Il processore N.12. Vediamo come è strutturato un microprocessore e con quale sequenza esegue le istruzioni dettate da un programma assembler.

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1 Il processore N.12 Struttura di base di un microprocessore Il microprocessore (detto comunemente CPU, per Central Processing Unit) è preposto al coordinamento di tutte le componenti che formano l'architettura di un calcolatore. Il suo compito principale è quello di interpretare ed eseguire le istruzioni elementari che compongono il programma. Per poter programmare una macchina accedendo direttamente all hardware, occorre usare dei linguaggi di tipo assemblativo (es. assembly); con essi il programmatore accede direttamente ai registri e alla memoria del sistema con una visibilità fino al bit. Il linguaggio assembler si compone di un insieme di istruzioni che, messe in una particolare sequenza, indicano direttamente al microprocessore le azioni da eseguire. L assembler è specifico di ogni processore per cui i programmi scritti in assembly non sono portabili, ovvero non girano su macchine con microprocessori diversi da quello per cui il programma è stato scritto. Vediamo come è strutturato un microprocessore e con quale sequenza esegue le istruzioni dettate da un programma assembler. La CPU consiste di due componenti principali: una Sezione Esecutiva o Unità Aritmetico-Logica (detta ALU, per Aritmetic Logic Unit), e una Sezione di Controllo o Unità di controllo (detta CU, per Control Unit) che è la parte più importante di questo blocco. Il processore contiene al suo interno anche un certo numero di registri: unità di memoria estremamente veloci per memorizzare i dati di uso immediato. Le dimensioni di un registro sono tipicamente quelle di una parola di memoria (ad esempio 4 o 8 byte). Memoria CPU Sezione di Controllo (CU) Sezione Esecutiva (ALU) 3 2 Input Output Registri Clock 1

2 Dopo che un programma viene compilato e linkato, viene caricato in memoria centrale tramite il loader. Nelle celle della memoria centrale, identificate da indirizzi fisici, vengono quindi caricate sia le istruzioni dei programmi, sia i dati necessari all esecuzione. Quando un programma deve essere eseguito, a grandi linee il microprocessore funziona così: La sezione di controllo reperisce dalla memoria centrale l istruzione da eseguire (1) (fase di fetch) e individua la successiva istruzione da eseguire; Le istruzioni vengono trasferite dalla Sezione di Controllo in appositi registri, detti Registri Istruzioni (IR), che si trovano all interno della CPU e che sono a disposizione anche della Sezione Esecutiva Le istruzioni vengono decodificate (fase di decode), ossia vengono interpretate e capite per poter essere eseguite Sempre la Sezione di Controllo attiva le unità necessarie (fase di read o load) a seconda di quanto contenuto nelle istruzioni: attiverà la memoria per trasferire i dati alla Sezione Esecutiva (2), attiverà un dispositivo periferico di input per trasferire i dati necessari sempre alla Sezione Esecutiva(2). La Sezione Esecutiva effettua i calcoli logici e matematici sui dati, quindi scrive i risultati finali (3) (fase di write o store) in memoria o su un dispositivo periferico di output. La sezione di Controllo riprende il ciclo di lavoro prelevando dalla memoria l istruzione successiva (4) fino all esecuzione dell istruzione di fine elaborazione. In definitiva: La Sezione Esecutiva tratta i dati letti dalla memoria o da un dispositivo di input e utilizzati nell elaborazione del programma; i risultati sono poi scritti in memoria o su una periferica di output. La Sezione di Controllo svolge il compito di coordinamento e mantiene il controllo della memoria centrale. In particolare produce dei segnali, tempificati da un clock, necessari nella fase esecutiva dell istruzione in corso Caratteristiche importanti dei processori sono: L ampiezza dei registri La frequenza di clock Il numero e tipo dei piedini (pin) L architettura interna Il set di istruzioni disponibile La gestione della memoria I Registri Il processore può lavorare solo sulle informazioni che sono contenute nei registri; questi possono contenere gli operandi delle operazioni (registri generali), informazioni sullo stato del programma in esecuzione e informazioni per la gestione della memoria. L ampiezza dei registri è misurata in bit In particolare possono essere di due tipi, registri speciali e registri generali, e sono: 2

