STRUTTURA E LOGICA DI FUNZIONAMENTO DEL COMPUTER

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1 1 STRUTTURA E LOGICA DI FUNZIONAMENTO DEL COMPUTER

2 Un computer e una macchina che riceve in ingresso delle informazioni, le elabora secondo un determinato procedimento e produce dei risultati che vengono portati in uscita. 2 Per esempio, se voglio sommare due numeri, prima devo inserire all interno del computer i due numeri che devono essere sommati, poi eseguo l operazione di somma e quindi porto in uscita, all esterno, il risultato dell operazione. Un computer e composto dalle seguenti unita : INPUT MEMORIA CONTROLLO ARITMETICO LOGICA OUTPUT

3 3 UNITA DI INPUT INPUT L unita di input rappresenta la porta d ingresso del computer. Attraverso questa unita entrano dall esterno le informazioni che verranno successivamente elaborate. UNITA DI OUTPUT OUTPUT Questa unita rappresenta la porta d uscita del computer. Attraverso questa unita vengono portati all esterno i risultati finale delle elaborazioni eseguite sui dati in ingresso.

4 UNITA DI MEMORIA Questa unita viene utilizzata per depositare e conservare tutte le informazioni utilizzate dal computer. La memoria e composta da tante celle ognuna delle quali e contraddistinta da un numero progressivo detto indirizzo. Le informazioni che vi sono depositate vengono reperite attraverso l indirizzo della cella occupata. Quando il computer viene spento tutte le informazioni presenti nella memoria svaniscono.

5 5 UNITA ARITMETICO-LOGICA Sezione Sezione Aritmetica Logica Questa unita e divisa in due sezioni: sezione aritmetica e sezione logica. Nella sezione aritmetica vengono eseguite le quattro operazioni fondamentali (somma, sottrazione, moltiplicazione e divisione) sui valori presenti nei primi due registri. Il risultato viene collocato in un registro detto registro accumulatore. Un registro e una cella che contiene informazioni; questa celle particolari si trovano nell unita aritmetico-logica e nella unita di controllo. Nella sezione logica avvengono i confronti (maggiore, minore, uguale, diverso) tra le informazioni contenute nei primi due registri. Il risultato e un SI o un NO (0, 1) e viene depositato in un apposito registro.

6 6 UNITA DI CONTROLLO L unita di controllo governa il funzionamento del computer, esegue cioe le operazioni che consentono di elaborare i dati in ingresso secondo una sequenza prestabilita per produrre i risultati desiderati. Questa sequenza di operazioni viene detta programma. In altre parole l unita di controllo esegue le istruzioni del programma. L unita di controllo contiene due registri fondamentali: - il Program Counter che contiene l indirizzo della prossima istruzione, - il Registro Istruzione che contiene l istruzione in esecuzione.

7 7 SCHEMA LOGICO DI UN COMPUTER. INPUT OUTPUT

8 Vediamo, ora, alcune delle principali operazioni o istruzioni che un computer e' in grado di eseguire: 8 LETTURA Questa istruzione permette di depositare un dato, proveniente dall esterno attraverso l unita di input, in una determinata cella di memoria. Questa operazione viene eseguita, come sempre, dall unita di controllo che provvede a collegare le unita di input con la memoria. Il dato che viene inserito all interno del computer prende il nome di variabile in quanto potra assumere di volta in volta diversi valori. Il programmatore assegnera ad ogni variabile del programma un nome adatto a facilitarne la sua individuazione. L unita di controllo, invece, individua le diverse variabili in base al numero delle celle di memoria in cui vengono conservate. In altre parole l unita di controllo riconosce le diverse variabili in base al loro indirizzo di memoria. Pertanto, prima di eseguire un qualsiasi programma, occorre associare ad ogni variabile l indirizzo della cella di memoria in cui verra depositata. Per ordinare al computer l esecuzione di questa operazione occorre utilizzare un nome simbolico in grado di identificarla senza equivoci. Supponiamo di utilizzare per l operazione di lettura la parola READ seguita dal nome della variabile.

9 Esempio: READ A (supponiamo di inserire la variabile A nella cella ) 2 9 INPUT READ OUTPUT

10 10 S O M M A Questa istruzione permette di sommare il contenuto di due variabili numeriche. L operazione di somma viene eseguita attraverso le seguenti fasi: - Viene copiato dalla memoria il contenuto della prima variabile e portato nel primo registro della sezione aritmetica dell unita aritmetico logica. - Viene copiato dalla memoria il contenuto della seconda variabile e portato nel secondo registro della sezione aritmetica dell unita aritmetico logica. - Viene eseguita l operazione di somma ed il risultato compare nel registro accumulatore. Supponiamo di utilizzare per l operazione di somma la parola SUM seguita dai nomi delle due variabili contenenti gli addendi. Nell esempio che segue si suppone di sommare il contenuto di due variabili chiamate A e B collocate in memoria rispettivamente all indirizzo e.

