è è possibile rispondere a queste domande in molti modi, ciascuno relativo a un diverso punto di vista

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1 Introduzione n Che cos è un calcolatore? n Come funziona un calcolatore? è è possibile rispondere a queste domande in molti modi, ciascuno relativo a un diverso punto di vista è in questo corso, il punto di vista prevalente è quello del calcolatore come macchina programmabile, ovvero in grado di eseguire programmi Alessandro Di Nuovo 1

2 Architettura dei calcolatori n Che cos è un calcolatore? Come funziona un calcolatore? è un calcolatore è un sistema è un sistema è un oggetto costituito da molte parti (componenti) che interagiscono, cooperando, al fine di ottenere un certo comportamento n Studiare l architettura di un sistema vuol dire è individuare ciascun componente del sistema è comprendere i principi generali di funzionamento di ciascun componente è comprendere come i vari componenti interagiscono tra di loro Alessandro Di Nuovo 2

3 Caratteristiche dell architettura Flessibilità nel calcolo, architettura non specializzata per un solo tipo di utilizzo ma adatta a svolgere diversi compiti; modularità della struttura a ogni componente viene demandato lo svolgimento di una funzione specifica del sistema complessivo; scalabilità dei componenti ognuno dei quali può essere sostituito con uno funzionalmente equivalente ma in grado di fornire prestazioni migliori; standardizzazione dei componenti per facilitarne la sostituzione in caso di malfunzionamenti; abbattimento dei costi, grazie alla produzione su vasta scala dei componenti; semplicità di installazione e di esercizio del sistema; disponibilità di applicazioni a basso prezzo di vendita. 08/ Informatica e cultura dell informazione Alessandro Di Nuovo capitolo 1 Il 3 3

4 Hardware e software n La prima decomposizione di un calcolatore è relativa alle seguenti macro- componenti: hardware è la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici ed elettromeccanici software è l insieme dei programmi che consentono all hardware di svolgere dei compiti utili è il software comprende il software di base (tra cui il sistema operativo) e il software applicativo Alessandro Di Nuovo 4

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

6 Vista funzionale di un Calcolatore Ambiente Trasferimento Controllo Elaborazione Memorizzazione Alessandro Di Nuovo 6

7 Architettura di un PC Il diagramma mostra lo schema logico dell architettura di un personal computer: la cornice tratteggiata include gli elementi che si trovano all interno della scheda madre Tra le periferiche indicate: tastiera, mouse, stampante e monitor sono dispositivi esterni Hard Disk e Floppy Disk sono solitamente dispositivi interni, cioè si trovano fisicamente alloggiati all interno del cabinet che racchiude il PC Alessandro Di Nuovo 7 7

8 Tipologia dei calcolatori n Computer multiutente è Supercomputer è Mainframe e server è Reti ü Minicomputer ü Personal computer ü Terminali ( PC ) n Personal computer è Desktop e workstation è Notebook è Tablet, palmari, PDA Alessandro Di Nuovo 8

9 Server n Svolgere funzioni centralizzate è Gestione contabilità è Controllo dei magazzini è n Affidabilità n Storage Alessandro Di Nuovo 9

10 Reti ( server n Minicomputer (o ( PC ) n Personal computer n Terminali è Terminali stupidi (ovvero dotati solo del necessario hardware per permettere all utente la connessione alla rete, es. bancomat, postazioni vendita di biglietti, etc ) è Terminali intelligenti (dotati di capacità computazionale propria, es. Alessandro Di Nuovo 10

11 Supercomputer n Negli anni 80 sembrava che fossero destinati a essere soppiantati n 1996 Intel è 7000 processori è In un secondo poteva effettuare un numero di operazioni pari a quelle che 265 milioni di persone riuscirebbero ad eseguire in 125 anni utilizzando una calcolatrice manuale Alessandro Di Nuovo 11

12 Bluegene n Blue Gene è il nome di un'architettura progettata per realizzare la nuova generazione di supercomputer a parallelismo massivo sviluppati per lavorare con potenze di calcolo che vanno dalle decine di teraflops per arrivare fino al petaflops. Il più potente computer BlueGene attualmente sviluppa 478 teraflops. Il progetto è una cooperazione del United States Department of Energy (che parzialmente finanzia il progetto), industrie (IBM in particolare) e Università. Vi sono cinque progetti Blue Gene, tra i quali il Blue Gene/L, il Blue Gene/C e il Blue Gene/P.

