MODELLO DI MACCHINA MULTILIVELLO Introduzione

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1 Appunti di Calcolatori Elettronici Concetti introduttivi generali MODELLO DI MACCHINA MULTILIVELLO... 1 Introduzione... 1 Linguaggi, livelli e macchine virtuali... 3 La struttura a livelli delle macchine odierne... 4 Evoluzione delle macchine a più livelli... 5 Hardware, software e firmware... 6 Equivalenza tra hardware e software... 6 L'ORGANIZZAZIONE DEI SISTEMI DI ELABORAZIONE... 7 Introduzione... 7 La CPU... 8 Ciclo di esecuzione delle istruzioni... 9 Insieme delle istruzioni Organizzazione della CPU Esecuzione di istruzioni in parallelo La memoria I bit Gli indirizzi di memoria Proprietà generali della memoria: RAM e ROM Input e Output Modellllo dii macchiina mulltiilliivellllo Introduzione Un calcolatore digitale è sostanzialmente una macchina in grado di risolvere dei problemi eseguendo le istruzioni che gli vengono fornite. Una sequenza di istruzioni che descrive come eseguire un certo compito è detta programma. Un calcolatore digitale è dotato di un numero elevatissimo di circuiti elettronici: questi sono in grado di riconoscere ed eseguire "direttamente" solo un insieme limitato di istruzioni semplici; perciò, tutti i programmi, per poter essere eseguiti, devono essere convertiti (ed è sempre possibile farlo) in sequenze di tali istruzioni semplici ( 1 ). L'insieme delle istruzioni semplici di un calcolatore forma un linguaggio che permette all utente di comunicare con il calcolatore: questo linguaggio prende il nome di linguaggio macchina. Nel progettare un calcolatore, in base all'uso che se ne intende fare, si tende a semplificare il più possibile le istruzioni del linguaggio macchina, anche e 1 Generalmente, le istruzioni di base sono di 3 tipi fondamentali: somma di 2 numeri, controllo di un numero per vedere se è uguale a 0, spostamento di dati da una parte della memoria del calcolatore ad un altra.

2 Appunti di Calcolatori Elettronici soprattutto per ridurre la complessità ed il costo dell elettronica da utilizzare. Tuttavia, lo svantaggio di questa elevata semplicità sta nella difficoltà, per l'utente, di utilizzarlo. Il problema viene allora risolto progettando un nuovo insieme di istruzioni, che risulti più conveniente da usare: mentre il linguaggio macchina verrà indicato nel seguito con L1 (e viene spesso detto linguaggio built-in), questo secondo insieme di istruzioni verrà indicato come linguaggio L2. Il linguaggio L2 può essere a sua volta utilizzato in due modi differenti. Infatti, dato che un calcolatore può eseguire sempre e soltanto istruzioni in L1, si tratta di vedere in quali modi viene effettuato il passaggio da L2 ad L1: il primo metodo consiste nel sostituire ad ogni istruzione in L2 l'equivalente sequenza di istruzioni in L1: con questo metodo, detto di traduzione, il calcolatore esegue il nuovo programma in L1 anziché il programma originale in L2; Istruzioni in L1 Istruzione 0 Istruzione 1 Istruzione 2... Programma in L2 Istruzioni in L1 Istruzioni in L1 Sequenza di istruzioni in linguaggio L1 Metodo di traduzione Esecuzione il secondo metodo è invece un po più complesso: bisogna infatti scrivere un programma, in linguaggio L1, che riceva in input i programmi in L2 e li esegua esaminando una istruzione dopo l'altra ed eseguendo per ognuna la sequenza equivalente di istruzioni in L1. Questo secondo metodo è detto di interpretazione ed il programma in L1 che lo realizza prende il nome di interprete. Interprete Esecuzione Programma in L2 Programma in L1 Metodo di interpretazione In generale, quindi, con la traduzione si passa prima al programma equivalente in L1 e poi lo si esegue; al contrario, con l'interpretazione, non viene generato alcun programma intermedio: ogni istruzione in L2 viene esaminata, decodificata e immediatamente eseguita. La caratteristica comune è, ovviamente, il fatto per cui il calcolatore esegue solo istruzioni in L1. Ovviamente, per rendere pratici i processi di traduzione o di interpretazione, è necessario che i linguaggi L1 ed L2 non differiscano troppo tra loro: tuttavia, questo fa sì che anche L2 risulti non particolarmente comodo da usare per l'utente. Di qui l'idea (e spesso la necessità) di inventare anche un terzo insieme di 2 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

3 Concetti introduttivi generali sui calcolatori istruzioni, questa volta più orientato all'utente che non alla macchina di quanto non avvenisse per L2. Indicheremo questo linguaggio con L3. In generale, questa invenzione di una intera serie di linguaggi, ognuno più conveniente del suo predecessore, può proseguire teoricamente all infinito; nella realtà, il processo si arresta quando si ottiene un linguaggio adatto alle proprie esigenze. Ogni linguaggio usa il suo predecessore come base, per cui è possibile considerare un calcolatore che usa questa tecnica come una serie di strati (o livelli), posti uno sopra l altro e corrispondenti ciascuno ad un dato linguaggio. Evidentemente, il linguaggio di livello più basso è il più semplice ma anche il più scomodo (si tratta del linguaggio macchina), mentre invece quello di livello più alto è il più complicato ma anche più familiare per l utente. Linguaggi, livelli e macchine virtuali Ogni macchina è dotata di un proprio linguaggio macchina (L1), cioè l'insieme di tutte le istruzioni che essa può eseguire "direttamente". In questo senso possiamo dire che una macchina definisce un linguaggio. Vale però anche il viceversa, nel senso che ogni linguaggio definisce una macchina, intesa come quella macchina che può eseguire direttamente tutti i programmi scritti in quel linguaggio. Chiaramente, a linguaggi complessi (quelli ad alto livello, per esempio) corrisponderanno macchine complesse e costose, ma questo non impedisce di pensare che tali macchine possano comunque esistere. Possiamo allora visualizzare un calcolatore dotato di N livelli (cioè di N linguaggi) come N differenti macchine VIRTUALI, ognuna relativa ad un livello. Nel seguito, useremo i termini "livello" e "macchina virtuale" in modo intercambiabile. Macchina virtuale M n, con linguaggio macchina L n Livello n Macchina virtuale M n-1, con linguaggio macchina L n-1 Livello n-1... Macchina virtuale M 3, con linguaggio macchina L 3 Livello 3 Macchina virtuale M 2, con linguaggio macchina L 2 Livello 2 Macchina virtuale M 1, con linguaggio macchina L 1 Livello 1 Schematizzazione di una macchina a più livelli aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

