceduti i dati e i programmi la memoria centrale (o principale ) è la memoria che può essere acceduta direttamente dal processore Una memoria si compone di celle (o locazioni ) ogni cella di memoria è in grado di memorizzare una parola di memoria (ovvero, un sequenza di bit di lunghezza fissata) ogni cella è caratterizzata da un indirizzo, che è un numero che identifica la cella e ne consente l accesso un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella fornisce le operazioni di lettura e scrittura 27 Architettura dei calcolatori

30 Struttura di una memoria centrale La struttura semplificata di una memoria centrale 128 celle di memoria di 16 bit ciascuna indirizzo della cella bus indirizzi cella selezionata leggi/scrivi bus di controllo bus dati parola letta o da scrivere 28 Architettura dei calcolatori

31 2 Architettura del calcolatore E volatile; esistono però anche memorie ROM, PROM, EPROM... E indirizzabile direttamente tramite il registro indirizzi di memoria (MAR), che si trova nella CPU E estendibile in relazione al numero di bit dedicati all indirizzamento è copiabile tramite il registro dati di memoria (MDR) La Memoria Centrale

32 2 Architettura del calcolatore Parametri caratteristici della memoria Capacità: quantità di informazione che può essere immagazzinata. Si esprime in numero di byte. Tempo di accesso: tempo necessario all' accesso in lettura o in scrittura, misurato dall'istante in cui si richiede di accedere all'unità di informazione all'istante in cui questa è disponibile (centinaia o decine di nanosecondi, 1ns=10E 9s)

33 Caratteristiche delle memorie centrali 29 Le caratteristiche principali di una memoria centrale la capacità il numero di bit che possono essere memorizzati, misurati in byte (e multipli del byte) 1Kbyte indica 2 10 byte = 1024 byte 1Mbyte indica 2 20 byte = 1024 Kbyte = byte 1Gbyte indica 2 30 byte = 1024 Mbyte = byte la velocità di accesso misura la velocità di esecuzione delle operazioni di lettura/scrittura la volatilità le memorie RAM (random access memory) possono essere sia lette che scritte, ma i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore le memorie ROM (read only memory) possono essere solo lette, in cui i dati sono memorizzati in modo permanente Architettura dei calcolatori

34 Dispositivi fisici utilizzati per la memoria centrale RAM: Random Access Memory (ad accesso casuale): su di essa si possono svolgere operazioni sia di lettura che di scrittura. ROM: Read Only Memory (a sola lettura): non volatili e non scrivibili; in esse vengono contenuti i dati e programmi per inizializzare il sistema. PROM: Programmable ROM. Si possono scrivere soltanto una volta, mediante particolari apparecchi (detti programmatori di ROM). EPROM = Erasable-programmable ROM (si cancellano sottoponendole a raggi ultravioletti). + Firmware : e costituito dal software memorizzato nelle ROM (codice microprogrammato). FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 7

35 L Unità Centrale di Elaborazione (CPU) Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 10

36 Caratteristiche dei microprocessori Le caratteristiche principali di un microprocessore repertorio di istruzioni le istruzioni del linguaggio macchina del processore velocità (misurata come frequenza del clock) la frequenza del clock misura la durata del ciclo macchina, che è l unità di tempo all interno del processore va osservato che l esecuzione di ciascuna istruzione richiede solitamente più cicli macchina ampiezza del bus numero di bit nel bus interno del processore co-processore i moderni processori sono integrati a co-processori specializzati (ad esempio, il co-processore matematico) cache una memoria veloce locale al processore, che consente un accelerazione nell esecuzione dei programmi 26 Architettura dei calcolatori

37 Elementi di una CPU Unità di controllo Legge le istruzioni dalla memoria e ne determina il tipo Unità aritmetico-logica Esegue le operazioni necessarie per eseguire le istruzioni Registri Memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei Determina il parallelismo della CPU Esistono registri generici e registri specifici Program Counter (PC) Instruction Register (IR) Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 11

38 Struttura di una unità centrale di elaborazione La struttura semplificata di una unità centrale di elaborazione e dei suoi collegamenti con le altre unità funzionali memoria centrale o leggi scrivi bus controllo bus indirizzi MAR PC IR registro unità di controllo PSW periferiche bus dati MDR registro... registro ALU stato esegui operazione unità centrale di elaborazione 24 Architettura dei calcolatori

