Architettura dei Calcolatori elettronici

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1 Architettura dei Calcolatori elettronici CORSO DI CALCOLATORI ELETTRONICI I CdL Ingegneria Biomedica (A-I) DIS - Università degli Studi di Napoli Federico II

2 Dal punto di vista architetturale un calcolatore elettronico (sistema numerico, automatico, a programma registrato) è costituito da tre sottosistemi: il processore o CPU (Central Processing Unit) lamemoria centrale o RAM il sottosistema di input/output (I/O) I/O BUS CPU MEMORY BUS I/O Memoria

3 Con CPU (Central Processing Unit) o Unità Centrale o Processore si intende l insieme costituito da l unità di controllo e l unità aritmetico-logica del modello di Von Neumann, nonché dei registri (e relative interconnessioni) necessari per il loro funzionamento coordinato.

4 Linguaggio macchina di un processore: codifica in binario delle istruzioni eseguibili direttamente dall hardware Il set (da diverse decine a qualche centinaia) di istruzioni elementari eseguibili dall hardware del processore indicano richieste di» trasferimento di informazioni interno: tra registri del calcolatore; esterno: tra registri del calcolatore e dispositivi di I/O» operazioni aritmetiche-logiche Dati e istruzioni sono memorizzati nella memoria centrale

5 Un parametro caratteristico dei processori è il numero di bit dei registri (parallelismo dei trasferimenti interni a 8, 16, 32, 64, bit) Processore a voce o a caratteri» processori a voce: tutte le parole-macchina sono della stessa lunghezza la voce è dimensionata sull informazione più lunga problemi con i dati di natura intrinsecamente variabile» processori a caratteri (o a byte): la lunghezza delle parolemacchina è variabile (multipla di un byte) si presta per il trattamento di stringhe

6 Istruzioni privilegiate: istruzioni impiegate per la gestione del sistema Stato utente e stato supervisore Il processore è nello stato:» Supervisore - quando esegue il sistema operativo (in questo stato il processore può eseguire tutte le istruzioni dell'instruction Set)» Utente - quando esegue un programma utente e le istruzioni privilegiate non sono eseguibili

7 Sebbene basati sullo stesso schema logico:» unità di controllo» unità aritmetico-logica» registri. e quindi costituiti da componenti fondamentali abbastanza simili, i processori presenti in commercio possono essere anche particolarmente differenti gli uni dagli altri.

8 Processore: modello di riferimento MEMORIA CPU MA MB Collegamento I/O RI Rete di Controllo PI R 0 R 1... O1 ALU O2 RU D R n-1 U

9 Componenti fondamentali della CPU: *Unità di controllo Program Counter (PC): Prossima Istruzione Instruction Register: registro di decodifica (D) Registri di Macchina *Unità aritmetico/logica (ALU) *Sezione di Collegamento con la memoria Memory address (MA): registro degli indirizzi di memoria Memory Buffer (MB): registro di transito della memoria *Sezione di Collegamento con Ingresso-Uscita (Buffer di I/O)

10 Tipi di dato del processore Il processore tratta diversi tipi di informazioni:» Istruzioni» Indirizzi di memoria» Dati La dimensione (numero di bit) dei registri dipende dal tipo di informazioni che devono contenere:» la dimensione di MA e PC dipende dalla dimensione degli indirizzi;» la dimensione dei registri dell ALU dipende dalla dimensione dei dati da elaborare;».

11 Modello di processore Le implementazioni reali si distinguono dal modello generale perché:» Possono presentare una serie diversa o comunque più ricca di registri generali» I registri di macchina possono essere delle locazioni di memoria» La sezione di I/O può essere completamente assente ed essere implementata mediante chip appositi» Nel caso di unità aritmetiche molto semplici è possibile prevedere l aggiunta di appositi chip per l estensione delle prestazioni della ALU

12 Registri del processore: registri interni - non direttamente visibili al programmatore e necessari al funzionamento del processore PC, MA, MB, RI, RU, O1, O2, U, D registri macchina - (definiscono il modello di programmazione) Un registro macchina può essere generale (preposto all espletamento di più funzioni) o specializzato. Ovviamente:» concentrando più funzioni in un registro si ha una maggiore complessità interna, ma una maggiore flessibilità d uso;» specializzando i registri è necessario specializzare i codici operativi (per esprimere la stessa operazione su registri diversi occorrono codici operativi diversi)

13 I registri macchina si dividono in: Registri speciali (diversi in funzione del processore) :» Registri di ausilio all indirizzamento» Trattamento delle interruzioni» Registri Indici» Registri limiti di memoria Registri Generali, diversi in numero e spesso raggruppati a blocchi, possono essere organizzati come:» una memoria indirizzabile (blocco R, registro R i )» registri autonomi (ogni registro individuato da un nome proprio)

14 Funzione dei Registri Transito dei dati (mem. centrale registri, registri registri): move, load, store. Accumulo di risultati (operazioni aritmetico/logiche): R:=(op)R oppure R:=R(op)X) Indirizzamento: funzione necessaria ad individuare l indirizzo di un operando Stack e puntatori a stack: filosofia LIFO (last-in-first-out) Indicatori o flag (informazioni binarie indicanti eventi verificati durante l esecuzione di una istruzione ): zero, segno, overflow, underflow, riporto, riferimento ad indirizzi o a codici illeciti,