4 Appunti di Calcolatori Elettronici Solo quei programmi scritti in linguaggio L1 potranno essere eseguiti direttamente dai circuiti elettronici di una macchina. Ogni programma che sia scritto in un linguaggio diverso da L1 dovrà subire o una serie di traduzioni fino ad arrivare ad un programma in L1 oppure dovrà essere interpretato da un interprete di livello inferiore, fino ad un interprete di livello L1. Chiaramente, però, una persona che scrive programmi per la macchina virtuale di livello N non si deve preoccupare degli interpreti e dei traduttori sottostanti: la struttura della macchina garantisce che questi programmi saranno in qualche modo eseguiti. La struttura a livelli delle macchine odierne Nei calcolatori moderni si possono generalmente individuare i seguenti livelli: il livello più basso (livello 0, detto anche livello della logica digitale) è quello dell' hardware, ossia dei circuiti elettrici ed elettronici di cui il calcolatore si compone. Tali dispositivi eseguono direttamente i programmi scritti nel linguaggio macchina del livello superiore, cioè il livello 1 ( 2 ); il livello successivo (livello 1) è propriamente il livello del linguaggio macchina: a partire da questo livello si introduce il concetto di programma come sequenza di istruzioni da eseguire; in particolare, nel livello 1 c'è un programma, detto microprogramma, che si occupa di interpretare le istruzioni del livello 2. Per questo motivo, il livello 1 viene detto livello della microprogrammazione. Da notare che, per definizione stessa di tale livello, non possono esistere due calcolatori aventi lo stesso livello 1: ci possono essere, e ci sono, similitudini, ma mai l'uguaglianza; il livello 2 è noto come livello della macchina standard. Non tutti i calcolatori dispongono del livello 1: in questi casi, i programmi di livello 2 vengono eseguiti dai circuiti di livello 0 senza traduzioni o interpretazioni intermedie; al di sopra del livello 2 c'è il livello 3, che presenta alcune particolari caratteristiche: intanto, esso si differenzia dal livello 2 in quanto fornisce un insieme di nuove istruzioni, una organizzazione della memoria differente, la capacità di eseguire più programmi in parallelo ed altro; tuttavia, gran parte delle istruzioni del livello 3 compaiono anche nel livello 2. Ecco perchè potremmo dire che si tratta di un livello ibrido. Le nuove capacità aggiunte a livello 3 vengono eseguite da un particolare interprete, il quale fa operare il livello 2: si tratta del sistema operativo. In altre parole, le istruzioni del livello 3 identiche a quelle del livello 2 vengono eseguite dal livello 2, ossia vengono interpretate direttamente dal microprogramma (livello 1) corrispondente; le altre istruzioni vengono invece interpretate dal sistema operativo. Il livello 3 è noto perciò come livello del sistema operativo; mentre tra i livelli finora esaminati ci sono fondamentalmente notevoli affinità, il passaggio dal livello 3 al livello 4 è molto più brusco e netto. Lo scopo dei primi livelli (da 0 a 3) non è certo un utilizzo diretto da parte del programmatore medio, bensì il funzionamento dei traduttori e degli interpreti che supportano i livelli superiori. Al contrario, tali livelli superiori sono 2 Ci sarebbe in verità anche un livello più basso del livello 0, il cosiddetto livello di dispositivo che però riguarda il campo della ingegneria elettronica e non ci interessa. 4 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

