Il calcolatore elettronico. Parte dei lucidi sono stati gentilmente forniti dal Prof. Beraldi

Transcript

1 Il calcolatore elettronico Parte dei lucidi sono stati gentilmente forniti dal Prof. Beraldi

2 Introduzione Un calcolatore elettronico è un sistema elettronico digitale programmabile Sistema: composto da parti interagenti Elettronico: realizzato mediante componenti elettronici Digitale: riconosce e lavora su grandezze binarie (bit, binary digit), i cui valori sono indicati convenzionalmente 0 ed 1 Programmabile: il comportamento del sistema dipende da un programma

3 Sottosistemi funzionali La suddivisione funzionale è basata sull architettura proposta da von Neumann ed ancora oggi usata nella realizzazione dei calcolatori elettronici convenzionali Sono individuabili i seguenti sottosistemi Memoria (principale /secondaria) Unità centrale di elaborazione (CPU) Dispositivi di ingresso uscita (I/O)

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

5 Modifica macchina di Von Neumann con CPU Unità di Ingresso Memoria di lavoro Unità di Uscita Unità di Calcolo Unità di Controllo CPU

6 Memoria centrale RAM (Random Access Memory) L 1 byte Insieme di L celle (celle di memoria) Ogni cella memorizza un byte (8 bit) Ogni cella è univocamente individuata da un indirizzo (indirizzo di memoria) Sono possibili due operazioni: lettura (read) e scrittura (write) Caratteristiche principali: capacità (tipica 256 MB - 4 GB), tempo di accesso ai dati indipendente dalla posizione del dato (tipico, 5 ns), informazioni volatili

7 Memoria centrale divisione logica Un insieme di bit è di per se neutro. Il significato dipende dall interpretazione data da chi li usa dati codice Concettualmente la memoria centrale è suddivisibile in base al significato attribuito al suo contenuto: dati o codice eseguibile (anche detto storicamente testo ) I dati sono rappresentati mediante insiemi di valori binari (ex. 8,16,32 bit) Le istruzioni sono rappresentati mediante insiemi di valori binari arbitrari (codice macchina)

8 Memoria secondaria (di massa) Usata per memorizzare grandi masse di dati (Mega - Giga) Tempi di accesso/trasferimento molto maggiore della memoria centrale ( ms) Floppy disk, capacità 1.44 MB (720 KB obsoleto) Hard disk ( GB) CD-ROM (670 MB) DVD (5 GB)

9 Dispositivi I/O (periferiche) Servono per lo scambio dati con l esterno Memorie di massa Tastiera Mouse Monitor Modem.

10 CPU caratteristiche funzionali CPU = Central Processing Unit Esegue continuamente le istruzioni contenute in memoria Le attività della CPU sono scandite da un orologio (clock). Valori tipici attuali, qualche GHz (1 G = 1 miliardo) La CPU contiene: Un insieme di registri per la memorizzare di insiemi di bit (dimensione tipica 32 bit) Registri speciali (il significato del contenuto è noto a priori e fisso) Registri generali (il significato del contenuto dipende dall istruzione) Unità Aritmetico Logica (ALU) Esegue le operazioni aritmetiche e logiche sui dati contenuti nei registri Unità di controllo (CU) Coordina le attività svolte dalla CPU e dai sottosistemi esterni generando appositi segnali elettrici di controllo

11 Esempio Registri Intel

12 CPU, visione funzionale semplificata PC IR CU PC: Program Counter IR: Instruction Register CU =Control Unit ALU= Unità Aritmetico Logica R0,R1 = Registri Generali R0 ALU R1

13 CPU, linguaggio macchina Ogni CPU è in grado di eseguire un insieme specifico di istruzioni (istruzione macchina) detto linguaggio macchina Tali operazioni consentono essenzialmente di: (i) eseguire operazioni aritmetiche e logiche elementari (ii) copiare byte fra due locazioni di memoria (registro/registro, memoria/registro) (iii) alterare il flusso (normalmente sequenziale) dell esecuzione del programma (ex: jmp) Ogni istruzione macchina corrisponde ad una sequenza di bit univoca Usualmente, al posto di rappresentare l istruzione macchina mediante tale sequenza, si utilizza un codice mnemonico (codice assembler) Esiste una corrispondenza 1:1 fra codice assembler ed istruzione macchina Esempi (Intel 386) Codice assembler codice macchina (hex) codice macchina (binario) mov AX,BX 89 D add AX,BX 01 D

