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Struttura Hardware del calcolatore - architettura di Von Neumann

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  • A cura del prof. Giuseppe Sportelli <br /> wwww.giuseppesportelli.it <br />

Hardware e software Hardware e software Presentation Transcript

  • Hardware e Software Ogni sistema di elaborazione è dotato di insieme di componenti elettroniche hardware e programmi software.
  • Hardware di base Il calcolatore è costituito da un insieme di componenti elettroniche hardware. Un elaboratore per poter funzionare ha bisogno di tre componenti fondamentali: 1- CPU unità centrale di elaborazione che ha il compito di eseguire programmi (gruppi di istruzioni), trasferire dati, controllare l’intero sistema di elaborazione. 
  • Hardware di base 2- Memoria Centrale Ram che ha il compito di memorizzare le informazioni giusto per il tempo di elaborazione; infatti essa è volatile; 3- Dispositivi di input/output che permettono l’inserimento delle informazioni nel calcolatore da parte dell’utente e la visualizzazione dei risultati dell’elaborazione all’utente. View slide
  • Hardware di base Queste tre classi di dispositivi sono collegati tramite delle linee di collegamento dette bus che sono classificate: in bus dati dove viaggiano le informazioni, bus indirizzi dove viaggiano le posizioni dellle informazioni, bus di controllo dove viaggiano i segnali di controllo che la Cpu invia agli altri dispositivi per iniziare o terminare la comunicazione. View slide
  • Hardware di base Le caratteristiche fondamentali del bus sono: A- Bidirezionale i dati viaggiano in ambo i sensi sul bus stesso; B- E’ condiviso ovvero le linee sono comuni con tutte i dispositivi e quindi la comunicazione simultanea è possibile non più di due dispositivi alla volta.
  • Hardware di Base In base alle caratteristiche il funzionamento del sistema elaborativo deve essere temporizzato; infatti è presente il clock appunto temporizzatore che invia degli impulsi alla CPU per cadenzare le attività da svolgere nel sistema stesso. Su quest’ultimo punto si deve prestare attenzione in quanto gli impulsi di clock sono misurati in cicli temporali.
  • Hardware di base Infatti l’unità di misura è l’Hertz ovvero il numero di operazioni che il sistema svolge in un secondo. Ora per il bus si definisce la velocità di trasferimento espressa in multipli dell’Hertz come il numero di dati che vengono spostati in un secondo. Frequenze caratteristiche del Bus sono 100 Mhz, 133 Mhz, 400 MHz, ecc. Inoltre si definisce la frequenza di funzionamento del processore come il numero delle istruzioni che esso esegue in un secondo. Oggi frequenze caratteristche sono 3 ghz circa 3 miliardi di operazioni per secondo.
  • In generale la frequenza del BUS Fb è pari alla frequenza del clock. La Cpu lavora ad una frequenza maggiore questo perchè le distanze fisiche sulle linee elettriche che devono percorerre i segnali sono molto più piccole. In generale la frequenza di lavoro di una CPU è un multiplo della Fb . Quindi Fcpu =K*FB dal moltiplicatore. Definizione di frequenza di Bus e di Cpu
  • Architettura di una CPU Le prestazioni di una CPU si misura oltre che in base alla frequenza di lavoro, anche sul numero dei byte che essa elabora contemporaneamente. Infatti a parità di frequenza le prestazioni sono superiori per una CPU che lavora con più byte. I processori attuali lavorano con 32/64/128 bit di istruzioni. Alcuni prevedono anche il doppio core come il Dual Core o il Core Duo 2.
  • Hardware di Base In questo schema è rappresentato il Sistema di elaborazione. Le frecce indicano in modo sintetico i tre tipi di bus indirizzi, dati, e controllo.
