a.a. 2017/2018 Classe 2: matricole congrue ad 1 Barbara Masucci

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1 Architettura degli Elaboratori a.a. 2017/2018 Classe 2: matricole congrue ad 1 Barbara Masucci

2 Docente Barbara Masucci Ø Ø Ø studio 43, quarto piano, stecca 7 Ø Dipartimento di Informatica Orario ricevimento (a partire da Ottobre) Ø Martedì: 14:00 16:00 Ø Giovedì: 14:00 15:00

3 Informazioni sul corso Ø Durata: 72 ore (9 CFU) Ø 56 ore di lezione (7 CFU) Ø 16 ore di esercitazione (2 CFU) Ø Orario lezioni: Ø Lunedì: 11:00 13:00, aula P4 Ø Martedì: 11:00 13:00, aula P4 Ø Giovedì: 11:00 13:00, aula P4 Ø Home-page del corso: Ø

4 Testi di riferimento D. A. Patterson, J. L. Hennessy Struttura e progetto dei calcolatori, IV ed. Zanichelli Ed., 2014 F. Preparata Introduzione alla organizzazione e progettazione di un elaboratore elettronico Franco Angeli Ed., 2012

5 Esami L'esame prevede una prova scritta e una prova orale Sono previsti sei appelli (+ due straordinari), di cui: Ø Tre appelli nel periodo 8 Gennaio 23 Febbraio 2018 Ø Preappello: 10 Gennaio 2018, ore 9:00, aule P3, P4 Ø Primo appello: 24 Gennaio 2018, ore 9:00, aule P3, P4 Ø Secondo appello: 14 Febbraio 2018, ore 9:00, aule P3, P4 Ø Due appelli nel periodo 11 Giugno - 31 Luglio 2018 Ø Un appello nel periodo 3-14 Settembre 2018 Ø Due appelli straordinari ad Aprile e Novembre 2018

6 Esami Ø Per chi segue con profitto il corso Ø Prima prova intercorso: 25 Ottobre 2017, ore 13:00, aule P3, P4 Ø Seconda prova intercorso: 19 Dicembre 2017, ore 15:00, aule P3, P4 Ø Il superamento di tali prove consente di accedere alla prova orale Ø Per chi non ha seguito con profitto il corso Ø Gli appelli previsti nel corso dell anno accademico

7 Come studiare Ø Prerequisiti: Allo studente non è richiesta nessuna particolare conoscenza informatica Ø La frequenza alle lezione e alle esercitazioni è fortemente consigliata Ø Gli studenti devono essere preparati a trascorrere una congrua quantità di tempo nello studio al di fuori delle lezioni Ø 1CFU = 25 ore di lavoro = 8 ore di lezione frontale + 17ore di studio individuale Ø Studiare in maniera attiva

8 Un po di regole Ad ogni lezione faremo una pausa di 5/10 minuti durante la quale potete: sgranchirvi, bere, mangiare, telefonare, controllare le vostre chat, parlare coi vostri «colleghi» o con me, etc etc. QUINDI Durante la lezione NON farete niente di tutto ciò

9 Ed ora qualcosa sui contenuti

10 Programma del corso Ø Architettura dei calcolatori Ø Tipi di calcolatori Ø Componenti di un calcolatore Ø Esecuzione di un programma Ø Rappresentazione dell informazione Ø Algoritmi di conversione per interi Ø Rappresentazione e aritmetica in complemento a due e in virgola mobile Ø Codifica ASCII Ø Logica digitale Ø Algebra Booleana, funzioni ed espressioni Booleane Ø Reti combinatorie: analisi, sintesi e minimizzazione Ø Moduli combinatori ed elementi di memorizzazione

11 Programma del corso Ø Linguaggio assembler di una macchina RISC Ø Operazioni aritmetiche e logiche Ø Istruzioni per prendere decisioni, Chiamata di procedure Ø Decodifica delle istruzioni macchina Ø Il processore Ø L Unità Aritmetico Logica (ALU) Ø Unità di elaborazione a ciclo singolo e unità di controllo Ø Unità di elaborazione con pipeline e unità di controllo Ø Misura delle prestazioni e gerarchie di memoria Ø Memoria RAM e ROM Ø Memoria cache Ø Memoria secondaria Ø Misura delle prestazioni di un calcolatore add sub lw sw

12 Sistemi di elaborazione: la preistoria Ø Fin dai tempi antichi si è sentita la necessità di costruire macchine per semplificare i calcoli ed evitare errori Ø Alcuni esempi Ø Abaco o pallottoliere

13 I primi elaboratori Macchine non programmabili, dotate di un numero prestabilito di operazioni Ø Blaise Pascal ( ) Prima macchina a ruote dentate in grado di eseguire somme e sottrazioni Ø Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Prima macchina in grado di eseguire tutte e quattro le operazioni aritmetiche

14 I primi elaboratori Ø Inizio '800 Babbage Ø Macchina alle differenze Ø Utilizzo di tavole di calcolo Ø Fine '800 Hollerith Ø Censimento U.S.A Ø Utilizzo di schede perforate Ø 1927 Bush Ø Macchina per il calcolo degli integrali

15 I primi elaboratori Zuse (Germania) 1938 Ø Costruzione dello Z1 (interamente meccanico) Ø Operazioni binarie in virgola mobile Ø Nastro contenente le operazioni da eseguire Ø Passaggio ai relais (elettromeccanico) nella costruzione dello Z2 e successivamente dello Z3 (1941)

