Calcolatori Elettronici

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1 Calcolatori Elettronici (5 crediti) A.Marchetti Spaccamela a.a. 2006/2007

2 Informazione generali sul corso Obiettivo del corso: Conoscenza del funzionamento di un calcolatore elettronico Verifica Prova scritta (5-6 domande) + orale/discussione compito scritto Sito del corso (in costruzione...) Testo e Materiale integrativo Trasparenze del corso Testo: XXXX Dispense

3 Programma del corso Introduzione Struttura di un calcolatore Rappresentazione numerica e codici Il livello logico digitale L architettura di un sistema informatico

4 Gamma dei sistemi di calcolo Sistemi embedded : incorporati in altri sistemi automobili, aerei, telefoni cellulari, PDA... Personal Computer, PC: diverse potenze di calcolo Server e Mainframe: caratteristiche molto diverse Applicazioni usate da molti utenti, webserver, sistemi per la gestione del sistema informativo di una organizzazione (es:banca) Supercalcolatore ( es. Previsione del tempo) embedded 90%; personal computer: 9-10%; server: 0.5% Reti di Workstation : Aumento della potenza di calcolo mediante il collegamento di PC o WS mediante rete ad alta velocità

5 Introduzione Esempio d impiego di calcolatori Posta elettronica Server Server Client personal compute Applicazione Client di posta

6 Breve Storia dei Sistemi di Elaborazione

7 Preistoria ( ) Pascal ( ) Pascaline: addizioni e sottrazioni Leibniz ( ) Anche moltiplicazioni e divisioni Charles Babbage ( ) A) Macchina Differenziale Algoritmo fisso Output su piastra di rame B) Macchina Analitica Prima macchina programmabile Memoria: 1000 x 50 cifre decimali I/O su schede perforate Limite: tecnologia meccanica

8 Generazione zero Macchine elettromeccaniche Konrad Zuse (~1930 Germania) Macchina a relè Distrutta nella guerra John Atanasoff (~1940 USA) Aritmetica binaria Memoria a condensatori Howard Aiken (~1940 USA) MARK 1: versione a relè della macchina di Babbage (~100 anni dopo!) Memoria: 72 x 23 cifre decimali tempo di ciclo: 6 sec. I/O su nastro perforato

9 Generazione zero Tubi termoionici COLOSSUS (~1940 GB) Gruppo di Alan Turing, Progetto segreto ENIAC (~1946 USA) J. Mauchley, J. Eckert valvole 30 tonnellate 140kw assorbimento Programmabile tramite 6000 interruttori e pannelli cablati 20 registri da 10 cifre

10 La Macchina di Von Neumann IAS (~ 1950, Princeton USA) Programma in memoria, Aritmetica binaria, Memoria: 4096 x 40 bit Formato istruzioni a 20 bit: OPCODE 8 INDIRIZZO 12

11 I Generazione: Sistemi Commerciali Inizialmente il mercato è dominato dalla UNIVAC L IBM entra nel mercato nel 1953, e assume una posizione dominante che manterrà fino agli anni 80: IBM 701 (1953): Memoria: 2k word di 36 bit 2 istruzioni per word IBM 704 (1956): Memoria: 4k word di 36 bit Istruzioni a 36 bit Floating-point hardware IBM 709 (1958) Praticamente un 704 potenziato Ultima macchina IBM a valvole

12 II Generazione ( ) Tecnologia a transistor TXO e TX2 macchine sperimentali costruite allo MIT Uno dei progettisti del TX2 fonda una propria società la Digital Equipment Corporation (DEC) La DEC produce il PDP-1 (1951): Memoria: 4k parole di 18 bit Tempo di ciclo di 4msec Prestazioni simili all IBM 7090 Prezzo meno di un decimo Schermo grafico pixel (primi videogiochi) Comincia la produzione di massa

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

14 II Generazione: Supercomputer Macchine molto potenti dedicate al number crunching 10 volte più veloci del 7090 Architettura molto sofisticata Parallelismo all interno della CPU Nicchia di mercato molto specifica (resta vero anche oggi) CDC 6600 (1964) Progettista del CDC 6600 è Seymour Cray, poi fondatore della CRAY

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

16 III Generazione IBM: Serie IBM System/360 (famiglia elab.) Macchine con lo stesso linguaggio Range di prestazioni (e prezzo) 1-20 Completa compatibilità Portabilità totale delle applicazioni OS comune OS/360 Digital PDP 11 Architettura a bus (Unibus) Prodotto in milioni di esemplari Sistema operativo UNIX, indipendente dalla piattaforma

17 . nacque il Personal Computer fine anni 70: Apple I, progettato in un garage nel tempo libero, venduto in scatola di montaggio 1981 PC IBM con Intel 8088 e MS DOS della minuscola Microsoft Informatica diffusa non solo per specialisti Duopolio Intel/Microsoft

