Informatica A.A. 2006/2007. Università degli Studi di Catania. Giuseppe Nicosia

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1 Informatica A.A. 2006/2007 CdL in Matematica e CdL Matematica per le Applicazioni Università degli Studi di Catania Giuseppe Nicosia

2 Elementi Fondamentali di un Calcolatore Il modello di von Neumann Architettura, organizzazione e metodo Top-Down

3 Elementi Fondamentali dell'architettura di un Calcolatore Elettronico La macchina di Von Neumann

4 La Macchina di Von Neumann (Turing): memorizzazione di dati e programmi (1945) Programmazione dell'eniac con un gran numero di interruttori e cavi era lenta, noiosa e non flessibile. Sostituzione della lenta aritmetica decimale utilizzata da ENIAC, basata sul rappresentare ogni numero con 10 valvole termoioniche (1 attivata e 9 spente), con l'aritmetica binaria.

5 Proposta EDSAC (1945) e IAS ( ) IAS: il primo calcolatore con programma memorizzato, tuttora alla base di quasi tutti i calcolatori digitali. Memoria IAS: 1000 words da 40 bit (sia dati sia istruzioni). Ogni parola conteneva 2 istruzioni da 20 bit oppure un numero intero con segno da 40 bit (1 bit segno). Le istruzioni avevano 8 bit per indicare il tipo di istruzione e 12 bit per indirizzare una parola della memoria. All'interno dell'unità logica aritmetica si trovava uno speciale registro interno da 40 bit, chiamato accumulatore.

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7 Elementi Fondamentali dell'architettura di un Calcolatore Elettronico Architettura e Organizzazione

8 Architettura e organizzazione 1 L'architettura si riferisce agli attributi visibili al programmatore Instruction set, numbero di bits usati per rappresentare i dati (interi, caratteri), meccanismi di I/O, etc. Es. C'è una istruzione di moltiplicazione? L'Organizzazione fa riferimento alla realizzazione delle specifiche architetturali trasparenti al programmatore Segnali di controllo, tecnologia delle memorie. Es. C'è un'unità hardware di moltiplicazione o la moltiplicazione è eseguita per somme ripetute?

9 Architettura e Organizzazione 2 La famiglia Intel x86 e la famiglia IBM System/370 condivide la stessa architettura di base ma diverse organizzazioni al variare delle versioni: Compatibilità del codice At least backwards A volte (microcomputer) la relazione tra architettura e organizzazione e molto stretta: I cambiamenti tecnologici non solo influenzano l'organizzazione, ma implicano l'introduzione di architetture più potenti e complesse.

10 Struttura, Funzione e metodo Top-Down Il calcolatore è un sistema complesso contenente milioni di componenti elettronici elementari. Come è possibile descriverlo con chiarezza? La chiave risiede nel riconoscere la natura gerarchica dei calcolatori (H. Simon, '69). Il comportamento di ogni livello dipende solo da una caratterizzazione semplificata e astratta del sistema al livello immediatamente più basso. Ad ogni livello: Struttura: il modo nel quale i componenti sono correlati. Funzione: l'azione di ciascun singolo componente come parte della struttura. Descrizione Top-down

11 Funzione Sia la struttura che il funzionamento di un calcolatore sono essenzialmente semplici: Elaborazione dei dati (data processing) Memorizzazione dei dati (data storage) Trasmissione dei dati (data movement) Controllo (control)

12 Vista Funzionale del Calcolatore

13 Operazioni del calcolatore: (1) Trasferimento dati Sposta i dati da una periferica o da una linea di comunicazione a un'altra.

14 Operazioni del calcolatore (2) Memorizzazione Trasferimento dati dall'esterno verso la memoria (scrittura) e viceversa (lettura).

15 Operazioni del calcolatore (3) Elaborazioni dati from/to storage

16 Operazioni del calcolatore (4) Elaborazioni dati from storage to I/O

17 Struttura - Top Level Peripherals Computer Central Processing Unit Main Memory Computer Systems Interconnection Communication lines Input Output

18 Struttura - La CPU CPU I/O Computer System Bus Memory CPU Registers Internal CPU Interconnection Arithmetic and Login Unit Control Unit

19 Elementi Fondamentali dell'architettura di un Calcolatore Elettronico Le memorie

20 La memoria di un sistema di elaborazione Esigenze: Elaborazione, Archiviazione Caratteristiche importanti: Velocità, Capacità, Persistenza, Costo Tecnologie più comuni Elettronica: veloce, costosa, volatile Magnetica: lenta, economica, permanente Ottica: lenta, economica, difficilmente modificabile Obiettivi: unire le tecnologie per giungere a una memoria, veloce, capace e persistente a costi di mercato

21 La gerarchia di memoria Scendendo: 1. Decrescente costo per bit 2. Una capacità crescente 3. Un tempo di accesso crescente 4. Una decrescente frequenza di accesso da parte del processore