11 Esempio: SUM A, B 11 INPUT SUM, OUTPUT

12 12 MUOVI DAL REGISTRO ACCUMULATORE Questa istruzione consente di copiare il contenuto del registro accumulatore e di depositarlo all interno di una determinata cella di memoria. Supponiamo di utilizzare per questa operazione la parola MOV_TO seguita dal nome della variabile associata alla cella di memoria in cui verra copiato il contenuto del registro accumulatore.

13 Esempio: MOV_TO C (supponiamo che la variabile C sia nella cella 1110) 13 INPUT MOV_TO OUTPUT

14 14 SCRITTURA Questa istruzione permette di copiare un dato depositato in una determinata cella di memoria e di portarlo all esterno, attraverso l unita di output. Supponiamo di utilizzare per l operazione di scrittura la parola WRITE seguita dal nome della variabile.

15 Esempio: WRITE C (supponiamo che la variabile C sia nella cella 1110) 15 INPUT WRITE OUTPUT

16 16 ARRESTO DELL ELABORAZIONE Questa istruzione consente di interrompere l esecuzione di un programma. Viene di norma utilizzata alla fine di ogni programma. Supponiamo di utilizzare per l operazione di arresto la parola STOP. Si noti che questa istruzione non e riferita ad alcuna variabile.

17 Esempio: STOP Questa istruzione ordina all unita di controllo di non eseguire altre istruzioni. 17 INPUT STOP 1110 OUTPUT

18 Finora abbiamo visto come vengono eseguite le singole istruzioni, ma come viene eseguita una sequenza di istruzioni? In altre parole come viene eseguito un programma? Vediamo prima come si scrive un programma. Proviamo quindi a scrivere un programma che consente di calcolare la somma di due numeri inseriti da tastiera. Dobbiamo prima individuare i dati di input e di output: i dati di input sono rappresentati dai due addenti che chiamiamo A e B; il dato di output e rappresentato dal risultato della somma che chiamiamo C. Dobbiamo ora descrivere le operazioni che devono essere eseguite per risolvere il nostro problema: - Inserisci da tastiera il primo addendo LEGGI A; - Inserisci da tastiera il secondo addendo LEGGI B; - Somma A e B e metti il risultato in C A + B = C; - Mostra il risultato sullo schermo SCRIVI C; - Fermasti STOP. 18 Abbiamo descritto le operazioni che dovranno essere svolte dal computer in due modi: il primo piu discorsivo, il secondo piu tecnico e sintetico. In tutti e due i casi abbiamo descritto un algoritmo cioe una sequenza ordinata e finita di istruzioni, comprensibili ed eseguibili, in grado di risolvere una determinata classe di problemi.

19 Il procedimento risolutivo cosi descritto non e pero comprensibile dal computer. Per fornire al computer una sequenza di istruzioni comprensibili dobbiamo procedere attraverso una serie di passaggi. Traduciamo l algoritmo in un programma scritto in un linguaggio di programmazione ad alto livello rispettando rigorosamente le regole sintattiche del linguaggio stesso. Nel nostro esempio se utilizziamo il PASCAL avremo il seguente programma: program somma; var a, b, c : integer; begin readln(a); readln(b); c := a + b; writeln(c); end. 19 Osserviamo pero che il computer non e in grado di eseguire direttamente l istruzione C := A + B

20 Questa istruzione complessa deve essere scissa in due operazioni piu elementari direttamente eseguibili dal computer: 20 SUM A, B; MOV_TO C; Il programma originale puo quindi essere riscritto nel seguente modo utilizzando i nomi simbolici che individuano le operazioni elementari svolte dal computer: READ A; READ B; SUM A, B; MOV_TO C; WRITE C; STOP. E facile osservare che le istruzioni che compongono il programma possono essere scomposte in due parti: CODICE OPERATIVO: indica l operazione che deve essere eseguita. NOMI OPERANDI...: indica le variabili selle quali viene eseguita l operazione. Osserviamo inoltre che nel nostro programma sono presenti istruzioni con un solo operando, istruzioni con due operandi ed istruzioni senza operandi.

