Elementi di informatica

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1 Elementi di informatica Architetture degli elaboratori Il calcolatore Un calcolatore è sistema composto da un elevato numero di componenti Il suo funzionamento può essere descritto se lo si considera come un sistema strutturato in forma gerarchica Ogni componente ha una sua funzione 1

2 Funzionalità di un calcolatore Codifica dell'informazione 3 Funzionalità di un calcolatore: Un architettura in grado di coniugare Flessibilità Adatta a svolgere diverse tipologie di compiti Modularità Ogni componente ha una funzione specifica Scalabilità Ogni componente può essere sostituito con uno equivalente Standardizzazione Componenti facilmente sostituibili in caso di malfunzionamento Riduzione dei costi Grazie alla produzione su larga scala Semplicità Di installazione ed esercizio del sistema 2

3 Funzionalità di un calcolatore: memorizzare dati la a memorizzazione dei dati: per brevi periodi (i risultati di operazioni intermedie) per lunghi periodi (archivi elettronici che sostituiscono quelli cartacei) Funzionalità di un calcolatore: trasferimento dati Trasferimento dei dati: Comunicazione con l ambiente esterno; Uso di dispositivi ausiliari periferiche che svolgono operazioni di ingresso uscita. 3

4 Funzionalità di un calcolatore: controllo L utente la realizza impartendo comandi al calcolatore Il calcolatore coordina le risorse al fine di svolgere le operazioni corrispondenti ai comandi Il modello concettuale 4

5 Il modello architetturale L architettura di riferimento Il componente principale è l unità di elaborazione centrale (central( processing unit, CPU, processore) ) a cui sono affidate le operazioni di controllo e coordinamento; Per la memorizzazione dei dati è presente una memoria (indirizzo); Il collegamento tra queste unità è realizzato da un bus (master-slave) slave) 5

6 Lo schema di riferimento Lo schema di riferimento Scheda madre (motherboard ) RAM CPU Bus dati Bus indirizzi Bus controllo Interfaccia di I/O Interfacce di I/O Interfacce di I/O Schermo Tastiera e mouse Altoparlanti di massa 6

7 Scheda madre Connettori per schede di I/O aggiuntive Zoccolo per la CPU Connettori per la memoria Connettori per dischi fissi Caratteristiche del collegamento al Bus Semplicità un unica linea di connessione costi ridotti di produzione Estendibilità aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice Standardizzabilità regole per la comunicazione da parte di dispositivi diversi Lentezza utilizzo in mutua esclusione del bus Limitatà capacità al crescere del numero di dispositivi collegati Sovraccarico del processore (CPU) perché funge da master sul controllo del bus 7

8 Il bus Il bus può essere suddiviso in tre componenti Bus dati Bus indirizzi Bus di controllo L esecuzione dei programmi Un calcolatore esegue un programma sulla base dei seguenti principi: Dati e istruzioni in memoria; I contenuti della memoria sono indirizzabili in base alla posizione; Le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale; 8

9 Tre tipologie di istruzioni Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati) Somma, Sottrazione, Divisione,.. And, Or, Xor,. Maggiore, Minore, Uguale, Controlo del flusso delle istruzioni Sequenza Selezione semplice, a due vie, a n vie, Ciclo a condizione iniziale, ciclo a condizione finale,.. Trasferimento di informazione Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di ingresso/uscita (attraverso le relative interfacce) Elementi di una CPU Unità di controllo legge le istruzioni dalla memoria e ne determina il tipo Unità aritmetico logica esegue le operazioni necessarie per eseguire le istruzioni Registri memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e informazioni di controllo; il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del registro; esistono registri di uso generico e registri specifici; 9

10 I registri sempre presenti: PC (Program Counter) indica la prossima istruzione da eseguire IR (Instruction Register) contiene una copia dell istruzione da eseguire MAR (Memory Address Register) contiene l indirizzi di memoria dove estrarre il dato MDR (Memory Data Register) contiene una copia del dato estratto dalla memoria PSW (Processor Status Word) codifica sullo stato di esecuzione dell istruzione Struttura del data path

11 Struttura della CPU Esecuzione delle istruzioni Ciclo Fetch-Decode-Execute (leggi-decodifica-esegui) 1. Prendi l istruzione corrente dalla memoria e mettila nel registro istruzioni(ir); 2. Incrementa in program counter (PC) in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva; 3. Determina il tipo dell istruzione corrente (decodifica); 4. Se l istruzione usa una parola in memoria determina dove si trova; 5. Carica la parola se necessario, in un registro della CPU; 6. Esegui l istruzione. 7. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l istruzione successiva; 11