13 Desktop, Workstation e Notebook Workstation Rack per gentile concessione della Dell Alessandro Di Nuovo 13

14 I più piccoli n Tablet PC Smartphones n n Computer palmari n PDA (Personal Digital Assistant) Alessandro Di Nuovo 14

15 Componenti di un Calcolatore Alessandro Di Nuovo 15

16 Scheda Connettori per madre schede di I/O aggiuntive Zoccolo per la CPU Connettori per la memoria Connettori per dischi fissi 08/ Alessandro Di Nuovo Informatica e cultura dell informazione capitolo 1 Il 1616

17 Lo schema di riferimento RAM CPU Scheda madre (motherboard) Bus dati Bus indirizzi Bus di controllo Interfacce di I/O Interfaccia di I/O Tastiera e mouse Schermo Altoparlanti Alessandro Di Nuovo Interfacce di I/O Memoria di massa 1717

18 Bus e Master-Slave n Il bus è una linea a cui sono contemporaneamente connesse le unità del calcolatore e che consente il trasferimento di dati tra tali unità è Problema: contesa su un mezzo condiviso! è Soluzione: CPU = master, periferiche = slave Alessandro Di Nuovo 18

19 Master-slave : pregi n Semplicità: 1 solo insieme di linee di connessione # di dispositivi n Estendibilità: nuovi dispositivi possono essere aggiunti tramite un interfaccia al bus senza influenzare l HW preesistente n Standardizzabilità: definizione di normative che consentono a periferiche di costruttori diversi di interagire correttamente Alessandro Di Nuovo 19

20 Master-slave: difetti n Lentezza: l uso in mutua esclusione del bus inibisce almeno parzialmente la parallelizzazione delle operazioni di trasferimento di dati tra dispositivi n Limitata capacità: al crescere del numero di dispositivi la presenza di una sola linea comporta un limite alla capacità di trasferire dati n Sovraccarico della CPU: l unità centrale viene coinvolta in tutte le operazioni di trasferimento di dati Alessandro Di Nuovo 20

21 Schema di riferimento Alessandro Di Nuovo 21

22 Tipi di bus n Bus dati: utilizzato per trasferire dati (es. fra ( I/O memoria e CPU, fra CPU e interfacce di n Bus indirizzi: che identifica la posizione delle celle di memoria un cui la CPU va a scrivere o leggere n 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 ( lettura (scrittura o n Tutti e tre i tipi di bus sono necessari per interconnettere le unità. IL BUS propriamente detto è quindi l'insieme di tutte linee che compongono i bus dati, indirizzi e controllo. Alessandro Di Nuovo 22

23 Archittettura di Von Neumann n Burks, Goldstein e Von Neumann sono stati i primi a proporre che il codice del programma potesse essere memorizzato nella stessa memoria dei dati n Memoria indifferenziata per dati o istruzioni n Solo l'interpretazione da parte di CPU stabilisce se una data configurazione di bit è da riguardarsi come un dato o come un'istruzione Alessandro Di Nuovo 23

24 Collo di bottiglia di Von Neumann n L organizzazione di Von Neumann è quella più popolare n Consente al processore di manipolare i programmi in modo più semplice n Svantaggi è La limitata larghezza di banda della memoria ha un impatto negativo sulla velocità di esecuzione dell applicazione è Questo fenomeno è noto come Von Neumann bottleneck Alessandro Di Nuovo 24

25 CPU Central Processing Unit Unità Centrale di Elaborazione Alessandro Di Nuovo 25

26 Legge di Moore Osservazione fatta da Gordon Moore nel 1965: il numero dei transistor per cm 2 raddoppia ogni X mesi In origine X era 12/18. Correzioni successive hanno portato a fissare X=18/24. Questo vuol dire che c è un incremento di circa il 40/60% all anno. Alessandro Di Nuovo 26

27 # Transistor [CPU Intel] 1'000'000'000 Numero di transistor integrati 100'000'000 10'000'000 1'000'000 Andamento previsto dalla legge di Moore: il numero di transistor integrati in un chip raddoppia ogni 24 mesi 100'000 10'000 Anno Alessandro Di Nuovo 27 27

28 Legge di Moore e progresso Il progresso della tecnologia provoca un aumento del numero di transistor per cm 2 e quindi per chip. Un maggior numero di transistor per chip permette di produrre prodotti migliori (sia in termini di prestazioni che di funzionalità) a prezzi ridotti. I prezzi bassi stimolano la nascita di nuove applicazioni (e.g. non si fanno video game per computer da milioni di ). Nuove applicazioni aprono nuovi mercati e fanno nascere nuove aziende. L esistenza di tante aziende fa crescere la competitività che, a sua volta, stimola il progresso della tecnologia e lo sviluppo di nuove tecnologie. Alessandro Di Nuovo 28 28

29 La memoria Alessandro Di Nuovo 29

30 La memoria Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più rapidamente possibile Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati periodi di tempo Diverse esigenze: velocità per il supporto alla CPU non volatilità ed elevate dimensioni per l archivio Diverse tecnologie elettronica: veloce, ma costosa e volatile magnetica e ottica: non volatile ed economica, ma molto lenta Alessandro Di Nuovo 30 30