21 21 Istruzione senza operandi: Codice operativo Istruzione con un solo operando: Codice operativo Operando Istruzione con due operandi: Codice operativo 1 Operando 2 Operando

22 22 Abbiamo detto, precedentemente, che il calcolatore riconosce le variabili dall indirizzo della cella di memoria occupata e non dal loro nome; possiamo quindi ipotizzare che le variabili del programma andranno ad occupare le seguenti posizioni: A B C 1110 Sappiamo inoltre che il calcolatore riconosce soltanto l alfabeto binario. Pertanto anche le istruzioni non possono essere riconosciute nel modo in cui le abbiamo scritte. Dobbiamo quindi associare ad ogni istruzione un codice binario in grado di rappresentarle. Supponiamo ora di rappresentare le istruzioni viste con i seguenti codici binari: READ WRITE SUM MOVE_TO 1000 STOP

23 23 Il nostro programma puo ora essere riscritto nel seguente modo: Codice operativo operando operando Questa forma di rappresentazione del programma puo apparire per noi poco famigliare ma, in realta, e l unica forma direttamente comprensibile dal computer.

24 Vediamo ora, passo per passo, come fa il calcolatore ad eseguire un programma. Il programma, per essere eseguito, deve essere prima di tutto caricato in memoria: Nel registro Program Counter viene posto l indirizzo della prima istruzione. 24 INPUT OUTPUT

25 L istruzione puntata la registro Program Counter viene copiata nel Registro Istruzione dell unita di controllo. Subito dopo viene incrementato di una unita il contenuto del registro Program Counter. 25 INPUT OUTPUT

26 L unita di controllo interpreta il significato del codice operativo presente nel Registro Istruzione ( = LEGGI A) e quindi lo esegue INPUT = LEGGI OUTPUT

27 Si procede quindi all esecuzione dell istruzione successiva: ( = LEGGI B) 3 27 INPUT OUTPUT

28 Si procede quindi all esecuzione dell istruzione successiva: ( = SOMMA A, B) 28 INPUT OUTPUT

29 Si procede quindi all esecuzione dell istruzione successiva: ( = MUOVI IL CONTENUTO DELL ACCUMULATORE IN C) 29 INPUT OUTPUT

30 Si procede quindi all esecuzione dell istruzione successiva: ( 1110 = SCRIVI C) 30 INPUT OUTPUT 5

31 Si procede quindi all esecuzione dell istruzione successiva: ( = STOP) 31 INPUT OUTPUT

32 32 CONFRONTO Questa istruzione permette di confrontare il contenuto di due variabili; il risultato dell operazione e un calore booleano VERO o FALSO (1 o 0). E possibile effettuare uno dei seguenti confronti o combinazioni di essi: - maggiore > - minore < - uguale = - diverso <> - maggiore uguale >= - minore uguale <= Il risultato del confronto (0 se FALSO, 1 se VERO) viene depositato in un apposito registro della sezione logica dell unita aritmetico logica. Supponiamo che l operazione di confronto A > B venga codificata nel seguente modo: COMP_MAX A, B

33 Questa operazione viene eseguita attraverso le seguenti fasi: 33 - Viene copiato dalla memoria il contenuto della prima variabile e portato nel primo registro della sezione logica dell unita aritmetico logica. - Viene copiato dalla memoria il contenuto della seconda variabile e portato nel secondo registro della sezione logica dell unita aritmetico logica. - Viene eseguito il confronto ed il risultato (VERO o FALSO) compare nell apposito registro.

34 Esempio: COMP_MAX A, B 34 INPUT COMP_MAX, OUTPUT

35 35 SALTO INCONDIZIONATO Questa istruzione consente all unita di controllo di eseguire un istruzione che si trova in un determinato indirizzo e non quella immediatamente seguente. Questa istruzione viene eseguita dall unita di controllo semplicemente cambiando il contenuto del registro Program Counter. Pertanto l operatore dell istruzione non rappresenta l istruzione di una variabile bensi l indirizzo dell istruzione che si vuole eseguire. Questo indirizzo prende il nome di etichetta. Supponiamo che l operazione di salto incondizionato venga codificata nel seguente modo: JUMP L unita di controllo mettera nel registro Program Counter il valore. In tal modo l istruzione successiva sara quella posta all indirizzo.

36 Esempio: JUMP Prima che l istruzione venga eseguita il program counter indica che la prossima istruzione si trova all indirizzo. 36 INPUT JUMP 1110 OUTPUT

37 37 Esempio: JUMP L istruzione e stata eseguita e pertanto la prossima istruzione non sara quella posta all indirizzo bensi quella che si trova all indirizzo. INPUT JUMP 1110 OUTPUT

38 38 SALTO CONDIZIONATO Questa istruzione consente all unita di controllo di eseguire un istruzione che si trova in un determinato indirizzo e non quella immediatamente seguente soltanto se si e manifestato un certo risultato nell ultima operazione di confronto effettuata. Supponiamo che l operazione di salto incondizionato venga codificata nel seguente modo: JUMP_FALSE L unita di controllo mettera nel registro Program Counter il valore se l ultima operazione di confronto ha prodotto il risultato FALSE.