14 Connessioni fra le unità CPU Memoria I/O Bus Dati Controllo Indirizzi Le unità possono scambiarsi informazioni mediante un insieme di collegamenti elettrici, detto BUS

15 Interazione CPU-Memoria Trasferimento parallelo di un insieme di bit. Il numero di bit trasferiti dipende dall ampiezza del bus dati (tipicamente 32 bit) Sono possibili operazioni di trasferimento dati in memoria (scrittura in memoria) CPU Memoria I/O Bus Dati Controllo Indirizzi

16 Interazione CPU-Memoria.. o di trasferimento dati da memoria (lettura da memoria) CPU Memoria I/O Bus Dati Controllo Indirizzi

17 Interazione CPU-I/O CPU Memoria I/O Bus Dati Controllo Indirizzi La CPU può ordinare ai dispositivi di I/O di eseguire un operazione (ex. Visualizzazione sul video ), controllandone il funzionamento (ex. driver per il disco)

18 Interazione CPU-I/O CPU Memoria I/O Bus Dati Controllo Indirizzi I dispositivi possono interrompere il ciclo della CPU (interrupt)

19 CPU interazione con la memoria centrale Codice Indirizzo (1) Istruzione (2) PC IR CPU CU (3) Indirizzo (4) R0 R1 Dati dato (4) ALU (5) R/W (4) PC = Program Counter, R0,R1 = Registri IR = Instruction Register CU= Unità di controllo ALU = Unità Aritmetico Logica R/W = Segnale di abilitazione Read/Write Segnali di controllo

20 CPU come interprete Il comportamento della CPU può essere visto come la ripetizione continua del seguente insieme di operazioni. La notazione [PC] indica il contenuto della locazione di memoria con indirizzo PC. A <- B significa copia il valore di B in A IR<-[PC] PC <-PC+1 <esegui istruzione in IR> La CPU si comporta come un interprete del programma in linguaggio macchina presente in memoria L esecuzione di una istruzione può modificare il contenuto di PC, alterando l ordine sequenziale naturale Tale schema è semplificato poiché per interagire con l esterno, o gestire situazioni anomale, tale ciclo deve poter essere interrotto

21 Esempio Somma di due interi Assumiamo che gli interi occupino 2 byte e si trovino in memoria centrale, agli indirizzi 1000 e Il risultato deve essere memorizzato in 1004 Usiamo la CPU didattica composta da due registri (R0 ed R1) ed in grado di eseguire la somma usando R0 come accumulatore Codice Assembler mov R0,[1000] mov R1,[1002] add R0, R1, R0 mov [1004],R0

22 Funzioni del Sistema Operativo

23 Sistema operativo..come gestore di risorse Una volta in esecuzione il SO si impossessa delle risorse dell elaboratore (CPU, memoria, periferiche) diventandone il gestore. Il SO assegna organicamente a turno l uso della CPU e della memoria alle varie applicazioni, intervenendo nei casi di errori eccezionali (ad es. un programma che accede alla memoria di un altro programma) o per svolgere operazioni critiche Il Sistema Operativo (SO) viene trasferito in memoria centrale dal disco durante la fase di accensione dell elaboratore (bootstrap) da un programma di piccole dimensioni (BIOS) memorizzato in una memoria non volatile (il programma rimane cioè memorizzato anche dopo che il calcolatore è stato spento)

24 Sistema operativo..come gestore di risorse Ogni programma utente ha l illusione di girare su una propria macchina virtuale (CPU e memoria) Più programmi possono cioè girare contemporaneamente sulla stessa macchina fisica (sistemi multiprogrammati o multitasking). Sistemi diffusi: Unix (primo SO scritto in C) MacOS (introdotto la metafora della scrivania e delle finestre) Windows (..ha copiato la metafora della scrivania, MAC 89 = Windows 95) DOS (monotasking, obsoleto ma presente come accessorio in windows)

25 Visione a livelli software servizi forniti dal SO Applicazione Applicazione Sistema Operativo Hardware Applicazione Macchina Virtuale dedicata Applicazione Macchina Virtuale dedicata