5 Concetti introduttivi generali sui calcolatori concepiti per un uso diretto da parte del programmatore, il quale li utilizza per la risoluzione dei propri problemi. La differenza forse più evidente è la seguente: mentre i linguaggi dei livelli 1, 2 e 3 sono costituiti solo da numeri (ottimi per le macchine ma pessimi per le persone), i linguaggi dal livello 4 in su cominciano a contenere stringhe ed abbreviazioni sicuramente più congeniali per l'uomo. Il livello 4 è noto come livello del linguaggio Assembler: si tratta fondamentalmente di una forma simbolica di uno dei linguaggi sottostanti. In pratica, questo livello consente di scrivere programmi formalmente analoghi a quelli dei livelli inferiori, ma comunque meno ostici per l utente. I programmi del livello 4 vengono prima tradotti nei linguaggi di livello 1, 2 e 3 e poi interpretati per l'esecuzione. I programmi dediti alla traduzione sono gli assemblatori; al di sopra del livello 4 c'è il livello dei linguaggi simbolici ad alto livello, ossia di linguaggi molto vicini al linguaggio naturale dell'uomo. Programmi scritti in questi linguaggi vengono solitamente tradotti in programmi di livello 4 o 3 dai cosiddetti compilatori. Evoluzione delle macchine a più livelli Esaminiamo velocemente lo sviluppo storico delle macchine a più livelli. I primi calcolatori digitali (1940) possedevano soltanto 2 livelli: il livello di macchina standard, in cui era fatta tutta la programmazione, e quello della logica digitale, che eseguiva i programmi. Nel 1951 si passò a calcolatori a 3 livelli, al fine soprattutto di semplificare l'hardware: ogni macchina aveva adesso un interprete la cui funzione era quella di eseguire i programmi del linguaggio della macchina standard tramite la loro interpretazione. Nel giro di pochi anni si passò al livello degli assemblatori e dei compilatori, allo scopo di facilitare il compito dei programmatori. Agli inizi, i calcolatori erano un qualcosa su cui i programmatori potevano e dovevano operare personalmente per far funzionare i propri programmi. Questo implicava che essi dovessero conoscere a fondo la macchina e la soluzione di eventuali problemi. Di conseguenza, era più il tempo in cui si cercava di individuare i guasti che non il tempo dedicato alle esecuzioni vere e proprie dei programmi. Dopo 10 anni (1960), si tentò di ridurre questa perdita di tempo automatizzando il lavoro degli operatori: venne introdotto un programma, detto sistema operativo, il quale, una volta ricevuti i programmi in input dal programmatore, si occupava di leggerli ed eseguirli. La sofisticazione dei sistemi operativi fu molto rapida: nuove istruzioni, opzioni e caratteristiche furono aggiunte al livello della macchina standard, finché non costituirono un nuovo livello, quello appunto del sistema operativo. I primi sistemi operativi non facevano altro che leggere i pacchi di schede forniti dai programmatori e stampavano gli output su una stampante: questo tipo di organizzazione era conosciuta come sistema bacth (o a lotti) ed era generalmente piuttosto lenta. Più tardi, invece, furono sviluppate delle versioni dei sistemi operativi che permettevano a diversi programmatori di comunicare direttamente con il calcolatore. In questo tipo di sistemi, venivano usati dei cavi (generalmente di tipo telefonico ) per collegare i terminali al calcolatore centrale. In questo modo, il programmatore poteva inviare i propri programmi ed osservare i risultati (in tempi aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

6 Appunti di Calcolatori Elettronici molto rapidi) da qualunque luogo. Questi sistemi furono e sono tuttora chiamati sistemi time-sharing. Hardware, software e firmware Come più volte sottolineato, i programmi scritti nel linguaggio macchina (livello 1) di un calcolatore possono essere direttamente eseguiti dai circuiti elettronici (livello 0) del calcolatore stesso, senza l intervento di alcun interprete o intermediario. Questi circuiti elettronici, insieme a quelli che costituiscono la memoria ed i dispositivi di I/O, costituiscono il cosiddetto hardware del calcolatore. Il cosiddetto software è invece l insieme degli algoritmi e delle loro rappresentazioni per il calcolatore, ossia i programmi. Tali programmi possono essere rappresentati su vari supporti (schede perforate, cassette magnetiche, film fotografici o tanti altri mezzi), ma la vera essenza del software è l insieme di istruzioni che costituiscono i programmi e non certo i mezzi fisici su cui sono registrati. Una specie di forma intermedia tra hardware e software è costituita dal cosiddetto firmware: si tratta del software che viene incorporato nei dispositivi elettronici digitali durante la loro costruzione. Si ricorre al firmware quando si prevede di cambiare i programmi molto raramente o addirittura mai, oppure anche quando è importante che un dato programma non venga perso, ad esempio per cadute di corrente. Nella maggior parte dei calcolatori, i microprogrammi sono firmware. Equiivallenza tra hardware e sofftware Il concetto di equivalenza tra hardware e software esprime semplicemente il fatto che ogni operazione eseguita dal software può essere costruita direttamente nell hardware, così come ogni istruzione eseguita dall hardware può essere simulata nel software. La decisione se mettere certe funzioni nel software o nell hardware è basilare nel progetto dei calcolatori ed è influenzata da alcuni importanti fattori, come il costo, la velocità, l affidabilità, la frequenza prevista negli eventuali cambiamenti ed altro. Sui primi calcolatori, la distinzione tra hardware e software era chiara e netta: l hardware eseguiva alcune istruzioni semplici, come la somma (ADD) ed il salto (JUMP), mentre tutto il resto era programmato esplicitamente via software. Così facendo, quando un programma doveva moltiplicare due numeri, il programmatore doveva scrivere la propria procedura di moltiplicazione oppure usarne una predefinita di libreria. Quando, però, fu evidente che alcune operazioni venivano eseguite molto frequentemente, si passò a realizzare circuiti specializzati per l effettuazione di tali operazioni direttamente a livello hardware, il che le rendeva molto più veloci. Ci fu così una ovvia tendenza a spostare le operazioni verso il basso, ossia appunto verso l hardware. Quando invece arrivò l era della microprogrammazione e dei calcolatori a più livelli, nacque la tendenza esattamente opposta. Mentre, nei primi calcolatori, l istruzione ADD veniva eseguita direttamente dall hardware, sui calcolatori microprogrammati essa veniva interpretata da un microprogramma eseguito al livello più basso, il quale seguiva una serie di passi, del tipo seguente: preleva l istruzione, determinane il tipo, localizza i dati da sommare, prendi i dati dalla 6 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

7 Concetti introduttivi generali sui calcolatori memoria, esegui l addizione e memorizza il risultato. Questo è un classico esempio di una funzione che viene spostata verso l alto, dal livello dell hardware (livello 0) al livello della microprogrammazione (livello 1). A questo punto, è evidente che, con lo sviluppo delle macchine a più livelli, ogni progettista deve decidere cosa porre ad ogni livello delle proprie macchine; si tratta perciò di una ulteriore generalizzazione del problema di scegliere se implementare una funzione in hardware o in software. A quest ultimo proposito, si ritiene interessante elencare alcune funzioni caratteristiche dei moderni calcolatori che vengono eseguite dall hardware oppure da microprogrammi ma che inizialmente erano programmate esplicitamente a livello di macchina standard (livello 2): istruzioni per la moltiplicazione e la divisione di interi; istruzioni per l aritmetica in virgola mobile; istruzioni per l aritmetica in doppia precisione (che cioè coinvolge numeri con il doppio delle cifre significative); istruzioni per la chiamata ed il ritorno delle procedure; istruzioni per il conteggio; modalità per velocizzare calcoli che coinvolgono vettori; modalità per permettere che i programmi vengano collocati in memoria dopo che hanno già iniziato la loro esecuzione (concetto di rilocazione dei programmi); clock per scandire il tempo di esecuzione dei programmi; sistemi di interruzione, che segnalano ad esempio al calcolatore quando una operazione di input o di output è terminata; capacità di sospendere un programma e cominciarne un altro (concetto di commutazione di processi). L''ORGANIIZZAZIIONE DEII SIISTEMII DII ELABORAZIIONE Introduzione Un calcolatore digitale è costituito da un sistema interconnesso dei seguenti dispositivi: processori; memorie; dispositivi di I/O. La figura seguente riporta una schematizzazione assolutamente generale di un calcolatore automatico: aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