39 Registri L unità centrale di elaborazione contiene un numero limitato di celle di memoria (chiamate registri ) con scopi specifici registro contatore delle istruzioni (PC, program counter) indirizzo della prossima istruzione da eseguire registro delle istruzioni (IR, instruction register) l istruzione che deve essere eseguita (codificata) registro di indirizzamento della memoria (MAR) indirizzo della cella di memoria che deve essere acceduta o memorizzata registro dati di memoria (MDR) dato che è stato acceduto o che deve essere memorizzato parola di stato del processore (PSW) contiene informazioni, opportunamente codificate, circa l esito dell ultima istruzione che è stata eseguita altri registri, utilizzati ad esempio per la memorizzazione degli operandi e del risultato di una operazione 25 Architettura dei calcolatori

40 Tre Tipologie di Istruzioni Istruzioni Aritmetico Logiche (Elaborazione dati) Somma, sottrazione, divisione, And, Or, Xor, Maggiore, minore, uguale, maggiore uguale, Controllo del flusso delle istruzioni Sequenza Selezione Ciclo a condizione iniziale, a condizione finale, Trasferimento di informazione Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di I/O Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 12

41 Struttura del data path A + B Registri A B Registri di ingresso all ALU B A ALU Registro di uscita dell ALU A + B Bus di ingresso all ALU Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 13

42 Esecuzione delle Istruzioni Ciclo Fetch-Decode-Execute Prendi l istruzione corrente dalla memoria e mettila nel registro istruzioni (IR) [Fetch] Incrementa il program counter (PC) in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva Determina il tipo dell istruzione corrente [Decodifica] Se l istruzione usa una parola in memoria determina dove si trova Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU Esegui l istruzione [Execute] Torna al punto 1. Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 14

43 Esempio: Somma di due registri Fase di Fetch (1 di 2) Bus Controllo Leggi Scrivi PC Unità di controllo Memoria centrale o periferiche Indirizzo Bus Indirizzi Dato Bus Dati M A R M D R IR Registro Registro... Registro PSW ALU stato Esegui Operazione Unità centrale Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 16

44 Esempio: Somma di due registri Fase di Fetch (2 di 2) Bus Controllo Leggi Scrivi PC Unità di controllo Memoria centrale o periferiche Indirizzo Bus Indirizzi Dato Bus Dati M A R M D R IR Registro Registro... Registro PSW ALU stato Esegui Operazione Unità centrale Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 17

45 Esempio: Somma tra due registri Decodifica Bus Controllo Leggi Scrivi PC Unità di controllo Memoria centrale o periferiche Indirizzo Bus Indirizzi Dato Bus Dati M A R M D R IR Registro Registro... Registro PSW ALU stato Esegui Operazione Unità centrale Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 18

46 Esempio: Somma tra due registri Esecuzione Bus Controllo Leggi Scrivi PC Unità di controllo Memoria centrale o periferiche Indirizzo Bus Indirizzi Dato Bus Dati M A R M D R IR Registro Registro... Registro PSW ALU stato Esegui Operazione Unità centrale Fondamenti di Informatica Architettura Calcolatori 19

47 La codifica delle istruzioni (Linguaggio assemblativo) LD R1, Var ; (forma compatta) R1 M[Var] ADD Rd, Rs1, Rs2 ; Rd Rs1 + Rs2 Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl La codifica delle istruzioni Rappresentazione binaria Codice operativo su 6 bit: LD -> Id. Registro su 5 bit: R1 -> Indirizzo di memoria su 21 bit -> LD R1, Var -> Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

48 La codifica delle istruzioni Rappresentazione binaria di ADD R7, R10, R3 Codice operativo su 6 bit: ADD -> Id. Registro su 5 bit: R7 -> 00111, R10 -> 01010, R3 -> I restanti 11 bit sono inutilizzati ADD R7, R10, R3 -> xxxxxxxxxxx Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl Sequenze di istruzioni in memoria Lo statement a = b + c si traduce come: LD R2, B ;B indirizzo a cui è allocata la parola b LD R3, C ;C indirizzo a cui è allocata la parola c ADD R1, R2, R3 ST A, R1 ;A indirizzo a cui è allocata la parola a Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

49 La CPU UC: responsabile dell esecuzione delle istruzioni: - Legge le istruzioni dalla memoria - interpreta il OP e lo trasforma in sequenze temporizzate di comandi alla OU e/o alla memoria / dispositivi di I/O Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl La CPU OU: esegue le manipolazioni dell informazione: - Legge i dati dalla memoria usando registri locali - esegue i comandi della UC sui dati acquisiti attraverso la ALU (rete che esegue operazioni logiche e aritmetiche) - fornisce alla UC informazioni intermedie della elaborazione (condizioni) - produce dati in uscita (memoria I/O) Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