16 I primi elaboratori Aiken (U.S.A.) 1943 Ø Costruzione del Mark I nei laboratori I.B.M. Ø Elettromeccanico Prestazioni: Ø Somma in 0.3 sec Ø Moltiplicazione in 4 sec Ø Divisione in 10 sec

17 Prima Generazione: ENIAC Ø Electronic Numerical Integrator And Computer Ø E la prima macchina completamente elettronica Ø non programmabile Ø Costruita nell immediato dopoguerra, presso l Università della Pennsylvania Ø Commissionata dal Ministero della Difesa degli USA per calcolare le traiettorie di bombe e proiettili Ø Caratteristiche: Ø valvole termoioniche Ø 30 tonnellate Ø alta 2,5 m, occupava 160 mq Ø aveva bisogno di 150 kw di energia elettrica, producendo una quantità di calore con cui si poteva riscaldare un intero palazzo

18 ENIAC

19 Prima Generazione: UNIVAC Ø Primo calcolatore elettronico secondo il modello di Von Neumann Ø In grado di conservare il programma all'interno della memoria

20 Seconda Generazione ( ) Tecnologia a transistor Ø TXO e TX2 macchine sperimentali costruite al MIT Ø Uno dei progettisti del TX2 fonda una propria società la Digital Equipment Corporation (DEC) Ø La DEC produce il PDP-1 (1961): Ø Memoria: 4k parole di 18 bit Ø Ø Ø Ø Tempo di ciclo di 4µsec Prestazioni simili all IBM 7090, prezzo molto inferiore Schermo grafico pixel (primi videogiochi) Inizia la produzione di massa

21 Seconda Generazione: Minicomputer DEC PDP-8 (1965) Ø Successore diretto del PDP-1 Ø Interconnessione a bus, molto flessibile Ø Architettura incentrata sull I/O Ø Possibilità di connettere qualsiasi periferica Ø Prodotto in oltre esemplari

22 Seconda Generazione: Supercomputer Ø Macchine molto potenti dedicate al number crunching Ø 10 volte più veloci dell IBM 7090 Ø Architettura molto sofisticata Ø Parallelismo all interno della CPU Ø Nicchia di mercato molto specifica Ø CDC 6600 (1964) Ø Progettista: Seymour Cray, poi fondatore della CRAY

23 Terza Generazione ( ) Tecnologia LSI e VLSI Evoluzione dell architettura HW Ø Microprogrammazione Ø Unità veloci floating-point Ø Processori ausiliari dedicati alla gestione dell I/O Evoluzione dei Sistemi Operativi Ø Virtualizzazione delle risorse Ø Esecuzione concorrente di più programmi Ø Memoria Virtuale: rimuove le limitazioni dovute alle dimensioni della memoria fisica

24 Terza Generazione Ø IBM: Serie IBM System/360 Ø Famiglia di elaboratori con lo stesso linguaggio Ø Completa compatibilità Ø Portabilità totale delle applicazioni Ø OS comune: OS/360 Ø Digital PDP 11 Ø Architettura a bus (Unibus) Ø Prodotto in milioni di esemplari Ø Sistema operativo UNIX, indipendente dalla piattaforma

25 I primi microprocessori Ø Primo computer microprogrammabile su un unico chip: la CPU Intel 4004 (1971) Ø Caratteristiche: Ø addizionatore parallelo a 4 bit Ø 16 registri a 4 bit Ø un accumulatore e uno stack Ø frequenza massima di clock: 740KHz Ø Con l aggiunta di memorie di tipo RAM e ROM, la CPU 4004 costituiva il sistema MCS-4 Ø Con la stessa tecnologia, nel 1972 uscì la CPU Intel 8008 Ø la prima in grado di operare a 8 bit Ø frequenza massima di clock: 800KHz

26 Nascita del Personal Computer Ø Fine anni 70: Apple I, progettato in un garage e venduto in scatola di montaggio Ø 1981: PC IBM con Intel 8088 e MS DOS (Disk Operating System) della minuscola Microsoft Ø 1981: PC M-20, della Olivetti Ø processore Z8001 a 16 bit, OS proprietario, PCOS Ø 1983: PC M-24, della Olivetti Ø processore 8086, MS DOS

27 Un moderno elaboratore Sistema elettronico digitale programmabile Sistema: Costituito da componenti (input, output, memoria, scheda madre, processore, ) che interagiscono in modo organico fra loro Elettronico digitale: Sfrutta componenti elettronici digitali Programmabile: Il comportamento del sistema è flessibile e specificato mediante un programma, ossia un insieme di ordini

28 Modelli di Riferimento Due diversi modelli di riferimento per l architettura di un elaboratore: Ø Modello di Von Neumann: Dati e istruzioni nella stessa memoria Ø Modello Harward: Dati e istruzioni in memorie separate

29 Processore Ø È il cuore di un elaboratore elettronico Ø Realizzato con milioni di piccoli componenti elementari (transistor) Ø È impossibile da studiare e da capire partendo dal singolo transistor Ø Abbiamo necessità di astrazione Ø Tralasciare dettagli non necessari

30 Processore MIPS Ø Studieremo una versione semplificata del processore MIPS Ø Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages Ø Architettura RISC (Reduced Instruction Set Computer), proposta nel 1981 da MIPS Computer Systems Inc. Ø Perché questa scelta? Ø Si tratta di un processore realmente utilizzato Ø Nintendo64, Sony PS, Sony PS2, Sony PSP Ø La sua architettura e il suo set di istruzioni sono molto semplici

31 Processore MIPS Versione semplificata Elementi principali dello schema: Unità di Controllo, Unità Aritmetico Logica, Memoria