Lezione 15. L elaboratore Elettronico

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1 Lezione 15 Architettura di un calcolatore L elaboratore Elettronico Un elaboratore elettronico è una macchina elettronica in grado di elaborare dati secondo le specifiche fornite da un algoritmo Internamente all elaboratore tutte le informazioni sono rappresentate in binario: dati programmi 1

2 Le unità fondamentali Le unità che compongono il calcolatore sono: La memoria centrale (CM) L unità di controllo (CU) L unità aritmetico logica (ALU) L unità di ingresso/uscita (IO) Le unità di memoria di massa Le unità La memoria centrale: è il dispositivo in cui vengono mantenuti sia il programma che i dati su cui l elaboratore opera L unità di controllo: è il dispositivo che provvede alla esecuzione delle istruzioni che compongono un programma. Provvede a coordinare le altre unità. 2

3 Le unità L unità aritmetico/logica: è il dispositivo che esegue le operazioni di calcolo (+,*,<,=,etc) e logiche (and,or,not,etc) Le unità ingresso/uscita: sono i dispositivi tramite i quali è possibile comunicare dati all elaboratore (ingresso) e conoscere i risultati dell elaborazione (uscita). Le unità Le unità di memoria di massa: sono dispositivi in cui è possibile mantenere grandi quantità di informazioni (dati o programmi) in modo permanente (anche quando un calcolatore è spento). 3

4 Interazione tra le unità Le unità sono collegate tra loro tramite bus Un bus è un insieme di linee in grado di trasmettere un segnale elettrico. Attraverso un bus le unità si scambiano dati o istruzioni Bus Il bus che collega la ALU alla CU è detto bus interno Il bus che collega la memoria con le altre parti del sistema è detto bus esterno I bus si possono dividere in bus per il trasferimento di dati trasferimento di indirizzi trasferimento di comandi 4

5 Architettura della Calcolatore Bus esterno Unità di controllo Unità aritmetico-logica Unità di memoria centrale Unità periferica Bus interno Interazione tra le unità Schema generale: L unità di controllo acquisisce dalla memoria centrale l istruzione se è una istruzione di IN/OUT trasferisce i dati verso o in uscita dalla memoria centrale se è una istruzione di elaborazione dei dati la trasferisce alla unità aritmentico-logica insieme al comando di quale operazione eseguire, preleva il risultato e lo trasferisce nella memoria centrale L unità di controllo acquisisce l istruzione successiva dalla memoria 5

6 La memoria centrale E un insieme di celle ciascuna delle quali può contenere una informazione in forma binaria La dimensione della cella è il numero di bit che essa contiene Tale dimensione è anche detta parola Sono possibili parole di 16, 32, 64 bit La memoria centrale Le celle costituiscono un insieme ordinato numerato progressivamente da 0 a N-1 N è la dimensione della memoria centrale detta capacità Si fa riferimento al contenuto di una cella tramite il suo indirizzo La memoria è volatile, cioè non mantiene le informazioni quando si spenge l elaboratore 6

7 Capacità di memoria Se un calcolatore ha una memoria di 2 MB con parole di 16 bit di quante celle di memoria dispone? R: 16 bit = 2 byte, 2MB=1 milione di celle Se un calcolatore ha parole di 16 bit, quante celle di memoria può teoricamente indirizzare? R: 2 16 La memoria centrale Le operazioni che si possono eseguire sulla memoria centrale sono la scrittura e la lettura Non possono essere eseguite operazioni direttamente in memoria: il contenuto va trasferito su dei registri, elaborato, e poi riscritto La memoria centrale viene anche detta ad accesso casuale o Random Access Memory (RAM) poiché il tempo di accesso per una data cella è indipendente dalla cella (ovvero dal suo indirizzo) Il tempo di accesso è inferiore ai 100 ns 7

8 Scrittura Operazione con cui si deposita informazione in memoria centrale Necessita di un dato e un indirizzo della cella in cui si vuole scrivere. L operazione è distruttiva ovvero cancella l informazione precedentemente contenuta nella cella Lettura Operazione con cui si preleva informazione dalla memoria centrale Necessita dell indirizzo della cella in memoria centrale da cui si vuole leggere E un operazione non distruttiva, cioè si copia l informazione presente nella cella lasciando quest ultima inalterata 8

9 Architettura della memoria Registro indirizzi Decodificatore indirizzi MEMORIA CENTRALE bus Registro dati Organizzazione della memoria centrale I componenti fondamentali della memoria centrale sono: memoria: l insieme delle celle registro indirizzi: contiene l indirizzo della cella a cui si vuole far riferimento decodificatore di indirizzi: dispositivo che seleziona la cella il cui indirizzo è specificato nel registro indirizzi registro dati: contiene l informazione che deve essere scritta o quella che è stata letta bus: collega la memoria al resto dei dispositivi 9

10 Cosa sono i registri? I registri sono dei dispositivi che permettono la memorizzazione dell informazione (una o più parole) l informazione transita velocemente sul bus i registri permettono di sincronizzare le operazioni fra i vari dispositivi, conservando per il tempo necessario l informazione A cosa serve il decodificatore? L indirizzo di una cella di memoria viene rappresentato come un numero in binario Es. la cella di indirizzo 9 è rappresentata come: Il decodificatore acquisisce tale numero e attiva la cella corrispondente 10

