Architettura degli Elaboratori. a.a. 2014/15 Classe 3: matricole congrue 2 modulo 3

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1 Architettura degli Elaboratori a.a. 2014/15 Classe 3: matricole congrue 2 modulo 3

2 Marcella Anselmo Presentazioni Info: Orario ricevimento: Lunedì 14:30 16:30 Giovedì Il mio studio è il n 57 al 4 piano (ultimo livello) della Stecca 7 (fra l'aula F8 e la sede di Farmacia).

3 Pagina personale del corso: Pagina corso Troverete: orario lezioni, ricevimento, programma, avvisi generali, syllabus Piattaforma e-learning: quando ci sarete anche voi Troverete: avvisi per chi è iscritto/segue il corso, calendario aggiornato via via, slides (parziali), esercizi,

4 Svolgimento del corso Il corso consiste di 10 CFU per un totale di 80 ore di corso, di cui: 56 ore di lezione frontale 24 ore di esercitazione Orario lezioni Lunedì 11-13, Aula P3 Mercoledì 9-12, Aula P3 Giovedì 9-11, Aula P3 Inoltre eventuali ore di recupero saranno svolte il Giovedì dalle 14 alle 16. Ultima lezione prevista: 17 dicembre 2013, a meno di

5 Prerequisiti Non vi sono propedeuticità formali. Allo studente non e' richiesta nessuna particolare conoscenza informatica. Una buona conoscenza da utente di personal computer può aiutare nell'inquadramento di alcune parti del corso. Una conoscenza (anche approssimativa) di programmazione può aiutare nella parte relativa alla programmazione assembler. Meglio seguire/studiare anche Programmazione 1

6 Modalità di frequenza Lo svolgimento delle esercitazioni e la frequenza del corso sono fortemente consigliate. Gli studenti devono essere preparati a trascorrere una congrua quantità di tempo nello studio al di fuori delle lezioni.

7 Come studiare? Lezioni (domande «stupide» non esistono) Slides, appunti, ma libri! Esercizi (da soli, a gruppi, ) Ricevimento Organizzare gli esami dei vari corsi (e prenotarsi in tempo) Puntare in alto/ non perdere mai di vista motivazioni e obiettivi

8 I libri di testo sono: Libri di testo [PH] D. A. Patterson, J. L. Hennessy, Struttura e progetto dei calcolatori, III ed. con cd rom, 2010, Zanichelli, ISBN: (parte dei primi 5 capitoli e delle Appendici C e D sul CD) [P] F. Preparata, Introduzione alla organizzazione e progettazione di un elaboratore elettronico, Ed. Franco Angeli 2012, ISBN:

9 Esami (!) L esame consiste di una prova scritta e di una orale (cui si accede solo dopo il superamento di quella scritta). Sono inoltre previste due prove intercorso, la prima a metà novembre e la seconda alla fine del corso. Gli studenti che supereranno le due prove potranno sostenere direttamente la prova orale. Gli studenti interessati alle prove di esame devono prenotarsi su Esse3 entro il termine utile. Ricordo inoltre che è possibile e doveroso cancellare la propria prenotazione qualora si decida di non partecipare, per evitare un inutile spreco di risorse. Durante lo svolgimento del compito scritto NON è consentito consultare libri, appunti o altro materiale di nessun tipo. Faremo poi dei brevi test in aula per verifica l apprendimento degli argomenti studiati

10 Date esami Tantissime Prima prova intercorso: lunedì 10 novembre ore 9 Aula P3 Seconda prova intercorso: 13 gennaio 2015 ore 9 aula P4 1. Pre-appello nel periodo 7-16 Gennaio 2015: 14 gennaio ore 15 aula P4. 2. Primo appello nel periodo 19 Gennaio Febbraio 2015: 28 gennaio ore 15 aula P4. 3. Secondo appello nel periodo 9-27 Febbraio 2015: 18 febbraio ore 15 aula P4. 4. Appello straordinario nel periodo 8 21 Aprile Attenzione: l appello è riservato esclusivamente agli studenti che abbiano conseguito almeno 135 CFU e tutti gli studenti di ordinamenti disattivati (matr. diverse da 05121). 5. Primo appello nel periodo 22 Giugno Luglio Secondo appello nel periodo Luglio Appello nel periodo 1-19 Settembre Appello straordinario in Novembre 2015.

11 Architettura degli elaboratori Architetti? Di cosa? Avete sbagliato aula? Elaboratori, calcolatori? Architettura, struttura, progetto, organizzazione?

12 Architettura degli Elaboratori L Elaboratore (o calcolatore, o computer) è una macchina in grado di eseguire autonomamente sequenze di operazioni logiche-aritmetiche sui dati in ingresso (input) e restituire i risultati di tali operazioni in uscita (output) L Architettura (informatica) è l insieme dei criteri in base ai quali e progettato e realizzato un sistema informatico.