8 Appunti di Calcolatori Elettronici dati algoritmo risultati Unità di ingresso (input) Unità di uscita (output) Unità aritmetica e logica Unità di controllo L insieme dell unità aritmetica e logica e dell unità di controllo è quello che oggi si definisce processore. La CPU L'organizzazione di un semplice calcolatore dotato di BUS per il collegamento tra i dispositivi è mostrata nella seguente: Unità Centrale di Elaborazione (CPU) Unità di controllo Unità aritmetica e logica Registri centrale Disco Stampante BUS Organizzazione di un semplice calcolatore con una CPU e due dispositivi di I/O il cuore del sistema è costituito dalla CPU (Unità centrale di elaborazione), la quale consta a sua volta delle seguenti componenti: 8 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

9 Concetti introduttivi generali sui calcolatori o unità di controllo o unità aritmetica e logica (ALU) o registri interni; in posizione fisicamente adiacente alla CPU c'è la memoria centrale (di tipo RAM, Random Access Memory, cioè ad accesso casuale uniforme); seguono i vari dispositivi di Input (disco, tastiera, mouse, scanner,...) e di Output (video, stampante,...). Occupiamoci in particolare della CPU e delle sue componenti: l' unità di controllo ha il compito di prelevare le istruzioni dalla memoria principale e di determinarne il tipo, oltre che di sovrintendere al funzionamento generale del calcolatore; l' unità aritmetico-logica esegue le operazioni elementari (OR, AND, XOR, somma, moltiplicazione,...) richieste dalle istruzioni; i registri interni sono una specie di piccola memoria ad altissima velocità, usata dalla CPU per memorizzare i risultati temporanei delle proprie operazioni e certe informazioni di controllo; ognuno di questi registri ha una particolare funzione; ad esempio: o il registro più importante è il Program Counter (PC), il quale punta alla prossima istruzione da eseguire ( 3 ); o il registro delle istruzioni Instruction Register (IR) contiene di volta in volta l'istruzione da eseguire. Ciicllo dii esecuziione delllle iistruziionii La CPU esegue un programma (ossia una sequenza di istruzioni) attraverso la successione dei seguenti passi: 1. legge la nuova istruzione dalla memoria (usando l indirizzo contenuto nel registro PC) e la pone nel registro delle istruzioni (IR); questa fase è detta di fetch dell istruzione; 2. cambia il valore del registro PC, in modo che punti all istruzione seguente; 3. determina il tipo di istruzione appena prelevata, leggendo i primi bit del registro IR (i quali recano il codice operativo dell istruzione); 4. se l istruzione usa dei dati (operandi) nella memoria, determina la loro posizione; 5. preleva i suddetti dati e li pone nei registri interni della CPU; 6. esegue l istruzione, tramite l uso dell unità aritmetica e logica; 7. memorizza il risultato nel posto previsto dalla istruzione (sia esso un registro o una locazione di memoria); 8. ritorna al passo 1 e comincia ad eseguire l istruzione seguente. 3 Si noti che il nome contatore di programma è decisamente fuorviante, in quanto non ha niente a che fare con il conteggio di qualcosa. aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

10 Appunti di Calcolatori Elettronici Spesso, questa sequenza di passi viene detta ciclo preleva-decodifica-esegui, per evidenti motivi. Essa è alla base del funzionamento di tutti i calcolatori. IInsiieme delllle iistruziionii Il gruppo di tutte le istruzioni disponibili per un programmatore, ad un determinato livello, si chiama insieme di istruzioni di quel livello. Il numero di istruzioni contenute in tale insieme varia sia da livello a livello sia da macchina a macchina. Un grosso insieme di istruzioni non necessariamente è migliore di uno piccolo; al contrario, spesso vale il concetto opposto, dato che un grosso insieme di istruzioni significa che tali istruzioni sono piuttosto specifiche, mentre invece i compilatori dei linguaggi ad alto livello (come il Pascal o il C) lavorano meglio su macchine con insiemi di istruzioni piccoli e ben scelti. Le macchine con insiemi di istruzioni molto piccoli sono dette macchine RISC (Reduced Instruction Set Computers) e si contrappongono alle macchine CISC (Complex Instruction Set Computers): esempi di macchine CISC sono i processori Intel a partire dal 80386, oppure i più vecchi IBM 360, Motorola o il DEC VAX. Le macchina RISC non usano la microprogrammazione e sono molto veloci. Organiizzaziione delllla CPU L organizzazione interna di una parte della classica CPU di Von Neumann è mostrata dettagliatamente nella figura seguente, facendo riferimento ad un esempio semplice di somma tra due numeri: A+B A Registro della CPU B A B Registri di input della ALU ALU A+B Registro di output della ALU Cammino dei dati di una tipica macchina di Von Neumann Quando l'unità aritmetica e logica deve eseguire una operazione tra due dati, il cammino di tali dati, secondo lo schema di Von Neumann, è il seguente: 10 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