39 Esempio: JUMP_FALSE L istruzione e stata eseguita perche l ultima istruzione di confronto ha dato risultato FALSE (0). 39 INPUT JUMP_FALSE OUTPUT

40 Esempio: JUMP_FALSE L istruzione non e stata eseguita perche l ultima istruzione di confronto ha dato risultato TRUE (1). 40 INPUT JUMP_FALSE OUTPUT

41 41 ASSEGNAZIONE Questa istruzione copia il contenuto di una cella di memoria e lo deposita in un'altra cella di memoria. In altre parole trasferisce informazioni all interno della memoria. Questa operazione viene effettuata utilizzando come punto di appoggio il registro accumulatore dell unita aritmetico-logica. Consideriamo le variabili A (indirizzo ) e B (indirizzo ). Supponendo di voler trasferire il contenuto di B in A scriveremo A = B che significa A B cioe muovi B in A. Supponiamo che l operazione di salto incondizionato venga codificata nel seguente modo: MOVE Dove l indirizzo del secondo operando indica la cella di provenienza mentre l indirizzo del primo operando indica la cella di destinazione.

42 Esempio: MOVE 42 INPUT MOVE OUTPUT

43 Possiamo ora riassumere nella tabella seguente tutte le operazioni fondamentali eseguibili da un calcolatore: Nome simbolico operazione Numero di operandi Codice operativo in binario READ 1 Descrizione delle operazioni svolte dai codici operativi LETTURA: Deposita all indirizzo di memoria indicato dall operando un dato proveniente dell unita di input. 43 WRITE 1 MOVE SUM 2 SCRITTURA: Preleva il dato presente all indirizzo di memoria indicato dall operando e lo porta in uscita attraverso l unita di output. ASSEGNAZIONE: Copia il contenuto della cella indicata dal secondo operando e lo deposita nella cella di memoria indicata dal secondo operando. SOMMA: Preleva i dati presenti negli indirizzi di memoria indicati dagli operandi e li deposita nei registri della sezione aritmetica dell unita aritmetico-logica. Esegue la somma e mette il risultato nel registro accumulatore.

44 44 MOV_TO COMP_MAX COMP_MIN COMP_EQ COMP_NEQ COMP_XEQ COMP_MEQ JUMP JUMP_FALSE 2 MUOVI DA ACCUMULATORE: Copia il dato presente nel registro accumulatore e lo deposita nell indirizzo di memoria indicato dall operando. CONFRONTO: Confronta il primo operando con il secondo e pone il risultato (VERO o FALSO) in un apposito registro. E possibile eseguire i seguenti confronti: >, <, =, <>, >=, <=. SALTO INCONDIZIONATO: Pone nel registro Program Counter l indirizzo dell istruzione indicata dall operando. In tal modo, subito dopo, viene eseguita una istruzione diversa da quella successiva. SALTO CONDIZIONATO: Pone nel registro Program Counter l indirizzo dell istruzione indicata dall operando se l ultima istruzione ha dato come risultato FALSE. STOP 0 ARRESTO: Arresta l esecuzione di un programma.

45 In maniera ancora piu stringata possiamo cosi riassumere le operazioni eseguite da un computer: 45 LETTURA READ A SCRITTURA WRITE A ASSEGNAZIONE CALCOLO A = B C = A + B CONFRONTO A > B BEGIN DIRETTIVA END

46 46 OSSERVAZIONI I blocchi di LETTURA, SCRITTURA, ASSEGNAZIONE, CALCOLO hanno un solo punto di entrata ed un solo punto di uscita. A > B Il blocco di CONFRONTO ha un solo punto di entrata ed due punti di uscita, in altre parole, in base al risultato del confronto (VERO o FALSO) verranno eseguite due operazioni diverse: NO SI A > B

47 Utilizzando i diagrammi a blocchi l algoritmo della somma puo essere rappresentato nel seguente modo: BEGIN 47 READ A READ B C = A + B WRITE C END Si osservi quanto segue a proposito delle direttive: 1) Abbiamo la direttiva d inizio che indica l avvio del programma (RUN). 2) Abbiamo la direttiva di fine che indica l arresto del programma. 3) Abbiamo le altre direttive che indicano che la prossima istruzione e quella immediatamente successiva.

48 Si capisce quindi il significato di direttiva: una particolare istruzione che indica al computer qual e la prossima istruzione che deve eseguire. Proviamo ora a risolvere il seguente problema: Inserire due numeri interi da tastiera e stampare il maggiore. BEGIN 48 READ A READ B program max; var a, b : integer; WRITE B NO A > B SI WRITE A begin end. readln(a); readln(b); if a > b then writeln(a) else writeln(b); END

49 49 Numero istruzione Linguaggio assemblativo Linguaggio macchina Indirizzo Codice 1 istruzione operativo operando 2 operando READ A READ B COMP_MAX A, B JUNP_FALSE 7 WRITE A JUMP 8 WRITE B STOP