3 Registri speciali: Registri indice, registri utilizzati per la formazione degli indirizzi Program counter, registro che permette di determinare l indirizzo dell istruzione successiva da eseguire Registro di stato o dei flag, registro in cui ogni bit costituisce un flag (vedremo in seguito i vari flag) Registri puntatori allo stack, registri usati per la gestione dello stack, un area di memoria usata per memorizzare dati con una gestione LIFO (Last In First Output) Registri generali: Registri aritmetici o accumulatori, registri utilizzati per le operazioni aritmetiche e logiche Registro di segmento o selettori, registri utilizzati per la gestione degli indirizzi di memoria Registro istruzioni, registro in cui viene depositata l istruzione caricata dalla memoria per essere decodificata ed eseguita. E l ampiezza dei registri generali che caratterizza l architettura di un processore (si parla ad esempio di processore a 32 o 64 bit) e limita il numero di bit che possono essere elaborati contemporaneamente (lunghezza della parola o word). La Sezione Esecutiva La Sezione Esecutiva è composta da alcuni registri che hanno delle funzioni specifiche e dall unità aritmetico-logica (ALU). L'ALU effettua i calcoli logici (AND e OR) e aritmetici (addizione e sottrazione), oltre a delle operazioni di rotazione e shiftamento che vedremo. E in grado di effettuare delle semplici operazioni matematiche partendo da dati contenuti in certi registri di memoria che sono a sua disposizione. Le istruzioni che l'alu è in grado di compiere dipendono dal tipo di calcolatore. Generalmente può effettuare solo operazioni che hanno al più due operandi. Un esempio di operazione è la seguente: somma il contenuto del registro R1 a quello del registro R2. Abbiamo detto che i registri sono speciali locazioni di memoria interne alla CPU, molto veloci, a cui è possibile accedere molto più rapidamente che alla memoria. I principali registri che sono utilizzati nella Sezione Esecutiva sono: Il program counter (PC) (registro speciale) è un registro della CPU la cui funzione è quella di conservare l'indirizzo dell'istruzione successiva. Il registro deve essere inizializzato alla prima istruzione del processo e successivamente viene incrementato per indirizzare sequenzialmente le istruzioni. Nel normale ciclo di elaborazione (fetch-execute), quindi, il program counter viene incrementato automaticamente. Tutti i linguaggi macchina forniscono però una o più istruzioni che modificano esplicitamente il program counter se vale una certa condizione, queste istruzioni consentono al programma di "saltare" a una istruzione di programma che non sia quella immediatamente successiva a quella appena eseguita. Nel caso dei salti viene impostato con l indirizzo della destinazione del salto. 3