50 La CPU Il funzionamento della CPU è scandito dal clock. Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl La CPU Macrofasi del processo di elaborazione di una istruzione Fetch: -viene letta l istruzione contenuta nella cella indirizzata dal PC (registro Program Counter) -Viene decodificata l istruzione per pilotare la sua esecuzione Execute: - Viene eseguita l istruzione Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

51 La CPU Macrofasi del processo di elaborazione di una istruzione Es. I (LD, R2, B) a)la UC comanda la lettura della istruzione (parola) presente nell indirizzo di Memoria contenuto nel PC (registro della CPU che contiene l indirizzo (puntatore) dell istruzione successiva da eseguire). a)in base al OP (LD) la UC pilota la OU alla lettura della parola nell indirizzo B in memoria; la OU riceve il dato e lo memorizza nel suo registro R2 b)il PC viene incrementato di 4 per puntare alla instruzione successiva. Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl Parti componenti la CPU PC (Program Counter) ALU (Arithmetic and Logic Unit): rete combinatoria IR (Instruction Register) usato per contenere l istruzione in corso di esecuzione viene caricato nella fase di fetch e rappresenta l ingresso che detrmina la azioni svolte nella fase di esecuzione. General Purpose Registers R1, R2,.., Rn impiegati per contenere i dati su cui l ALU esegue le proprie operazioni MAR (Memory Address Register) deputato a contenere l indirizzo della locazione di memoria da leggere o scrivere. La sua uscita è sul bus indirizzi e viene abilitata durante le operazioni di lettura/scrittura DTR (Data Transfer Register) registro attraverso il quale viene scambiata l informazione fra la memoria e la CPU Calcolatori elettronici Architettura e organizzazione Giacomo Bucci Copyright 2009 The McGraw-Hill Companies srl

52 Frequenza di clock La frequenza con cui si eseguono i cicli di esecuzione è scandita dal clock (orologio interno) ad ogni impulso di clock l unità di controllo esegue un ciclo di esecuzione la velocità di elaborazione di un microprocessore dipende dalla frequenza del suo clock (300, 400,... MHz) (es.: 300 milioni di cicli al secondo). Attualmente si parla di GHz. PDF created with pdffactory trial version

53 Periferiche e interfacce di ingresso-uscita Un calcolatore può essere collegato a diversi dispositivi di ingresso e/o uscita (chiamati periferiche ) ad esempio, la tastiera, il mouse, lo schermo, le stampanti, il modem anche le memorie di massa (ad esempio, le unità disco e il lettore di CD- ROM) sono considerati periferiche Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte del calcolatore ogni periferica viene controllata mediante un opportuna interfaccia una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa 18 Architettura dei calcolatori

54 Memorie secondarie Una memoria secondaria ha le seguenti caratteristiche fondamentali, che la differenziano dalla memoria centrale non volatilità i dati memorizzati non vengono persi allo spegnimento del calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica e non elettronica) grande capacità una unità di memoria secondaria ha capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale bassi costi il costo per bit di una memoria secondaria è minore (di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale 30 Architettura dei calcolatori

55 Memorie secondarie Altre caratteristiche delle memorie secondarie rispetto alle memorie centrali minore velocità di accesso i tempi di accesso a una memoria secondaria sono maggiori (di qualche ordine di grandezza) rispetto alla memoria principale i dati di una memoria secondaria per essere acceduti dal processore devono comunque transitare nella memoria centrale In pratica la memoria secondaria memorizza tutti i programmi e di dati del calcolatore la memoria centrale memorizza i programmi in esecuzione e i dati necessari per la loro esecuzione 31 Architettura dei calcolatori

56 Dischi magnetici Un disco magnetico (disco fisso) è composto da uno o più piatti di alluminio rotanti ricoperti di materiale magnetico e da testine una testina permette la scrittura e lettura di bit su un disco, memorizzati sotto forma di stati di polarizzazione (positiva e negativa) In un disco magnetico ciascun piatto è composto da due superfici (facce) ciascuna faccia è suddivisa in tracce (circolari) e settori (a spicchio) un cilindro è l insieme delle tracce in una data posizione radiale i settori sono le unità logiche di memorizzazione la capacità di un settore è tipicamente di 512 byte l indirizzo di un settore è dato dalle seguenti informazioni cilindro, superficie, settore 32 Architettura dei calcolatori