31 Criteri di caratterizzazione di una memoria Velocità tempo di accesso (access time) (quanto passa tra una richiesta e la relativa risposta) velocità di trasferimento (transfer rate) (quanti byte al secondo si possono trasferire) Volatilità cosa succede quando la memoria non è alimentata? per quanto tempo i dati vi rimangono immagazzinati? Capacità quanti byte può contenere? qual è la dimensione massima? Costo (per bit) Modalità di accesso diretta (o casuale): il tempo di accesso è indipendente dalla posizione sequenziale: il tempo di accesso dipende dalla posizione mista: combinazione dei due casi precedenti associativa: indicato il dato, la memoria risponde indicando l eventuale posizione che il dato occupa in memoria. Alessandro Di Nuovo 31 31

32 La memoria centrale Alessandro Di Nuovo 32

33 La memoria centrale (RAM) Mantiene al proprio interno i dati e le istruzioni dei programmi in esecuzione Memoria ad accesso casuale Tecnologia elettronica veloce ma volatile e costosa Due eccezioni ROM: elettronica ma permanente e di sola lettura Flash: elettronica ma non volatile e riscrivibile Alessandro Di Nuovo 33 33

34 Indirizzi di memoria I bit nelle memorie sono raggruppati in celle: tutte le celle sono formate dallo stesso numero di bit; una cella composta da k bit, è in grado di contenere una qualunque tra le 2 k combinazioni diverse di bit. Ogni cella ha un indirizzo: serve come accesso all informazione; in una memoria con N celle gli indirizzi vanno da 0 a N 1. La cella è l unità indirizzabile più piccola. In quasi tutti i calcolatori è di 8 bit (un byte). I byte vengono raggruppati in parole (che oggi sono di 32/64 bit), su cui la CPU esegue le operazioni. Alessandro Di Nuovo 34 34

35 Organizzazione della memoria parole da 16 bit parole da 12 bit 12 parole da 8 bit Alessandro Di Nuovo 35 35

36 Memoria e collegamenti con bus linee di selezione parola 16 celle di memoria di 8 bit ciascuna Viene selezionata la parola di indirizzo 0110 due il contenuto è ; l operazione è di lettura (load) o di scrittura (store) a seconda dei comandi presenti sul bus di controllo 0110 Bus indirizzi DECODIFICATORE linea 0 linea 1 linea 2 linea 3 linea 4 linea 5 linea 6 linea 7 linea 8 linea parola selezionata linea 10 0 linea 11 0 linea 12 0 linea 13 0 linea 14 0 linea 15 0 Bus di controllo leggi/scrivi Dato (letto o da scrivere) Bus dati Alessandro Di Nuovo 36

37 Memoria vs. CPU Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie l aumento di integrazione ha consentito di realizzare CPU pipeline e super scalari, molto efficienti e veloci; nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità. L accesso alla memoria passa attraverso il bus la frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa di quella della CPU; il bus può essere impegnato ad effettuare trasferimenti controllati da dispositivi di I/O autonomi (e.g. DMA). È difficile riordinare le istruzioni in modo da poter sfruttare i tempi di attesa della memoria. È possibile fare memorie molto veloci se stanno nel chip della CPU, ma sono piccole e costose. Alessandro Di Nuovo 37 37

38 Le memorie gerarchiche Memorie di gran capacità, relativamente lente, economiche ed accessibili tramite il bus: MGL ovvero Memoria Grossa e Lenta; dimensioni pari a circa 10 unità; tempo di accesso (TA) di circa 10 unità. Memorie veloci, integrate nello stesso chip della CPU, ma costose: MPV ovvero Memoria Piccola e Veloce; dimensioni pari a circa 1 unità; tempo di accesso pari a circa 1 unità. Obiettivo: realizzare una memoria grossa e veloce dimensioni pari a circa quelle della memoria grossa; prestazioni pari a circa quelle della memoria veloce. Alessandro Di Nuovo 38 38

39 Una gerarchia di memoria Memoria formata da una MPV e una MGL: la MPV contiene una copia di alcune celle della MGL; quando la CPU chiede una particolare cella di memoria la richiesta va ad entrambe le memorie: se il dato si trova nella MPV, viene passato direttamente alla CPU; se il dato si trova nella MGL, viene anche caricato nella MPV. Ipotesi: distribuzione uniforme delle richieste la frequenza con cui si trova il dato cercato nella MPV (hit ratio) sarà in media il 10% (1/10), in questi casi il tempo di accesso (hit time) sarà pari a 1 unità; la frequenza con cui è necessario accedere alla MGL (miss ratio) sarà in media il 90% (9/10), in questi casi il tempo di accesso (miss penalty) sarà pari a 10 unità; il tempo medio di accesso sarà 0.1*1+0.9*10=9.1 unità! Alessandro Di Nuovo 39 39