13 Perche i calcolatori? Calcolare. Evitare compiti noiosi e ripetitivi I computer sono incredibilmente veloci, accurati e stupidi. Gli uomini sono incredibilmente lenti, inaccurati e intelligenti. Insieme sono una potenza che supera l'immaginazione. Albert Einstein

14 Un po di (prei)storia (Abaco) Pascal: Pascalina (somme e sottrazioni di numeri ad 8 cifre) Leibniz: Perfezionamento della Pascalina: anche moltiplicazioni e divisioni Jaquard: telai meccanici che usavano schede perforate (sistema programmabile!) 1822 Babbage (e Ada Lovelace): Analytical Engine (Non riuscì a realizzarla) Hollerith: Macchina per il censimento degli americani (basata sulle idee di Babbage) Stibitz: computer con relè telefonici e lampadine

15 La storia comincia Turing, Von Neumann: ENIAC (primo computer elettronico, non programmabile) 1947 Bardeen, Brattley Shotky: il transistor Shannon: Teoria dell informazione il microprocessore 1976 il primo personal computer (Apple)

16 Turing e Von Neumann Tutto ha inizio con un lavoro scritto da Alan Turing nel 1936 in cui veniva descritta la Macchina di Turing Universale

17 Turing e Von Neumann Negli anni che seguirono Turing e Von Neumann contribuirono entrambi alla reduction to practice dei concetti di base della Macchina di Turing Universale ma noi ricordiamo il risultato finale di questo lavoro come la Architettura di Von Neumann

18 Architettura di Von Neumann

19 Achitettura Harward La memoria è suddivisa in: Memoria dati e Memoria istruzioni

20 Studieremo il processore MIPS Un processore vero Sarà il nostro esempio di riferimento per studiare i principi di progettazione di un processore Architettura Harward Modificata (Pipeline)

21 Alla fine: il processore MIPS Alla fine del corso di Architettura dovete sapere come funziona una versione semplificata del processore MIPS

22 Obiettivi del corso

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24 Oggi Incremento delle prestazioni: la densità dei circuiti integrati raddoppia ogni 1.5 anni (20%/anno) la velocità migliora del 50% ogni anno la densità delle memorie migliora del 60% ogni anno

25 Contenuti del corso Il corso si propone di introdurre l architettura dei calcolatori ed i principi che sono alla base della loro progettazione. Verranno presentate struttura e funzionalità dell architettura di un calcolatore moderno. Principali argomenti trattati durante il corso: 1) rappresentazione dell'informazione: - rappresentazione degli interi e algoritmi di conversione per interi (dec-bin, bin-dec)) - rappresentazione e aritmetica in complemento a due - rappresentazione in virgola mobile - codifica ASCII 2) logica digitale: - algebra booleana - reti combinatorie e ALU - elementi di memorizzazione: flip-flop, register file e moduli combinatori 3) linguaggio assembler di una macchina RISC 4) implementazione della unità di elaborazione 5) misura delle prestazioni, miglioramento delle prestazioni mediante pipeline e gerarchie di memoria

26 Cosa imparerete in questo corso? Lo studente acquisira le seguenti capacita applicative: - esecuzione e comprensione del processo di traduzione nell assembler di una architettura RISC dei costrutti di base del linguaggio C, scelto come esemplificativo dei linguaggi procedurali di livello utente; - analisi di una rete combinatoria e determinazione della relativa funzione booleana implementata; - esecuzione delle conversioni in notazione decimale dei principali formati di rappresentazione interna dei numeri interi e frazionari; - esecuzione di semplici calcoli di valutazione delle prestazioni hardware in funzione sia del ciclo che della frequenza di clock. Mediante le conoscenze acquisite attraverso lo studio di una architettura RISC sui principi di base della progettazione di un linguaggio assembler e sulle scelte architetturali da affrontare nella relativa implementazione hardware, lo studente sara in grado di orientarsi in successivi processi di apprendimento di ulteriori linguaggi assembler e delle relative architetture hardware.

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28 Electronic Numerical Integrator and Computer

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32 Evoluzione Un Campo in evoluzione rapida: Valvole -> transistor -> Circuiti Integrati -> VLSI Ogni 1.5 anni raddoppia: la capacità di memoria Velocità di elaborazione (merito di progressi tecnologici e di organizzazione)

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38 Progettazione per raffinamenti successivi Primo livello di progettazione Data Register # PC Address Instruction Registers ALU Instruction memory Register # Register # Address Data memory Data

39 Progettazione per raffinamenti successivi Secondo livello di progettazione Instruction address Instruction PC Add Sum Instruction memory a. Instruction memory b. Program counter c. Adder

40 Progettazione per raffinamenti successivi Secondo livello di progettazione Register numbers Data 5 Read 3 register 1 Read 5 data 1 Read 5 register 2 Registers Write register Write data Read data 2 Data ALU ALU control Zero ALU result RegWrite a. Registers b. ALU

41 Aritmetica Terzo livello di progettazione operation a 32 ALU result 32 b 32

42 Implementazione della ALU a 32 bit Terzo livello di progettazione CarryIn Operation CarryIn Operation a0 b0 CarryIn ALU0 CarryOut Result0 a 0 a1 b1 CarryIn ALU1 CarryOut Result1 b 1 2 Result a2 b2 CarryIn ALU2 CarryOut Result2 CarryOut a31 b31 CarryIn ALU31 Result31

43 E per finire Una buona notizia! Domani Giovedì 25/9 lezione 9-10 (1 ora anziché 2)

44 Rappresentazione in binario Quali/ quanti interi posso rappresentare con una sequenza di n bit? n = 1 n = 2 n = 3 n = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 15