11 Concetti introduttivi generali sui calcolatori i due dati vengono prelevati dai registri interni della CPU (oppure dalla memoria); vengono quindi inviati a due registri di input per l'alu; l'alu esegue l'operazione richiesta sui dati contenuti in tali registri e deposita il risultato in un registro di output (sempre specifico della ALU), dal quale i dati verranno successivamente trasportati nella destinazione finale (che potrà essere un registro della CPU, come in figura, oppure una locazione della memoria centrale). A proposito della posizione degli operandi di una istruzione e del risultato di una operazione su di essi, si distinguono tre categorie di istruzioni: o istruzioni da memoria a registro, che permettono il passaggio delle parole dalla memoria ai registri della CPU, dove possono essere usate come input dell ALU, quali operandi di istruzioni; o istruzioni da registro a registro, che prendono i due operandi dai registri della CPU, li portano nei registri di input della ALU, eseguono l operazione su di essi e memorizzano il risultato di nuovo in un registro della CPU; o istruzioni da memoria a memoria, che portano gli operandi dalla memoria direttamente ai registri di input dell ALU, eseguono l operazione e riscrivono il risultato direttamente in memoria. Il cammino dei dati è il cuore della maggior parte delle CPU, in quanto, in un certo senso, definisce ciò che la macchina può fare. Esecuziione dii iistruziionii iin parallllello L obbiettivo primario dei progettisti dei calcolatori è stato sempre, fin dagli albori dell informatica, quello di rendere i calcolatori quanto più veloci possibile: a tal proposito, ci si rese conto subito che le accelerazioni ottenibili tramite un miglioramento dell hardware sono comunque limitate; ad esempio, le leggi della fisica dicono che niente può andare più veloce della luce (cioè circa 30 cm per ns nel vuoto e 20 cm in un filo di rame), il che comporta che, per realizzare un calcolatore con un tempo di esecuzione di 1 ns per istruzione, la distanza totale su cui il segnale elettrico può viaggiare, all interno della CPU, verso la memoria e di ritorno dalla memoria, non può essere maggiore di 20 cm; in poche parole, calcolatori molto veloci devono anche essere molto piccoli. Non basta però dire che minori dimensioni equivalgono a maggiori velocità: infatti, i calcolatori veloci producono più calore di quelli lenti, per cui la riduzione delle dimensioni complica i meccanismi di dissipazione del calore. Proprio per questo, alcuni supercalcolatori sono immersi nel freon liquido, usato come liquido di raffreddamento, per riuscire a trasferire all esterno il calore il più velocemente possibile. Sulla scorta di queste ed altre considerazioni relative ai vincoli fisici di realizzazione dei calcolatori, si è pensato che, al posto di costruire un unica CPU ad alta velocità, si potrebbe costruire una macchina con molte ALU più lente (e quindi più economiche e facili da realizzare) o perfino con diverse CPU complete, da collegare e far funzionare in modo da ottenere la stessa potenza di calcolo ma ad un costo minore. Si parla in questo caso genericamente di macchine parallele; aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

12 Appunti di Calcolatori Elettronici vogliamo dare dei cenni ad alcune tecniche di realizzazione di questo tipo di macchine. In primo luogo, le macchine parallele possono essere divise in tre categorie, a seconda di quanti flussi di istruzioni e di dati sono presenti in esse (classificazione di Flynn): macchine SISD (Single Instruction Single Data): flusso di istruzioni unico e flusso di dati unico; macchine SIMD (Single Instruction Multiple Data): flusso di istruzioni unico e flusso di dati multiplo; macchine MIMD (Multiple Instruction Multiple Data): flusso di istruzioni multiplo e flusso di dati multiplo. La macchina tradizionale di Von Neumann è ovviamente di tipo SISD: essa ha un unico flusso di istruzioni (cioè un unico programma) eseguito da una CPU ed ha poi un unica memoria che contiene i dati usati dal programma; la prima istruzione viene presa dalla memoria e poi eseguita, dopodiché si passa al prelievo ed alla esecuzione dell istruzione successiva e così via fino al termine del programma. Si tratta perciò di un modello prettamente sequenziale. Nonostante questo, anche in un simile modello è possibile avere un limitato grado di parallelismo: infatti, si può tentare di prelevare una nuova istruzione e cominciare ad eseguirla prima che quella attualmente in esecuzione sia completata. Ad esempio, il calcolatore CDC 6600 ed alcuni dei suoi successori erano dotati di unità funzionali multiple (ALU specializzate), ognuna delle quali poteva eseguire una sola operazione ad alta velocità. Un esempio di una simile macchina è riportato nella figura seguente: Registri * + Una CPU con 5 unità funzionali che possono operare in parallelo Come si vede, abbiamo 5 unità funzionali, tre per le operazioni di somma (molto frequenti) ed una ciascuno per le operazioni di sottrazione e moltiplicazione. L idea di fondo di una simile architettura è che l unità di controllo vada a prendere una istruzione dalla memoria e poi la passi ad una delle unità funzionali 12 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