15 Coerentemente con le specifiche funzioni svolte si parla quindi di: Registri di transito Registri accumulatori: uno, due o un banco di registri (spesso specializzati per tipo di dato) Registri Indice: svolgono funzioni di indirizzamento e sono direttamente controllabili dall utente. Stack pointer: preposti alla gestione di stack implementati in memoria Registri di stato: Bit-Flag accessibili direttamente da programma Z : bit zero N : bit negativo V : bit overflow C : bit riporto P : bit parità

16 Modello a registri generali Address bus MEMORIA Control bus CPU Data bus MA PC D SR MB R 0 R 1... R n-1 Controllo ALU

17 Modello a registri generali Il processore dispone di un set di registri REG 0, REG 1,..., REG N-1 utilizzabili indifferentemente Poiché le operazioni sui registri sono più veloci di quelle in memoria, laddove possibile, si usano i registri per memorizzare i dati di uso più frequente (gerarchia di memorie)» Istruzioni con operandi registri: [REG X ] + [REG Y ] [REG X ] register-to-register» Istruzioni con operandi memoria-registri: [REG X ] + [MEM Y ] [REG X ] memory-to-register [MEM X ] + [REG Y ] [MEM X ] register-to-memory

18 Modello ad accumulatore Address bus MEMORIA Control bus CPU Data bus MA PC D MB ACC OP Controllo SR ALU

19 Modello ad accumulatore Tutte le istruzioni aritmetiche, logiche e di confronto hanno un operando implicito: l accumulatore L operazione: [x]+[y] z (es. Motorola 6809) richiede l esecuzione della sequenza di istruzioni: LDA x ADDA y STA z [x] accumulatore [y]+[accumulatore] accumulatore [accumulatore] z

20 Modello a stack: alcune considerazioni preliminari Stack (o Pila): struttura dati astratta, implementata in registri dedicati o in memoria, di particolare utilità nella gestione di sottoprogrammi, interruzioni, etc. Si utilizza per accantonare (memorizzare) i dati presenti nei registri che occorre liberare per poter svolgere un dato compito. Svolto il compito si può ripristinare, recuperando i dati dallo stack, la situazione dei registri precedente alla sospensione (gestione di sottoprogrammi, interruzioni, etc).

21 Un puntatore indica, istante per istante, la posizione dell ultimo elemento dello stack p Push(elem): memorizza elem come ultimo elemento della pila (quello che prima era ultimo diventa penultimo) Pop(elem): preleva elem dallo stack (il penultimo diventa ultimo) push pop Gestione LIFO (Last-In-First-Out). Le operazioni sullo statck prevedono il controllo di Stack overflow, all atto del push Stack empty, all atto del pop

22 PUSH SP (Stack Pointer) punta all ultima locazione occupata 0 Push: SP = SP - 1 Move DATO, (SP) SP memory stack Push: Move DATO, -(SP) FONDO 2 k -1 43

23 POP SP (Stack Pointer) punta all ultima locazione occupata 0 Pop: Move (SP), DEST Incrementa SP SP memory stack FONDO 43 Pop: Move (SP)+, DEST 2 k -1

24 Modello a stack CPU Address bus MA PC Data bus MEMORIA MB SP Control bus Controllo D SR ALU

25 Modello a stack Modello a stack: non esistono né accumulatori né registri generali, ma solo (SP) STACK POINTER Lo stack può essere interno al processore o in memoria Le istruzioni, ad eccezione di quelle di trasferimento dati, operano su dati posti in cima allo stack e possono essere a zero operandi: [SP] + [SP+1] SP ad 1 operando memoria: [SP] [MEM X ] [MEM X ] SP In genere le macchine con stack in memoria risultano più lente di quelle a registri generali

26 Architettura del processore: riepilogo Modello ad accumulatore: tutte le istruzioni aritmetiche, logiche e di confronto hanno come operando implicito l accumulatore a registri generali: il processore dispone di un set di registri REG 0, REG 1,..., REG N-1 utilizzabili indifferentemente a stack: non esistono né accumulatori né registri generali, ma solo (SP) STACK POINTER ortogonali: architetture dotate del solo registro di stato e di un unico banco di registri generali, alcuni dei quali, all occorrenza, utilizzati come: registri speciali, SP, PC,..

27 Processore: modello di riferimento MEMORIA CPU MA MB Collegament o I/O Rete di Controllo R 0 R 1 O1 O2 RI PC... ALU RU D R n-1 U

28 L unità logico aritmetica L unità logico aritmetica può essere» fisicamente inclusa nel processore (architetture elementari)» un apparato indipendente (architetture più complesse) Soluzione diffusa: unità aritmetica ridotta (facente parte del processore) + apparati indipendenti preposti all esecuzione di operazioni più sofisticate. Schematizzazione dell ALU: due registri d ingresso O1 e O2 (per i due operandi) ed un registro U di uscita per il risultato dell operazione.

29 ALU: Tipi di dato. Le operazioni che deve effettuare l ALU dipendono dai tipi e dalla loro rappresentazione: Tipo logico Stringa di caratteri Tipo indirizzo Tipo Numerico segno e modulo, complementi alla base, etc; virgola fissa, virgola mobile, aritmetica decimale, binaria, etc

30 Architettura del processore MC PC 16 x 32 Registri generali D0-D7, A0-A TEMP 32 EAR IR Control unit 16 Interfaccia memoria ed I/O Bus di memoria e di I/O ALU SR 8 8 CCR