57 Dischi magnetici Esempio di organizzazione fisica di un disco magnetico 33 Architettura dei calcolatori

58 Memoria secondaria (o di massa) La memoria secondaria si basa su dispositivi per la memorizzazione di grandi masse di dati. I dati memorizzati in questo tipo di memoria sopravvivono all esecuzione dei programmi (persistenti ). La capacità (dimensione della memoria) varia molto da dispositivo a dispositivo: dalle decine di mega-byte (106 byte) ai giga-byte (109 byte) o tera-byte (1012 byte). Anche la velocità di accesso/trasferimento varia da dispositivo a dispositivo (comunque molto superiore a quella della memoria centrale). T accesso (memoria centrale) 100 nsec T accesso (dischi magnetici) msec T accesso (dischetti) 100 msec (1 msec = 10-3 sec; 1 nsec = 10-9 sec) FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 8

59 Dispositivi di memoria di massa Due classi fondamentali in base al metodo di accesso consentito: 1. ad accesso sequenziale (ad esempio, nastri): per cercare un dato è necessario accedere a tutti quelli che lo precedono sul dispositivo; 2. ad accesso diretto ai dati (ad esempio, dischi). E` possibile accedere direttamente a qualunque dato memorizzato, grazie all indirizzamento di porzioni (blocchi) del dispositivo. Nel caso di dispositivi magnetici (nastri o dischi) l informazione è presente in memoria come stato di polarizzazione magnetica, che può essere positivo o negativo (codifica binaria). FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 9

60 Dischi magnetici traccia 0 traccia 100 traccia 200 Settore Un disco e costituito da un certo numero di piatti di materiale magnetizzabile con due superfici che ruotano attorno ad un perno centrale. Ciascuna superficie ha una serie di cerchi concentrici o tracce e viene suddivisa in spicchi di ugual grandezza chiamati settori. Tutte le tracce equidistanti dal centro formano un cilindro. La testina si sposta longitudinalmente lungo le tracce. I dati sono scritti occupando posizioni successive lungo le tracce. Corrispondono ad uno stato di polarizzazione (positiva o negativa) del materiale magnetizzabile che costituisce i dischi. Ogni blocco di ingresso/uscita è selezionabile mediante la terna <superficie, traccia, settore> (indirizzo). FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 10

61 Funzionamento copia il programma in RAM programma programma CPU HARD DISK RAM esegui le istruzioni del programma PDF created with pdffactory trial version

62 Dispositivi di input/output (I/O, PERIFERICHE) o Terminali. Tastiera + Video: risoluzione, dimensione in pollici, o Stampanti: ad aghi, a getto, d inchiostro, laser, o Modem: per collegarsi in rete o Scanner: per digitalizzare le immagini PDF created with pdffactory trial version

63 Dispositivi di Input Tastiera Mouse trackball Touch pad Microfono Tavoletta grafica Webcam Penna ottica Scanner Fotocam. Dig. Schermi touch screen Joystick PDF created with pdffactory trial version

64 Dispositivi di Output Monitor Plotter Stampante Casse acustiche Videoproiettore Cuffie PDF created with pdffactory trial version

65 Personal Computer Memoria di massa generalmente composta da disco rigido (hard disk) fisso e dischetti (floppy disk) estraibili. L'informazione nella memoria di massa e' organizzata in archivi (o file) caratterizzati da un nome. Varie classi di PC in base al tipo di processore (Intel, Macintosh, etc.) FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 14

66 Personal Computer IBM-compatibili : hanno processori della famiglia Intel 80x86 : (pentium)... prestazioni le prestazioni sono influenzate anche da altri parametri : - frequenza del clock - dimensione RAM - velocita` del BUS -... unita` di misura delle prestazioni: MIPS (migliaia di istruzioni per secondo) Mflops (migliaia di operazioni floating point per secondo) FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 15

67 Altri sistemi di calcolo Workstation: sistemi generalmente dedicati ad un utente, ma con capacita di supportare piu attivita contemporanee. Prestazioni piu elevate dei PC. Mini-calcolatori: Macchine capaci di servire decine di utenti contemporaneamente, collegati tramite terminali. Super-calcolatori: Hanno molti processori e grandi memorie di massa (centinaia o migliaia di terminali) + Possibilita di connettere vari calcolatori di tipo anche diverso mediante una rete di interconnessione (Sistemi Distribuiti). FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 16

68 Reti locali: collegano elaboratori fisicamente vicini (nello stesso ufficio o stabilimento). L obiettivo e` la condivisione di risorse: Stampante di qualita Stampante ad aghi Disk server Bus di rete Workstation Workstation Workstation Workstation Workstation Reti geografiche: collegano elaboratori distribuiti su un area geografica di dimensioni estese (anche intercontinentali). printer Rete geografica Host Host terminali remoti PC mini Host Rete locale Linea telefonica Evoluzione e complessità' sia dell'hardware che del software (protocolli di collegamento). FONDAMENTI DI INFORMATICA STRUTTURA DEI CALCOLATORI 17