13 Concetti introduttivi generali sui calcolatori per l esecuzione; nel frattempo, l unità di controllo prende l istruzione successiva e la passa ad un altra unità funzionale. Questo procedimento continua fin quando tutte le unità funzionali del tipo richiesto sono occupate oppure quando l operando necessario ad una istruzione è ancora in fase di elaborazione. Questa strategia richiede che il tempo per eseguire una istruzione sia abbastanza maggiore di quello richiesto per prelevarla: per questo motivo, essa viene generalmente usata solo per operazioni in virgola mobile, che sono complesse e lunghe, e non per operazioni su interi, che sono invece semplici e veloci. Una variante della strategia appena descritta consiste nel dividere l esecuzione di ogni istruzione in più parti; ad esempio, nella prossima figura è illustrato quello che accade per una CPU suddivisa in 5 unità di elaborazione, denominate P1, P2, P3, P4 e P5: P1 P2 P3 P4 P5 Unità di prelevamento istruzioni Analizzatore di istruzioni Unità di calcolo indirizzi Unità di prelevamento dati Unità di esecuzione istruzioni P1: P2: P3: P4: P5: tempo -> Macchina a 5 unità con pipeline (figura in alto). Lo stato di ogni unità di elaborazione (figura in basso) viene illustrato in funzione del tempo Durante il primo intervallo di tempo, l istruzione viene prelevata dalla memoria dall unità P1; nel secondo intervallo di tempo, l istruzione viene passata a P2 per essere analizzata, mentre, in contemporanea, P1 prende una nuova istruzione. In ognuno degli intervalli successivi, una nuova istruzione è prelevata da P1, mentre le altre istruzioni sono passate ad una unità successiva lungo il percorso. Una simile organizzazione è detta macchina a pipeline: se ciascun intervallo di tempo dura x ns, sono necessari 5x ns per eseguire una istruzione; tuttavia, all unità P5 arriva una istruzione completa ogni x ns, ottenendo così un incremento di prestazioni di ben 5 volte (una volta raggiunta la condizione di regime, a partire dal quinto intervallo di tempo). Una cosa importante da notare è che una macchina a pipeline, nonostante impieghi una sorta di parallelismo interno, è ancora una macchina SISD: c è infatti un solo programma ed un solo insieme di dati. A differenze delle macchine SISD, le macchine SIMD operano invece in parallelo su insiemi multipli di dati. Una tipica architettura adatta a questo compito è la cosiddetta macchina vettoriale, schematizzata nella figura seguente: aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

14 Appunti di Calcolatori Elettronici A Vettore in input B ALU vettoriale A+B Vettore in output Esempio di ALU vettoriale composta da 8 unità In questo caso, il percorso dei dati a simile a quello delle macchine SISD tradizionali, ad eccezione del fatto che, invece di avere una sola variabile per ogni ingresso della ALU, abbiamo ora un vettore con N input. Ovviamente, la ALU è ora una ALU vettoriale, capace cioè di eseguire delle operazioni ricevendo in ingresso non più due scalari, bensì due vettori, e restituendo a sua volta un vettore. Un approccio alternativo è costituito dal cosiddetto Array Processor, illustrato nella figura seguente: Unità di controllo Trasmette istruzioni Processore Griglia di processori/memoria di dimensione Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

15 Concetti introduttivi generali sui calcolatori Si tratta di una vera e propria griglia quadrata di elementi, ognuno dei quali è costituito da un processore e da una memoria. Esiste una singola unità di controllo, che trasmette le istruzioni, le quali sono eseguite da tutti i processori usando la propria memoria (caricata durante la fase di inizializzazione). Una simile architettura è particolarmente adatta per calcoli su matrici. La terza categoria di Flynn è costituita dalle macchine MIMD, in cui diverse CPU eseguono diversi programmi, a volte condividendo una parte di memoria comune. La figura seguente mostra ad esempio una macchina MIMD in cui più processori usano una memoria unica, cui accedono tramite un bus: CPU CPU CPU CPU condivisa BUS Multiprocessore di base Il problema di una simile architettura è che, se le CPU sono molte veloci, i conflitti sull uso del bus sono troppi. Una alternativa per aggirare questo problema sarebbe quella di dotata ciascun processore di una quantità di memoria locale propria, non accessibile agli altri, da affiancare alla memoria condivisa: locale locale locale locale CPU CPU CPU CPU condivisa BUS Multiprocessore con memorie locali La memoria locale può essere usata per il codice del programma e, in generale, per tutti gli elementi che non devono essere condivisi. Altri processori non usano addirittura un unico bus, ma diversi bus per ridurre ulteriormente il carico. Altri ancora usano la tecnica della memoria cache, in cui tenere le parole della memoria usate più frequentemente. La memoria La memoria è quella parte del calcolatore in cui sono immagazzinati i programmi ed i dati. Senza una memoria in cui i processori possano leggere e scrivere informazioni, non esisterebbero calcolatori digitali con programmi memorizzati. aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

16 Appunti di Calcolatori Elettronici II biit L unità fondamentale della memoria è la cifra binaria, detta bit. Ogni bit può contenere uno 0 oppure un 1. E dunque l unità più semplice possibile da memorizzare ed elaborare. Spesso si dice che i calcolatori usano l aritmetica binaria perché è più efficiente; in realtà, l aritmetica binaria gode di due pregi: l efficienza e l affidabilità. Cominciamo proprio dall affidabilità: l informazione digitale può essere memorizzata distinguendo tra i diversi valori di qualche grandezza fisica continua (o, meglio, analogica), come la tensione o la corrente; quanti più valori devono essere distinti, tanto meno separazione esisterà tra valori adiacenti e quindi tanto meno la memoria sarà affidabile; allora, nel caso del sistema di numerazione binaria, i valori da distinguere sono solo due, il che lo rende il sistema più affidabile possibile per la codifica delle informazioni. Talvolta, si pubblicizzano alcuni calcolatori, come i grandi mainframe IBM, dicendo che sono dotati dell aritmetica decimale oltre che di quella binaria. Il trucco, in questa affermazione, è semplice: si usano 4 bit per memorizzare una singola cifra decimale, secondo una tecnica chiamata BCD (Binary-Coded Decimal). Evidentemente, dato che 4 bit forniscono 2 4 =16 combinazioni, 10 di queste sono usate per le 10 cifre decimali (da 0 a 9), mentre le rimanenti 6 rimangono inutilizzate. Così facendo, ad esempio, il numero 1944 sarà codificato nel modo seguente: sistema decimale: sistema binario: In entrambi i casi, sono stati usati 16 bit, ma con una differenza fondamentale: i 16 bit del formato decimale possono memorizzare solo i numeri da 0 a 9999, permettendo cioè solo combinazioni, mentre invece i 16 bit binari consentono di rappresentare diverse combinazioni, ossia più di 6 volte tanto. Per questa ragione si dice che l aritmetica binaria è più efficiente. Gllii iindiiriizzii dii memoriia La memoria principale di un calcolatore è costituita da un numero di celle (o locazioni), ognuna delle quali può immagazzinare un elemento di informazione. Ogni cella è individuata da un proprio numero (detto indirizzo) con il quale i programmi possono riferirsi ad essa. Se una memoria ha N celle, allora tali celle avranno indirizzi compresi tra 0 e N-1. cella #0 cella #1 cella #2 cella... cella #N-2 cella #N-1 Schematizzazione della divisione in celle di una memoria, numerate in modo progressivo da 0 ad N-1, dove N è il numero di celle 16 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