4 il registro di stato (PS) (registro speciale, noto anche come process state), è un insieme di flag presenti nella CPU che contengono informazioni sull esito dell ultima operazione eseguita dall ALU. In particolare questo registro non contiene valori numerici convenzionali, ma è piuttosto un insieme di bit, detti appunto flag, che segnalano stati particolari della CPU e alcune informazioni sul risultato dell'ultima operazione eseguita dall ALU. Questi flag sono comunemente usati per confrontare e testare condizioni richieste dai programmi. Il numero e il significato dei flag del registro di stato varia da processore a processore, a causa delle diverse configurazioni ed architetture che sussistono per ognuno di esso. I flag si possono classificare in due categorie: Flag aritmetici (o flag di stato), vengono utilizzati per realizzare delle strutture di selezioni e di iterazione nei programmi. Ad esempio: Overflow (OF): indica se il risultato dell'operazione precedente era troppo grande per il campo risultato: 0 assenza di overflow, 1 overflow Zero (ZF): vale 1 se l'ultima operazione ha avuto risultato zero, altrimenti vale 0. Carry (CF): vale 1 se l'ultima operazione ha ecceduto la capacità del registro che contiene il risultato, altrimenti vale 0 (esempio: in un registro a 8 bit, che può rappresentare solo numeri da 0 a 255, la somma darebbe come risultato 172, cioè = e il carry verrebbe posto a 1 insieme al flag di overflow). Segno (SF): indica il segno del risultato dell'operazione precedente: 0 risultato positivo,1 risultato negativo Flag di controllo, necessari per impostare alcune modalità operative del processore, ad esempio: Interrupt: se a questo flag viene assegnato valore 1, la CPU smette di rispondere alle richieste di servizio esterne delle periferiche (i segnali delle linee INTR) finché non viene ripristinato al valore 0, o finché non arriva dall'esterno un segnale di RESET. I registri aritmetici (registro generale) (o accumulatori ACC) sono utilizzati come appoggio nelle operazioni aritmetiche, logiche, di rotazione e shiftamento. Queste ultime sono utilizzate per eseguire moltiplicazioni e divisioni, utilizzano il flag di carry. Gli accumulatori contengono gli operandi di una data istruzione e alla fine dell'operazione contengono il risultato dell'istruzione eseguita. Come detto in precedenza, le istruzioni possono avere al massimo due operandi. E importante notare che l'esecuzione di una qualsiasi operazione richiede che almeno uno degli operandi sia memorizzato in un accumulatore. Le operazioni avvengono tutte tra l'accumulatore ed un registro, e il risultato viene poi memorizzato nell'accumulatore. Il numero di registri accumulatori dipende dalla macchina. La Sezione di Controllo La Sezione di Controllo si occupa quindi di coordinare le diverse attività che vengono svolte all interno del processore. Il processore svolge la sua attività in modo ciclico, ovvero ad ogni ciclo corrisponde l esecuzione di una istruzione macchina e ad ogni ciclo vengono svolte diverse attività controllate e coordinate dalla CU: si legge dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire si decodifica l istruzione letta si esegue l istruzione 4

5 La Sezione di Controllo è composta da: Il registro istruzioni (IR o RI Instruction Register), è un registro della CPU che contiene il codice dell istruzione in esecuzione. Questo registro ha il compito di accogliere dalla memoria (attraverso il MDR), durante una fase di fetch, l'istruzione da eseguire, quella cioè puntata dal PC. Una volta in questo registro, l'istruzione deve essere interpretata dall'unità di controllo per procedere alla eventuale fase di preparazione degli operandi ed alla fase di esecuzione. Il decodificatore delle istruzioni che, decodificando i bit dell istruzione, produce una successione di segnali alla cadenza del clock. I segnali controllano i trasferimenti dei dati e le operazioni dell ALU implicati nell esecuzione dell istruzione. Quindi l esecuzione di un istruzione di un programma viene effettuata nelle due fasi: La fase di fetch, preleva un istruzione dalla memoria per depositarla nel registro istruzioni (RI) e aggiorna il Program Counter per farlo puntare all istruzione successiva. Questa fase viene eseguita in un numero di cicli di clock. La fase di decode/execute, decodifica l istruzione contenuta nel registro IR e la esegue. Ha una durata che dipende dal tipo di istruzione, ma comunque è sempre data da un numero intero di cicli di clock. Un ciclo istruzione può essere rappresentato mediante un cronogramma: Segnale del generatore di clock Fase di Fetch Fase di execute Ciclo di istruzione Nel caso suddetto il ciclo istruzione dura 5 cicli, due cicli di fetch e 3 cicli di execute. 5