12 Esempi di istruzioni Istruzione add R01,R02,R03 addi R01,R02,421 lw R01,R02,421 sw R01,R02,421 beq R01,R02, 421 j 842 R01 M[R ] M[R ] R01 se (R01 == R02) vai a PC 421 vai a 842 Significato R01 R02 + R03 R01 R Categoria aritmetico-logica aritmetico-logica trasferimento trasferimento salto (condizionato) salto (non condizionato) Istruzioni aritmetico-logiche Un istruzione aritmetico-logica, ad esempio add RZ,RX,RY, viene eseguita in quattro passi: 1. l istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell IR mentre il PC viene incrementato (si tratta della fase di fetch già descritta in precedenza); 2. viene letto il contenuto dei due registri RX e RY (in pratica l unità di controllo attiva i collegamenti tra i registri RX e RY, individuati dal contenuto dell IR, e i registri di ingresso all ALU e provvede a effettuare il trasferimento dei dati); 3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri, eseguendo l operazione indicata dal codice compreso nell istruzione (l unità di controllo attiva il collegamento di un pezzo dell IR con l ingresso di controllo dell ALU); 4. il risultato calcolato dall ALU viene scritto nel registro RZ (anche il registro destinazione viene individuato a partire dal contenuto dell IR). 12

13 Istruzioni di trasferimento Un istruzione di trasferimento, ad esempio lw RY,RX,base, viene eseguita in cinque passi: 1. l istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell IR mentre il PC viene incrementato; 2. viene letto il contenuto del registro RX; 3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri e sulla base scritta nell IR; 4. il risultato calcolato dall ALU viene utilizzato come indirizzo per la memoria dati; 5. il dato proveniente dalla memoria viene scritto nel registro RY. Istruzioni di controllo Un istruzione di trasferimento, ad esempio beq RX,RY,salto, viene eseguita in quattro passi: 1. l istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell IR mentre il PC viene incrementato; 2. viene letto il contenuto dei due registri RX e RY; 3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri, eseguendo l operazione indicata dal codice compreso nell istruzione (nel caso dell esempio si tratta di una sottrazione, per verificare poi se il risultato è uguale o diverso da zero); contemporaneamente il contenuto del PC viene sommato al valore del salto per calcolare l eventuale destinazione del salto; 4. l esito dell operazione viene utilizzato per decidere quale valore debba essere memorizzato nel PC. 13

14 Unità funzionali richieste dai diversi tipi di istruzioni Tipo di istruzione Unità funzionali utilizzate Aritmetico-logico (istruzioni) Banco registri ALU Banco registri Trasferimento (registri memoria) (istruzioni) Banco registri ALU (dati) Banco registri Trasferimento (registri memoria) (istruzioni) Banco registri ALU (dati) Salto (condizionato) (istruzioni) Banco registri ALU Salto (non condizionato) (istruzioni) Durata indicativa di ogni categoria di istruzione (tempi in ns). Tipo di istruzione istruzioni (MI) Lettura registro (LR) ALU (AL) dati (MD) Scrittura registro (SR) Totale Aritmetico-logico Trasferimento (registri memoria) Trasferimento (registri memoria) 5 35 Salto (condizionato) 5 25 Salto (non condizionato) 14

15 Un esempio Esecuzione di una successione di quattro istruzioni per il caricamento di due dati dalla memoria nei registri R01 e R02, la loro somma e la registrazione in memoria del risultato. lw R01,R11,421 MI LR AL MD SR Tempo lw R02,R11, ns MI LR AL MD SR 30 ns add R03,R01,R02 40 ns MI LR AL SR 35 ns sw R03,R11,421 MI LR AL MD Ordine di esecuzione delle istruzioni 145 ns Il clock Le varie unità operano in modo coordinato dal punto di vista della temporizzazione degli eventi. Un orologio (clock) fornisce una cadenza temporale a cui tutte le attività elementari sono sincronizzate La frequenza di clock è il numero di attività elementari nell unità di tempo (Mhz) Concorre a determinare la velocità di elaborazione 15

16 Evoluzione delle CPU 16