17 Concetti introduttivi generali sui calcolatori Ogni cella di memoria contiene lo stesso numero di bit. Se una cella contiene K bit, allora essa può contenere una qualsiasi delle 2 K combinazioni diverse di tali bit. Le celle adiacenti hanno ovviamente indirizzi consecutivi. I calcolatori che usano l' aritmetica binaria esprimono anche gli indirizzi di memoria tramite numeri binari. Ad esempio, se un indirizzo di memoria binario è costituito da M bit, significa che il numero massimo di celle direttamente indirizzabili è 2 M. Il numero di bit nell'indirizzo è dunque collegato al numero massimo di celle direttamente indirizzabili, ma invece non dipende affatto dal numero di bit per ogni cella. Ad esempio, una memoria con 2 12 celle ciascuna da 8 bit avrebbe bisogno di indirizzi a 12 bit così come una memoria con 2 12 celle da 60 bit: ciò che conta è il numero di celle e non la loro dimensione. La cella è l unità indirizzabile più piccola. Negli ultimi anni, molti costruttori hanno standardizzato celle a 8 bit, dette byte. A loro volta, i byte sono raggruppati in parole. Il numero di byte costituenti una parola varia da calcolatore e calcolatore: ad esempio, un calcolatore con una parola a 16 bit ha evidentemente 2 byte/parola, mentre invece un calcolatore con una parola a 32 bit ha evidentemente 4 byte/parola (questo è il caso oggi più comune). La ragione per l uso delle parole è che molte istruzioni operano su parole intere: un esempio classico è la somma tra due parole. Di conseguenza, una macchina a 16 bit (ossia con parole a 16 bit) avrà registri a 16 bit e istruzioni per manipolare parole a 16 bit, mentre invece una macchina a 32 bit (ossia con parole a 32 bit) avrà registri a 32 bit e istruzioni per spostare, sommare, sottrarre e manipolare parole a 32 bit. Propriietà generallii delllla memoriia:: RAM e ROM Le memorie che possono essere sia scritte sia lette sono chiamate RAM (Random Access Memory, ossia memoria ad accesso casuale), che in realtà è un termine improprio (per quanto ormai diffusamente utilizzato), dato che tutti i chip di memoria sono accessibili in maniera casuale. Le RAM si dividono in due varietà: le RAM statiche (SRAM) sono costruite internamente in modo che il loro contenuto venga mantenuto fin quando sono alimentate; le RAM dinamiche (DRAM) sono sostanzialmente delle matrici di piccoli condensatori, ognuno dei quali può essere caricato o scaricato, in modo da memorizzare uno 0 oppure un 1. Dato che la carica elettrica tende a disperdersi, ogni bit di una DRAM deve essere rinfrescato ogni pochi millisecondi se si vuole che i dati non svaniscano. Dato che deve essere la logica esterna a curare il rinfrescamento, le memorie DRAM richiedono una interfaccia più complessa rispetto alle SRAM; a fronte di questo svantaggio, le DRAM hanno il pregio di capacità generalmente maggiori rispetto alle SRAM. Alcune DRAM hanno inoltre la logica di rinfrescamento direttamente sul chip, il che permette sia una grande capacità sia una interfaccia semplice: si parla in questo caso di chip quasi-statici. Le RAM non sono comunque l unico tipo di chip di memoria; in molte applicazioni, infatti, il programma da eseguire e parti dei dati necessari devono rimanere memorizzati anche quando la corrente viene disinserita; oltre a questo, molti programmi devono necessariamente rimanere inalterati una volta installati. Questi requisiti hanno portato allo sviluppo delle memorie ROM (Read-Only Memory, ossia memorie a sola lettura): il contenuto di queste memorie non può aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

18 Appunti di Calcolatori Elettronici essere cambiato o cancellato in alcun modo. Il contenuto di una ROM viene inserito durante la costruzione del chip, esponendo un materiale fotosensibile attraverso una maschera che contiene la configurazione desiderata di bit e poi incidendo la superficie esposta (oppure quella non esposta). Le ROM sono molto più economiche delle RAM, specialmente se ordinate in grandi quantità per sostenere le spese della creazione della maschera. Tuttavia, queste memorie sono evidentemente poco flessibili proprio perché non modificabili. Le cosiddette memorie PROM (Programmable ROM, ossia ROM programmabili) sono state allora introdotte per facilitare lo sviluppo di nuovi prodotti basati su ROM: il chip è come una ROM, ma può essere programmato (anche se una sola volta) sul campo. Lo sviluppo successivo di questi chip è stato quelle delle memorie EPROM (Erasable PROM, ossia PROM cancellabili): questi chip non solo sono programmabili come le PROM, ma sono anche cancellabili. In poche parole, quando la cosiddetta finestra al quarzo di una EPROM viene esposta ad una forte luce ultravioletta per 15 minuti, tutti i bit vengono posti ad 1. Nei casi in cui sono necessari molti cambiamenti durante il ciclo di progettazione, la EPROM è senz altro più economia della PROM, proprio perché può essere riutilizzata. Ancora meglio delle EPROM sono le memorie EEPROM (Electrically Erasable PROM, ossia PROM cancellabili elettricamente), dette anche EAROM (Electrically Alterable ROM, ossia ROM alterabili elettricamente): queste memorie possono essere cancellate semplicemente applicando degli impulsi elettrici anziché inserendole in una camera speciale per l esposizione alla luce ultravioletta. Segnaliamo che una EEPROM differisce da una RAM poiché sia la scrittura di un byte sia la cancellazione di un byte richiedono un tempo migliaia di volte più lungo; al contrario, i tempi di accesso per la lettura delle memorie ROM in generale sono comparabili con quelli delle RAM. Input e Output Nei moderni calcolatori si usano solitamente due diverse organizzazioni del sistema di I/O. Consideriamo ad esempio i main frame: centrale BUS di memoria CPU BUS di I/O Processore di I/O (canale) Processore di I/O (canale) Controllore dei terminali Disco Disco Disco Stampante Struttura di I/O di un grande mainframe 18 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001

