Università degi Studi di Cagiari Facotà di Scienze Corso di Laurea in Matematica Corso di Eementi di Informatica Lezione 5 28 marzo 2017 Dott. A.A. 2016/2017 pgarau.unica@gmai.com 1 Schema Funzionae de eaboratore Schema de eaboratore Memoria Secondaria Periferiche coegate CPU Memoria Centrae Interfaccia I/O Interfaccia I/O BUS di Connessione 2 1
Schema Funzionae de eaboratore Schema funzionae de eaboratore Unità di Eaborazione (CPU) 2 3 Input (Dati in Ingresso) 1 Memoria Centrae 4 Output (Dati in Uscita) Quando noi utiizziamo un eaboratore e facciamo un input andiamo a scrivere direttamente sua memoria o ci serviamo di quache atro apparecchio? E quando facciamo un output andiamo a eggere direttamente daa memoria? 3 Rappresentazione dee informazioni Unità di Eaborazione (CPU) 3 4 Memoria Centrae 2 5 Input (Dati in Ingresso) 1 Periferiche di Input Periferiche di Output 6 Output (Dati in Uscita) 4 2
Schema Funzionae de eaboratore L eaboratore ØLa memoria centrae (RAM) - contiene e istruzioni e i dati che devono essere rispettivamente eseguite ed eaborati da processore, otre ai risutati ottenuti da esecuzione di ogni singoa istruzione. ØI processore - esegue e istruzioni, eabora i dati dopo averi preevati daa memoria e trasferisce i risutati ottenuti da esecuzione de istruzione nea memoria. 5 La memoria Centrae La memoria Centrae (RAM) La memoria centrae può essere intesa come una successione ordinata di bit. I bit dea memoria sono raggruppati in cee o ocazioni di memoria di unghezza fissa (soitamente 1 byte), ognuna identificata in modo univoco da un indirizzo. 6 3
La memoria Centrae Ø Le cee di memoria sono raggruppate in paroe (word) di uguae unghezza. i numero di bit che costituisce a paroa viene detto unghezza di paroa (oggi 32/64 bit per PC e 128 bit per cacoatori più potenti). Ø La unghezza dea paroa di memoria è un eemento fondamentae dea memoria centrae e di tutto i cacoatore (corrisponde a numero di bit che a CPU può trattare simutaneamente) 7 La memoria Centrae WORD a 16bit 8 4
Diversi tipi di Memorie Distinzione dei diversi tipi di memorie La memoria centrae è costituita principamente daa memoria RAM che contiene temporaneamente i dati da eseguire o porzioni di programma. - RAM (Random Access Memory) La memoria ROM contiene i firmware - ROM (Read Ony Memory) 9 Diversi tipi di memorie Distinzione dei diversi tipi di memorie La RAM (Random Access Memory) contiene e istruzioni e i dati dei programmi in esecuzione - Costituisce a quasi totaità dea memoria centrae - Memoria di ettura/scrittura - Voatie - Accesso diretto ae informazioni memorizzate. - Veoce (tempo di accesso costante e moto basso 60-70 ns, dove 1 ns=10-9 s) - Capacità imitata (quache Gbyte) - Moto costosa ($) 10 5
Diversi tipi di memorie La ROM (Read Ony Memory) è a memoria che contiene tutti programmi necessari a avviamento de sistema di cacoo (bootstrap) - Memoria di soa ettura - Permanente - Capacità moto imitata (de ordine dee centinaia di Kbyte) - Tra i principai programmi presenti nea ROM ricordiamo i BIOS che consente i caricamento de Sistema Operativo da disco. Questo tipo di software viene chiamato firmware perché consente di mettere in comunicazione hardware con i software di iveo superiore. 11 I Processore I processore CPU (Centra Processing Unit) E formato da due unità - Unità ogico-aritmetica (ALU Aritmetic Logic Unit) - Unità di controo (CU Contro Unit) 12 6
I Processore Unità ogico-aritmetica (ALU) Costituita da circuiti in grado di eseguire e operazioni ogiche (>,<, =, etc ) e aritmetiche (+,-,*,/, etc ). Unità di controo (CU) Preeva istruzione da eseguire daa memoria e a porta a suo interno (fase di preevamento o fetching). Anaizza istruzione per determinare operazione da eseguire e gi eventuai operandi (fase di decodifica). Comanda unità preposta ed esegue e istruzioni attivando i circuiti (fase di esecuzione). Terminata utima fase unità di controo riprende daa prima fase in maniera cicica. 13 I Processore Dettagio de cico de Processore 1) Dati ed istruzioni stanno nea memoria RAM. 2) Si preevano e istruzioni daa memoria RAM per essere decodificate in operazioni da svogere. 3) I risutato dea decodifica viene savato nei registri dee istruzioni. 4) Si preevano i dati da eaborare daa memoria che vengono poi caricati nei registri dei dati dea CPU. 5) La ALU prende dai registri e istruzioni e i dati, e gi eabora. 6) I risutato viene rimesso nei registri o nea memoria. 7) Dai registri vengono etti i risutati per che verranno poi caricati in memoria. 14 7