6 Il ciclo di esecuzione inizio PS:= start PC:= ind. 1 a istr. PS = stop? si fine no RI:= istr ind. in PC PC:=PC+1 RC:= cod. istr. in RI esegui istruzione La gestione dei registri è completamente trasparente per l'utente, nel senso che il linguaggio nasconde queste operazioni di basso livello. Esistono dei particolari registri di collegamento con la memoria: MDR (o RDM): registro dati memoria, contiene il dato da trasferire in o dalla cella di memoria in esame. Tutti i dati e le istruzioni che dalla memoria devono essere elaborati nel processore, transitano per il registro MDR e successivamente, da questo, raggiungono gli opportuni registri per l'elaborazione vera e propria. Analogamente, tutti i risultati di un'elaborazione che devono essere immagazzinati in memoria transitano prima per il registro MDR e da esso raggiungono poi la esatta locazione di memoria MAR (o RIM): registro indirizzi di memoria, contiene l indirizzo di memoria della cella in esame. Durante un accesso alla memoria, sia in fase di lettura che in fase di scrittura, il registro MAR contiene l'indirizzo della locazione di memoria che viene acceduta. Questo indirizzo, trasferito all'organo memoria attraverso il Bus, abilita alla comunicazione una sola tra tutte le locazioni disponibili. 6

7 Il registro RDM accede direttamente (senza esaminare altre celle) alla cella il cui indirizzo e specificato dal registro RIM. Prestazioni di un microprocessore Le unità di misura per valutare le prestazioni di un microprocessore sono: MHz (Megahertz) MIPS (milioni di istruzioni per secondo) MFLOPS (milioni di operazioni in virgola mobile per secondo) Le caratteristiche prestazionali di una CPU dipendono però da molti altri fattori tra cui: - Insieme delle istruzioni (Instruction set) eseguite; le istruzioni semplici (addizione) vengono eseguite in breve tempo a differenza di quelle complesse (moltiplicazione) che richiedono tempi di esecuzione più lunghi. I processori CISC (Complex Instruction Set Computer) possiedono istruzioni che vengono eseguite in molti cicli di clock, mentre i processori RISC (Reduced Instruction Set Computer) svolgono solo semplici istruzioni che terminano in un ciclo di clock. - Dimensione dei registri; più grandi sono i registri maggiori sono le quantità su cui si può operare con una singola istruzione. - Frequenza di clock; la frequenza di clock è direttamente proporzionale al numero di istruzioni che possono essere svolte nell unità di tempo e quindi alla velocità di esecuzione dei programmi. Tale frequenza dipende dalle caratteristiche fisiche dei processori e non può essere aumentata a piacere. Si misura in Hz (cicli al secondo) e i microprocessori attuali possiedono frequenze dell ordine dei GHz (un miliardo di cicli al secondo). I MHz non sono un parametro significativo indicano solo il ritmo di lavoro del processore e non il numero dei cicli per istruzione. I MIPS (Millions of Instructions Per Second), cioè quante operazioni logiche o fra interi vengono eseguite mediamente in un secondo, e i MFLOPS (Millions of Flotting point Operations Per Second), relativi alle operazioni tra numeri decimali, hanno il difetto di non considerare gli altri parametri relativi all architettura del sistema e all effettivo utilizzo dell elaboratore, quindi anch essi non sono parametri molto attendibili. Si deve comunque ricordare che la velocità computazionale del processore è soltanto uno degli aspetti da considerare per la valutazione complessiva delle prestazioni di un sistema informatico; ad esempio, la velocità e la dimensione della memoria centrale oppure la struttura del bus di 7

8 sistema possono far modificare sensibilmente le prestazioni di due elaboratori dotati dello stesso processore. Per avere una valutazione più completa della bontà di un processore, sono stati quindi ideati dei programmi che eseguono una serie di test molto approfonditi sulla macchina simulando un certo gruppo di operazioni di alto livello; questi test vengono chiamati benchmark. Meno tempo un sistema impiega ad eseguire il benchmark, migliore è la prestazione. Quindi con il benchmark si misurano le prestazioni di un sistema, con gli altri parametri si misurano le prestazioni del solo microprocessore. La massima frequenza di lavoro di un circuito è data dall inverso del tempo che un segnale d ingresso impiega per raggiungere il punto più distante di un circuito. Il cammino critico è il più lungo percorso che deve fare un segnale all interno di un circuito: più corto è il circuito, maggiore è la frequenza con la quale può lavorare. Ad esempio, se un segnale per percorrere il cammino critico impiega 100 nanosecondi, la massima frequenza di lavoro del circuito è: 1 = 10 MHz 9 100*10 8