18 La legge di Moore (1965) La capacità delle memorie DRAM quadruplica ogni tre anni (60% anno) Analogo aumento del numero di transistor sul chip Aumento della capacità dei chip di memoria Aumento della capacità di calcolo delle CPU

19 Legge di Moore per le CPU Più transistor: parallelismo interno Maggiore frequenza di funzionamento Rapp.prestazioni/costo 1951 valvola transistor circuito integrato circuito VLSI circuito ULSI

20 Legge di Nathan Il software è come un gas: riempie sempre completamente qualsiasi contenitore in cui lo si metta Al calare dei costi e all aumentare della memoria disponibile, le dimensioni del software sono sempre cresciute in proporzione Il Circolo Virtuoso Costi più bassi e prodotti migliori Aumento dei volumi di mercato Fattori di scala nella produzione Costi più bassi...

21 Calcolatore elettronico oggi Sistema elettronico digitale programmabile Elettronico digitale Sfrutta componenti elettronici digitali (porte logiche) che operano su grandezze binarie (bit) che possono assumere due soli valori (0 e 1) Sistema: Parti (o componenti) che interagiscono in modo organico fra loro (architettura di von Neumann) Programmabile Il comportamento del sistema è flessibile e specificato mediante un programma, ossia un insieme di ordini

22 Intel Computer Family

23 Grandezze elettriche (1) Analogiche Il più possibile analoghe a ciò che rappresentano (all originale) Ex: forma corrispondente alla voce Pressione aria tempo Tensione elettrica tempo

24 Grandezze elettriche (2) Digitali Possono assumere due soli valori, comunemente indicati con 0 ed 1 La grandezza fisica può essere una tensione, corrente, ampiezza V 2 Andamento ideale 0-> V 1, 1-> V 2 oppure 0-> V 2, 1-> V 1 V 1 tempo

25 Grandezze elettriche (3) Digitali In realtà i valori 0 ed 1 sono rappresentati mediante valori di un intervallo Il cambiamento da 0->1, 1->0 non è istantaneo rumore Andamento reale tempo

26 Mapping from physical world to binary world Technology State 0 State 1 Relay logic Circuit Open Circuit Closed CMOS logic volts volts Transistor transistor logic (TTL) volts volts Fiber Optics Light off Light on Dynamic RAM Discharged capacitor Charged capacitor Programmable ROM Fuse blown Fuse intact Magnetic disk No flux reversal Flux reversal Compact disc No pit Pit

27 Vantaggi dei sistemi digitali Riproducibilità del risultato rumore Facilità di progetto Flessibilità Programmabilità Velocità di funzionamento (ns, 10-9 s) Economia

28 La nozione di macchina Per studiare l architettura di un calcolatore è conveniente introdurre la nozione di macchina Macchina: entità in grado di eseguire istruzioni appartenenti ad un linguaggio Una macchina può essere fisica o virtuale Una macchina è composta da un insieme di risorse che sono controllare e gestite dalle istruzioni Il significato di ogni istruzione è dato facendo riferimento alle risorse

29 Architettura a livelli di un calcolatore Macchina virtuale M n e linguaggio macchina L n Macchina virtuale M 1 e linguaggio macchina L 1 Macchina fisica M O e linguaggio macchina L 0 Un calcolatore è costituito da varie macchine virtuali Architettura di un calcolatore è la descrizione delle caratteristiche delle varie macchine virtuali (livelli)

30 Livello applicativo E il livello usato da chi scrive applicazioni per uno specifico problema (es programmi in java) int i; i=i+2; bytecode Program in Java Compilat. Programma eseguibile JVM ISA: Instruction Set Architecture (Macchina di von Neumann) eseguita da Macchina ISA

31 Macchina di von Neumann Unità di Ingresso Memoria di lavoro Unità di Uscita Unità di Calcolo Unità di Controllo

32 Macchina di von Neumann Unità di Ingresso Memoria di lavoro Unità di Uscita Unità di Calcolo Unità di Controllo CPU

33 Caratteristiche distintive.. Singola memoria monodimensionale acceduta sequenzialmente Memorizzazione sia di dati che del programma Il tipo di dato non è memorizzato La macchina di von Neumann esegue le istruzioni del programma (nel linguaggio macchina)

34 Livelli di astrazione Software INSIEME DELLE ISTRUZIONI (linguaggio macchina) Livello firmware Livello porte logiche Livello fisico (transistor..) Hardware

35 Il livello firmware (microarchitettura) Realizza le istruzioni del linguaggio macchina Le componenti principali di tale livello sono Registri (in grado di memorizzare gruppi di bit, ex: bit) ALU (Unità Aritmetica Logica) Data-path (connessioni per il trasferimento dei dati) Utilizza le porte logiche (livello 1)

36 Implementazione A una istruzione macchina corrisponde una sequenza di istruzioni del livello 1 che la realizzano Istruzione macchina Istruzione L2 m1 m2 m3 mki Sequenza equivalente s