L ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI. Il processore La memoria centrale La memoria di massa Le periferiche di I/O

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1 L ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI Il processore La memoria centrale La memoria di massa Le periferiche di I/O

2 Caratteristiche dell architettura 2 Flessibilità adatta a svolgere diverse tipologie di compiti Modularità ogni componente ha una funzione specifica Scalabilità ogni componente può essere sostituito con uno equivalente Standardizzazione componenti facilmente sostituibili in caso di malfunzionamento Riduzione dei costi grazie alla produzione su larga scala Semplicità di installazione ed esercizio del sistema

3 Il calcolatore: modello architetturale 3 1. Elaborazione Unità Centrale di Elaborazione Interconnessione 2. Memorizzazione Memoria Elettronica Memoria Magnetica Collegamenti (BUS/Cavi) 3. Comunicazione (interfaccia) Periferiche

4 Hardware: architettura 4 L architettura dell hardware di un calcolatore reale è molto complessa La macchina di Von Neumann è un modello semplificato dei calcolatori moderni Von Neumann progettò, verso il 1945, il primo calcolatore con programmi memorizzabili anziché codificati mediante cavi e interruttori

5 Macchina di Von Neumann 5 E composta da 4 tipologie di componenti funzionali: unità centrale di elaborazione (CPU) esegue istruzioni per l elaborazione dei dati svolge anche funzioni di controllo memoria centrale memorizza e fornisce l accesso a dati e programmi interfacce di ingresso e uscita componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore bus svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali

6 Macchina di Von Neumann 6

7 Dispositivi di Input Tastiera Mouse trackball Touch pad Microfono Tavoletta grafica Webcam Penna ottica Scanner Fotocam. Dig. Schermi touch screen Joystick 7

8 Dispositivi di Output Monitor Plotter Stampante Casse acustiche Videoproiettore Cuffie 8

9 Caratteristiche del collegamento a BUS 9 Semplicità un unica linea di connessione costi ridotti di produzione Estendibilità aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice Standardizzabilità regole per la comunicazione da parte di dispositivi diversi Lentezza utilizzo in mutua esclusione del bus Limitatà capacità al crescere del numero di dispositivi collegati Sovraccarico del processore (CPU) perchè funge da master sul controllo del bus

10 Bus di sistema Interconnette CPU, memorie ed interfacce verso dispositivi periferici (I/O, memoria di massa,...) Collega due unità funzionali alla volta una trasmette e l altra riceve Il trasferimento dei dati avviene sotto il controllo della CPU 10

11 Bus di sistema 11 Il bus trasporta dati, indirizzi e comandi Componenti del bus (sottogruppi di linee): Bus dati (data bus) Bus indirizzi (address bus) Bus comandi (command bus) Bus dati (data bus) Serve per trasferire dati tra la memoria centrale ed il registro dati (MDR) della CPU tra periferiche e CPU (o memoria centrale) Bidirezionale

12 Bus di sistema 12 Bus indirizzi (address bus) Serve per trasmettere il contenuto del registro indirizzi (MAR) alla memoria (o ad una periferica) si seleziona una cella per successive operazioni di lettura o scrittura Unidirezionale Bus comandi (command bus) Serve per inviare comandi verso la memoria (e.g.: lettura o scrittura) o verso una periferica (es. stampa verso la stampante / interfaccia) Unidirezionale

13 Interfacce di I/O e bus 13

14 UNITÀ CENTRALE DI ELABORAZIONE CPU

15 Organizzazione tipica di un 15 calcolatore bus oriented CPU Unità di controllo Unità aritmetico logica (ALU) Registri CPU Memoria centrale Dispositivi di I/O Terminale Unità disco Stampante Bus

16 Tre tipologie di istruzioni 16 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 CPU e memoria Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di ingresso/uscita (attraverso le relative interfacce)

17 Elementi di una CPU 17 Unità di controllo Svolge funzioni di controllo, decide quali istruzioni eseguire. Unità aritmetico logica esegue le operazioni aritmetico-logiche (+,-,etc., confronto). Registri memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e informazioni di controllo; il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del registro; esistono registri di uso generico e registri specifici: Program Counter (PC) qual è l istruzione successiva; Instruction Register (IR) istruzione in corso d esecuzione;

18 Come lavora la ALU 18 Registri Registri di ingresso dell ALU B Bus di ingresso all ALU Registr o di uscita dell AL U A + B A B A A L U A + B

19 Registri (1/2) 20 Un microprocessore contiene un numero limitato di celle di memoria (registri) con scopi specifici registro contatore delle istruzioni (PC, program counter) indirizzo della prossima istruzione da eseguire registro delle istruzioni (IR, instruction register) istruzione che deve essere eseguita (codificata) parola di stato del processore (PSW) contiene informazioni, opportunamente codificate, circa l esito dell ultima istruzione che è stata eseguita

20 Registri (2/2) 21 registro indirizzi della memoria (MAR) indirizzo della cella di memoria che deve essere acceduta o memorizzata registro dati della memoria (MDR) dato che è stato acceduto o che deve essere memorizzato registri generali per memorizzare gli operandi ed il risultato di una operazione

21 Esecuzione delle istruzioni 22 Ciclo Fetch Decode Execute (leggi decodifica esegui) 1. Prendi l istruzione corrente dalla memoria e mettila nel registro istruzioni (IR). 2. Incrementa il program counter (PC) in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva. 3. Determina il tipo dell istruzione corrente (decodifica). 4. Se l istruzione usa una parola in memoria, determina dove si trova. 5. Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU. 6. Esegui l istruzione. 7. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l istruzione successiva.

22 Ciclo Fetch Decode Execute 23 Fetch Decode Execute

23 CPU 24 In grado di eseguire solo istruzioni codificate in linguaggio macchina Ciclo Fetch Decode - Execute 1. Prendi l istruzione corrente dalla memoria e mettila nel registro istruzioni (IR) (fetch) 2. Incrementa il Program Counter (PC) in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva 3. Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode) 4. Se l istruzione necessita di un dato in memoria determina dove si trova e caricalo in un registro della CPU 5. Esegui l istruzione (execute) 6. Torna al punto 1 e opera sull istruzione successiva

24 Evoluzione delle CPU Introduzione all'informatica CPU Anno Frequenza (MHz) Dimensione registri / bus dati 25 Numero di transistor / / / SX / / Pentium / Pentium II / Pentium III / Pentium /

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

26 # Transistor [CPU Intel] 27

27 Legge di Moore e progresso 28 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.

28 LA MEMORIA