  • Caratteristiche della Cpu La cpu si è l’unità centrale di elaborazione essa esegue le istruzioni in codice binario, e le tipologie di istruzioni sono varie: 1- istruzioni di spostamento dati; 2- istruzioni logico-matematiche; 3- istruzioni di controllo hardware, e controllo programma; Le prestazioni di una Cpu si misurano con la frequenza di funzionamento della stessa e con il numero di infromazioni elementari che essa può eseguire. Infatti si definisce “word” come l’istruzione elementare che una cpu può eseguire. Poiché i sistemi di elaborazione lavorano binario, l’informazione elementare è rappresentata da un byte (8 bit), quindi le prestazione si misurano oltre che con la frequenza con il numero dei byte che essa elabora in contemporanea. Supponendo che ad esempio si hanno due processori che lavorano a 3ghz e una lavora a 32 bit e l’altra a 64 bit quella a 64 bit lavorerà con prestazioni doppie poiché riesce ad elaborare nell’unità di tempo 8 byte per volta.
  • Caratteristiche della Cpu La cpu è a sua volta formata da: 1- Memoria Cache; 2- Registri 3- Registro istruzioni IR 4- Contatore Programmi PC 5- Alu unità aritmetico logica 6- Cu unità di controllo
  • Caratteristiche Cpu La memoria cache è una memoria interna alla Cpu che serve come raccoglitore temporaneo di informazioni, ovvero la Cpu preleva le istruzioni da eseguire nella memoria cache che di tanto in tanto le preleva in modo autonomo dalla memoria centrale questo riduce il numero di accessi alla memoria Ram velocizzando l’esecuzione.
  • Caratteristiche di una Cpu Registri sono delle piccole memorie dove sono memorizzate le informazioni che il processore deve eseguire, o che contengono i risultati intermedi dell’esecuzione da parte del processore ne sono presenti in numero non inferiore a 8.
  • Registro IR e Registro PC Oltre ai registri dati sono presenti anche dei registri speciali denominati Registri Istruzioni e Registro Contatore Programma. Il registro istruzioni contiene le istruzioni sulla quale in un dato istante la CPU sta operando. Il contatore programma contiene l'indirizzo della prossima istruzione da eseguire. Infatti ad ogni esecuzione il registro PC deve contenere in modo aggiornato sempre l'indirizzo della prossima istruzione.
  • L'unità Aritmetico Logica (ALU) All'ALU è delegato il compito di eseguire le istruzioni di tipo logico matematico. Essa è composta da circuiti combinatori una serie di componenti elettroniche che permettono l'esecuzione delle operazioni, e dal registro di stato che riporta istante per istante le informazioni sullo stato dell'ultima operazione e del suo risultato.
  • Registro di stato Essendo il registro di stato formato da un certo numero di bit a ciascuno di questi è assegnato un compito di rilevare il verificarsi di una situazione durante l'ultima operazione svolta dall'ALU. Essi sono: •Bit di zero (Z) indica se l'ultima operazione ha dato risultato zero •Bit di segno (N) indica se nell'ultima operazione il segno è negativo e positivo •Bit di overflow (O) indica se nell'ultima operaizone si verifica la condizione di overflow. Tale condizione si verifica quando un'operazione fornisce un risultato che non è possibile rappresentare con il numero massimo di bit della rappresentazione numerica. •Bit di parità (P) indica se il numero di cifre poste a “1”, nel numero binario è pari.
  • Unità di controllo Ad essa è delegato il compito di controllare l'inero sistema di elaborazione e di far eseguire le istruzioni del programma. Infatti la CU controlla l'esecuzione del programma attraverso tre fasi svolte in un solo ciclo di clock. Esse sono: Fase di fetch, decode, execute. Nella fase di fetch vengono lette le istruzioni nei registri e vengono scisse in dati e istruzioni. Queste ultime vanno le registro istruzioni. Nella fase di decode viene decodificata l'istruzione da eseguire e deciso se trattasi di un'istruzione da eseguire da parte dell'ALU o da parte della CU. Nella fase di execute viene materialmente eseguita dalle componenti della CPU opportune.
  • Grazie per l'attenzione