I Processore I registri dea CPU Neo svogimento dee proprie attività e unità de eaboratore si servono dei registri: - piccoe memorie di supporto temporanee per contenere dati, istruzioni o indirizzi di memoria; - memorie voatii di imitatissima capacità ma con un tempo di accesso estremamente basso; - veocità di ettura/scrittura superore dea memoria RAM. 15 I Processore Due tipoogie di processori Esistono due grandi famigie di processori Processori RISC (Reduced Instruction Set Computer) Sono dei processori che hanno un Instruction Set moto imitato, ovvero conoscono poche operazioni. Questi però da queste istruzioni di base riescono a risovere anche i cacoi più compessi. Ad esempio eevazione a potenza. [Eaboratori Genera Purpose] Processori CISC (Compex Instruction Set Computer) Sono quei processori che sono ricchi di istruzioni specifiche e dedicate ad uno scopo ben definito. L ata specificità di queste operazioni non consente di poter risovere quasiasi genere di operazione in tempi ridotti. Le prestazioni che si ottengono sono moto eevate per un contesto specifico ma scarse per uno generico. [Eaboratori Specific Purpose] 16 8
I Processore Veocità de Processore MIPS (Miioni di Istruzioni Per Secondo), usata tradizionamente. - Gi attuai processori hanno una veocità di migiaia di MIPS. Con avvento dei persona computer si è diffusa usanza di misurare a veocità di un processore con a frequenza de cock (oroogio). - La frequenza de cock corrisponde a numero di operazioni eementari, eseguibii ne unità di tempo e si misura in Hertz (1Hertz corrisponde ad una operazione a secondo). - Gi attuai processori hanno una frequenza di acuni GHz (eseguono miiardi di operazioni eementari a secondo) La frequenza de cock da soo non è una misura oggettiva dea veocità di eaborazione di un processore perchè dipende anche da atri fattori (unghezza dea paroa di memoria, veocità de bus, etc.) 17 Atre memorie Le memorie Cache Le memorie cache nascono da esigenza di adeguare a veocità dee RAM a quea degi attuai processori, sempre più in aumento. Per evitare che i processore perda tempo ad aspettare i dati daa RAM, si inserisce una cache, che è più veoce ma più piccoa, tra i due per contenere i dati più frequentemente usati. In ta modo, a prima vota che i processore carica i dati daa RAM, tai dati vengono caricati anche sua cache, cosi che e vote successive vengono cercati prima nea cache e poi nea RAM. Se i dati non dovessero essere nea cache vengono caricati. Così facendo nea cache ci sono sempre i dati utiizzati più di recente. 18 9
Atre memorie Le memorie di Massa Sono permanenti (permettono di conservare dati e programmi ne tempo) a differenza dea memoria centrae. Capacità maggiore di quea dea memoria centrae Hanno un basso costo Hanno tempi di accesso più unghi di quei dea memoria centrae Non sempre hanno accesso diretto 19 Caratteristiche dee memorie Criteri di caratterizzazione dee Memorie Veocità di trasferimento - I numero di byte che a memoria è in grado di trasferire ad un atro dispositivo in un secondo (sostanziamente misura a rapidità nee operazioni di ettura/scrittura) Tempo di accesso - I tempo che intercorre fra a richiesta di un operazione di ettura o scrittura e inizio de operazione (atenza). Capacità - Cioè i numero di bit che possono essere memorizzati e sempre espressa in byte. 20 10
Caratteristiche dee memorie Criteri di caratterizzazione dee Memorie Modaità di accesso - Diretta (o casuae) - Sequenziae - Mista Tecnoogia costruttiva - Magnetica - Ottica - Eettronica - Magneto-ottica 21 Caratteristiche dee memorie Tecnoogia dee memorie di massa 22 11
Caratteristiche dee memorie Gerarchia dee memorie viste REGISTRI Memoria ocae CACHE Memoria centrae RAM Memoria di massa DISCHI 23 Architettura di Von Neumann La macchina di Von Neumann 24 12
Bus di Sistema Bus di Sistema I Bus di sistema interconnette a CPU, a memoria principae e e interfacce dee periferiche E costituito da un insieme di connessioni eementari disposte in paraeo, dette inee, ciascuna in grado di trasferire esattamente un bit. Se i bus dispone di n inee si possono trasferire contemporaneamente n bit. 25 Bus di Sistema E organizzato in tre gruppi di inee con specifiche funzioni: - bus dati, bus indirizzi, bus comandi. Ai fini dee prestazioni de eaboratore è importante - che i numero di inee de bus sia adeguata aa unghezza dea paroa di memoria e a quea degi indirizzi dea macchina. - Che a veocità di trasferimento sia adeguata - Gi attuai bus hanno una veocità che va da quache centinaia di MBps a quache GBps. 26 13
Bus di Sistema Modeo de Bus di Sistema Scheda madre (motherboar d) RAM CPU Bus dati Bus indirizzi Bus di controo Interfaccia di I/O Interfacc e di I/O Interfacc e di I/O Schermo Tastiera e mouse Atoparanti Memoria di massa 27 14