40 Gerarchia di memoria Sistema di memoria Memoria piccola e veloce CPU Livello 1 Livello 2 Trasferimento di dati Memoria grande e lenta Alessandro Di Nuovo 40

41 Il principio di località Località spaziale: quando si accede all indirizzo A, è molto probabile che gli accessi successivi richiedano celle vicine ad A. le istruzioni del codice vengono in genere lette da locazioni consecutive della memoria; gli accessi ad array o a strutture dati sono vicini. Località temporale: quando si accede all indirizzo A, è molto probabile negli accessi successivi si richieda di nuovo la cella A. cicli di istruzioni accedono ripetutamente alle stesse locazioni di memoria; istruzioni vicine tendono ad utilizzare le stesse variabili. Alessandro Di Nuovo 41 41

42 Come si sfrutta la località Diversi approcci a seconda del tipo di località: località temporale: i dati prelevati dalla MGL vengono conservati nella MPV il più a lungo possibile; località spaziale: quando si copia un dato dalla MGL alla MPV, si copiano anche i dati vicini (blocco). La frequenza di successo (hit ratio h) cresce fino a superare il 99%: in effetti h dipende da due caratteristiche contrastanti: la dimensione dei blocchi un blocco grande sfrutta meglio la località spaziale; quanti sono i blocchi in memoria se c è spazio per tanti blocchi un dato resta in memoria più a lungo e può sfruttare più a lungo la località temporale; c è anche il problema del costo della cache! Alessandro Di Nuovo 42 42

43 L effetto della località Effetto del principio di località sull esempio di prima: tempo di accesso alla cache pari a 1 unità (TA C = 1); tempo di accesso alla memoria (detto anche miss penalty, ovvero penalità di fallimento) pari a 10 unità (TAM = 10); frequenza di successo (hit ratio, h = 0.99); frequenza di fallimento (miss ratio, m = 1 h = 0.01); tempo di accesso medio pari a: TA = h * TA C + m * TA M TA = 0.99 * * 10 = 1.09 Alessandro Di Nuovo 43

44 La memoria centrale Tecnologia elettronica (veloce ma volatile) Gerarchia di memoria: ai livelli più alti corrispondono le tecnologie più veloci ma anche più costose cache interna (Static RAM SRAM) cache esterna (SRAM) memoria RAM (Dynamic RAM DRAM e sue varianti) area di swap su memoria di massa Alessandro Di Nuovo 44

45 Una gerarchia di memoria Ottenuta per generalizzazione dell applicazione del principio di località e tipicamente costituita da 1. registri contenuti nella CPU (qualche KB) 2. cache (da circa 32KB a circa 4096KB) 3. memoria principale (da circa 512MB a qualche GB) 4. dischi fissi (da qualche centinaio di GB a qualche TB) 5. nastri magnetici e dischi ottici (da qualche centinaio di GB a qualche TB per ogni supporto) Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il valore dei parametri fondamentali: aumenta il tempo di accesso; aumenta la capacità di memorizzazione; ma diminuisce il costo per bit. Alessandro Di Nuovo 45

46 Una gerarchia di memoria Registri Cache I liv Cache II liv RAM CPU Circuito Integrato (chip) Scheda madre (motherboard) Involucro esterno del calcolatore (case) tecnologia magnetica (HD esterni) Supporti esterni tecnologia ottica (CD, DVD) tecnologia elettronica (flash disk) Disco fisso (hard disk) tecnologia magnetica Alessandro Di Nuovo 46 46

47 La memoria Cache Alessandro Di Nuovo 47

48 Caratteristiche dei diversi livelli Livello Registri Cache I livello Cache II livello Capacità ~ 1 KB ~ 32 KB ~ 1/2 MB Tempo di accesso ~ 0.2 ns (1 ciclo di clock) ~ 0.4 ns (2/4 cicli di clock) ~ 1/2 ns (5/10 cicli di clock) Transfer rate (GB/s) ~ 100 Cache III livello ~ 2/8 MB ~ 5 ns ~ 50 Memoria centrale ~ 2/8 GB ~ 50 ns (1ª parola richiesta) ~ 10 ns (parole successive) ~ 5/10 Dischi interni > 300 GB ~ 10 ms 0.15/0.6 Dischi esterni > 300 GB ~ 10 ms ~ 0.05 Alessandro Di Nuovo 48

49 La memoria virtuale Funzione del Sistema Operativo Simula la presenza di maggiore memoria fisica utilizzando l HD per permettere a più programmi di essere caricati contemporaneamente. Alessandro Di Nuovo 49