19 Concetti introduttivi generali sui calcolatori intanto, il sistema di calcolo della macchina è costituito dalla CPU (che può essere affiancata anche da altre CPU), dalla memoria centrale e da un o più altri processori specializzati per l'input/output, chiamati canali dei dati; tutti i dispositivi di I/O sono collegati a questi canali; quando la CPU necessita di una operazione di I/O, il meccanismo che viene utilizzato è il seguente: o una volta individuato il dispositivo di I/O del quale si vuol fare uso, la CPU carica nel relativo canale un programma speciale e dice al canale stesso di eseguirlo; o il canale, quindi, si occupa di manipolare tutti gli I/O che sono diretti alla memoria centrale (input) o che provengono dalla memoria centrale (output), in modo da lasciare libera la CPU di compiere altre operazioni; o appena terminato il proprio compito, il canale spedisce alla CPU un segnale detto interruzione (interrupt), avvisando di aver terminato i propri compiti e richiedendo la sua attenzione. Il vantaggio di un meccanismo del genere è evidente: tutto il lavoro di I/O viene demandato al canale, mentre la CPU può occuparsi d'altro; in questo modo, i calcoli e l'i/o possono avvenire contemporaneamente. Dato che manipolano generalmente grandi quantità di dati per l'i/o, i mainframe vengono generalmente dotati di 3 distinti bus: un primo bus collega direttamente ogni canale alla memoria centrale, in modo che il canale stesso possa leggere e scrivere autonomamente parole di memoria; un secondo bus collega la CPU a ciascun canale, in modo che essa possa inviare i comandi ai canali e che ogni canale possa inviare alla CPU i segnali di interruzione; infine, c'è il bus che collega direttamente la CPU alla memoria centrale. Nel caso invece dei personal computer, l'organizzazione è evidentemente più semplice: per queste macchine è prevista una grande piastra a circuito stampato, detta scheda madre, che contiene i chip della CPU, un po di memoria, alcuni chip di supporto ed un unico bus inciso lungo la sua lunghezza, detto bus di sistema; tale bus presenta dei connettori ai quali possono essere inseriti i connettori terminali sia della memoria addizionale sia delle schede dei dispositivi di I/O. Lo schema di un PC è perciò del tipo seguente: Disco CPU centrale Controllore del video Controllore della stampante Controllore del floppy disk drive Controllore dell'hard disk rive BUS aggiornamento: 30 giugno Autore: Sandro Petrizzelli

20 Appunti di Calcolatori Elettronici C'è dunque un unico bus che collega la CPU con la memoria e con i dispositivi di I/O; in particolare, ogni dispositivo di I/O è costituito da due parti: la prima parte, quella direttamente collegata al bus, contiene la maggior parte della elettronica ed è chiamata controllore; la seconda contiene il dispositivo fisico vero e proprio. Il controllore è contenuto in una scheda che, come detto prima, viene inserita sulla piastra madre (tramite opportuni slot) e viene collegata al bus. Solo alcuni controllori (ad esempio quello della tastiera) vengono direttamente collocati sulla scheda madre, senza l'uso di piastre aggiuntive. Il compito del controllore è quello appunto di controllare il suo dispositivo di I/O e di gestire l'accesso di tale dispositivo al bus. Supponiamo, ad esempio, che il programma in esecuzione in un certo momento richieda dei dati dal disco fisso; il meccanismo che parte è il seguente: il programma stesso dà un comando al controllore del disco; il controllore dà a sua volta dei comandi all hard disk drive e comincia la ricerca dei dati richiesti; una volta localizzati la pista ed il settore appropriati, il drive comincia a far pervenire i dati al controllore, tramite un flusso di bit; il controllore suddivide tale flusso di bit in parole e, tramite il bus, scrive ogni parola in memoria. In particolare, ci sono dei controllori che sono in grado di leggere o scrivere parole in memoria senza che alcun intervento "vigile" della CPU: in questo caso si dice che il controllore in questione ha un accesso diretto alla memoria (DMA). Il bus non è ovviamene utilizzato solo dai controllori di I/O; anche la CPU usa il bus per prelevare dati e istruzioni. Può accadere allora che, nello stesso istante, la CPU ed un controllore richiedano l'accesso al bus. A stabilire chi dei due deve avere per primo l'accesso al bus è uno specifico chip, detto arbitro del bus: in generale, esso dà la precedenza ai dispositivi di I/O per motivi di sicurezza dei dati, dato che alcuni dispositivi di I/O non tollerano ritardi. Ovviamente, quando nessun dispositivo di I/O richiede l'accesso al bus, allora la CPU ha l'accesso completo. Il processo per cui i dispositivi di I/O vengono sempre privilegiati, rispetto alla CPU, per l'accesso al bus prende il nome di furto di cicli ed è un fattore di rallentamento del calcolatore. Autore: Sandro Petrizzelli sandry@iol.it sito personale: 20 Autore: Sandro Petrizzelli aggiornamento: 30 giugno 2001