11 Operazioni sulla memoria centrale Scrittura: L indirizzo della cella passa dal bus e viene memorizzato nel registro indirizzi Il dato passa dal bus e viene memorizzato nel registro dati viene inviato un segnale di scrittura che attiva il trasferimento dell informazione contenuta nel registro dati nella cella il cui indirizzo è nel registro indirizzi Operazioni sulla memoria centrale Lettura: L indirizzo della cella passa dal bus e viene memorizzato nel registro indirizzi Viene inviato un segnale di lettura che attiva il trasferimento dell informazione contenuta nella cella il cui indirizzo è nel registro indirizzi nel registro dati Viene trasferito sul bus il dato memorizzato nel registro dati 11

12 L unità aritmetico logica E il dispositivo capace di eseguire le operazioni aritmetiche fondamentali, le operazioni logiche e di shift La CU trasmette alla ALU gli operandi, cioè i dati su cui deve eseguire una operazione, e un comando che indica quale operazione La ALU esegue l operazione e pone il risultato sul registro risultato, e inoltre invia informazioni sulle condizioni dell operazione Condizioni dell operazione Le condizioni sono: risultato nullo positivo, negativo overflow sì o no carry sì o no Queste informazioni sono codificate in una parola di 4 bit Es =non nullo, positivo,no overflow, sì carry 12

13 Architettura della ALU Registro accumulatore Cicuiti Aritmetico-Logici bus Registro risultato Operazioni in ALU Esecuzione di una operazione: si trasferisce un operando dal bus e si memorizza su registro accumulatore si invia un comando di operazione alla ALU si copia il risultato sul registro risultato si trasferisce il risultato sul bus 13

14 I registri accumulatori E il registro su cui può operare direttamente l ALU Con una architettura a 16 bit è possibile operare in floating point a 32 bit utilizzando du registri accumulatori da 16 bit ciascuno Architetture che posseggono più di un registro accumulatore possono memorizzare risultati temporanei su questi per incrementare le prestazioni L unità di controllo L unità di controllo è il dispositivo che sovraintende e coordina tutti gli altri dispositivi La CU legge l indirizzo da cui prelevare una istruzione dalla memoria la pone nel registro istruzione, la decodifica ed inizia tramite la logica di controllo ad attivare i vari dispositivi Successivamente si modifica (incrementa) l indirizzo a cui leggere l istruzione successiva e si ripete il ciclo 14

15 Architettura della unità centrale Registro contatore di programma Logica di controllo Decodificatore istruzione bus Registro istruzione Il registro contatore di programma Detto Program Counter (PC), contiene l indirizzo della cella di memoria centrale in cui è contenuta l istruzione che deve essere eseguita. La CU incrementa di 1 il contenuto del PC per leggere l istruzione successiva Se l istruzione da elaborare è un istruzione di salto allora la CU scrive direttamente dentro il PC che contiene così l indirizzo della istruzione a cui si vuole saltare 15

16 L esecuzione delle istruzioni Esecuzione di una istruzione: Fase di fetch (o di prelievo) si copia il contenuto della cella in memoria centrale con indirizzo specificato dal program counter, sul registro istruzione o instruction register (IR) si incrementa il PC di uno L esecuzione delle istruzioni Esecuzione di una istruzione: Fase di decodifica IR passa l istruzione ad un decodificatore di istruzioni che genera i segnali per la logica di controllo 16

17 L esecuzione delle istruzioni Esecuzione di una istruzione: Fase di esecuzione vengono attivati i dispositivi interessati all esecuzione dell istruzione (ALU) e coordinano il trasferimento delle informazioni da un dispositivo ad un altro (ex. dalla memoria centrale ad un dato registro) se l istruzione era una istruzione di salto si modifica il contenuto del PC Sincronizzazione Ogni operazione avviene in modo sincronizzato rispetto ad un orologio (clock) interno al sistema Il clock di sistema genera impulsi a intervalli regolari Oggi i calcolatori hanno clock di quasi 2GHz=2miliardi di impulsi al secondo 17

18 Altri registri Esistono altri registri: registro di stato: mantiene informazioni per specificare il permesso di esecuzione di certe istruzioni, di accesso a certe aree di memoria, di abilitazione a ricevere segnali dalle unità periferiche registro base: usato per suddividere la memoria centrale in pagine, per indirizzare quantità maggiori di memoria o per la protezione di aree di memoria Implementazione dell unità centrale Le funzioni elencate per la CU vengono realizzate in modo diverso in diverse architetture: Registri dedicati e registri generali: si possono avere architetture che contengono un insieme di registri generali ognuno dei quali può essere utilizzato come accumulatore, program counter, etc. 18

19 Central Unit Controllo cablato: l esecuzione di una istruzione può essere controllata passo passo dai circuiti di decodifica e di tempificazione della CU Microprogrammazione: in una memoria a sola lettura vengono memorizzate delle microistruzioni che controllano i passi elementari in cui può essere decomposta l esecuzione di un istruzione Microporcessore Una unità centrale realizzata come un unico circuito (non un insieme di parti fisicamente separate) e integrato su larghissima scala (Very Large Scale of Integration o VLSI) in un unico supporto di silicio (chip) è detto microprocessore Un microprocessore moderno ha le dimensioni del cm quadrato 19

20 Velocità di elaborazione L esecuzione di una istruzione è eseguita in diversi passi: fase di prelevamento dalla memoria, di decodifica, di esecuzione, di riscrittura in memoria. Complessivamente una istruzione viene eseguita in una decina di sottopassi, ciascuno dei quali impiega non meno di un colpo di clock Di conseguenza un calcolatore con un clock di 1 GHz è in grado di eseguire 100 MIPS (Million Instructions Per Second) Velocità di elaborazione Le istruzioni floating point possono essere realizzate su rappresentazioni di interi con apposite procedure programmate o essere eseguite in harware da dispositivi specializzati detti coprocessori matematici Per questi si parla di MFLOPS Million of Floating point Operations Per Second 20