20090213 Cattaneo Architettura Degli Elaboratori P1
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Prima lezione di informatica del master in cosmetologia della facoltà di farmacia dell'Università di Salerno

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    20090213 Cattaneo Architettura Degli Elaboratori P1 20090213 Cattaneo Architettura Degli Elaboratori P1 Presentation Transcript

    • Informatica per i corsi di laurea di altre Facoltà Architettura degli elaboratori (Parte 1) Prof. Giuseppe Cattaneo Mail: cattaneo@dia.unisa.it msn: Skype:
    • Premessa
      • Parlare di Architetture degli elaboratori significa prevedere investimenti a lungo termine
      • Quindi … cercare di prevedere il futuro
    • Ma non è facile prevedere il futuro “ With teletype interface and the Fortran language, the computer will be easy to use” ?!?!?!?
    • Soprattutto se ci sono grandi novità …
      • Gli americani hanno bisogno del telefono; noi no . Abbiamo fattorini in abbondanza.
      • Sir William Preece, ingegnere capo Poste Britanniche, 1876
      Questo cosiddetto 'telefono' ha troppi difetti per poterlo considerare seriamente come mezzo di comunicazione. Il dispositivo è intrinsecamente privo di valore , per quel che ci riguarda. Western Union Internal Memo, 1876
    • … E qualche previsione può andare storta
      • “ Almost all of the many predictions now being made about 1996 hinge on the Internet's continuing exponential growth. But I predict the Internet, which only just recently got this section here in Infoworld, will soon go spectacularly supernova and in 1996 catastrophically collapse.”
      • "Internet... ben presto esploderà in modo spettacolare, come una supernova, e nel 1996 collasserà catastroficamente.“
      Fonte: Robert Metcalfe, fondatore della 3Com, inventore dello standard Ethernet per le reti informatiche locali un suo articolo per la rivista Infoworld di dicembre 1995. La frase è l'inizio dell'articolo.
    • Architettura di un calcolatore elettronico
      • Per architettura di un calcolatore elettronico si intende:
        • l'insieme delle principali unità funzionali di un calcolatore
        • il modo in cui queste interagiscono
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Architettura di un calcolatore elettronico Architettura degli elaboratori (Parte 1) ENIAC Personal Computer
      • Hardware
        • Componenti fisici del sistema
      • Software
        • Programmi che vengono eseguiti dal sistema
      • Firmware
        • Microprogrammi scritti sulle memorie permanenti del calcolatore direttamente dai costruttori
      Architettura dei sistemi informatici Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Gerarchia delle astrazioni Architettura degli elaboratori (Parte 1) Programma applicativo Linguaggio di programmazione Linguaggio assemblativo Sistema Operativo Linguaggio Macchina Microprogramma Logica Digitale
    • Modello di Von Neumann
      • L'architettura della Macchina di Von Neumann comprende le seguenti unità funzionali:
        • il processore o unità centrale di elaborazione (CPU - Central Processing Unit)
        • la memoria centrale (RAM)
        • le memorie di massa (dischi)
        • le unità periferiche (di I/O)
        • il bus di sistema
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) L'architettura della maggior parte dei calcolatori elettronici è organizzata secondo il modello di Von Neumann, scienziato ungaro-statunitense che si dedicò (1945) allo studio e alla realizzazione del primo calcolatore (basato su programma memorizzato)
    • Architettura degli elaboratori (Parte 1) I/O NOTA : Alcuni testi riportano la memoria di massa come unità periferica, altri come componente base del modello
    • Funzionamento sequenziale del modello di Von Neumann Architettura degli elaboratori (Parte 1) ris = f(op) OUT(op) CPU Memoria Periferiche di I/O bus istruzione 1 istruzione 2 istruzione 3 … istruzione n dato 1 dato 2 dato 3 … dato m op ris
    • Elementi del modello di Von Neumann: CPU
      • L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte del sistema che contiene i dispositivi elettronici necessari al funzionamento della macchina
      • La CPU esegue i programmi che risiedono nella memoria centrale
        • prelevando
        • decodificando
        • eseguendo
      • le istruzioni in essa contenuti e coordinando il trasferimento dei dati tra le varie unità funzionali
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: CPU Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: CPU
      • La CPU è composta da:
        • una unità di controllo CU - Control Unit che interpreta e attiva le risorse necessarie all’esecuzione delle istruzioni
        • una unità aritmetico-logica ALU - Arithmetic and Logic Unit che effettua i calcoli aritmetici e logici presenti nelle istruzioni (aritmetiche e logiche) del programma
        • alcuni dispositivi di memoria detti registri
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: CPU
      • Un registro è un dispositivo elettronico per memorizzare i dati
      • Dal punto di vista tecnologico un registro è un insieme di n elementi fisici bistabili , detti bit
      • Un registro formato da n bit è in grado di assumere 2 n configurazioni di stato diverse
      • Ciascun bit ha due configurazioni stabili possibili, a cui per convenzione vengono associati i simboli 0 e 1
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) Registri n=6, il numero delle configurazioni è 64
    • Approfondimenti: Bit
      • Bit (Binary Digit) cifra binaria che può assumere solo i valori 0 e 1
      • Byte (B) un gruppo contiguo di 8 bit (es. 11001010)
      • NIBBLE = 4 bit (es. 0110)
      • WORD = 16 bit / 32 bit / 64 bit (dipende dall’architettura del calcolatore)
      • KB (chilo) = 2 10 = 1024
      • MB (mega) = 2 10 KB = 220 = 1048576
      • GB (giga) = 2 10 MB = 230 = 1073741824
      • TB (tera) = 2 10 GB = 240 = 1.099 1012
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: CPU
      • Lo stato del registro, ossia la configurazione dei suoi bit, rappresenta l'informazione che vi è memorizzata e tale informazione viene conservata fino a quando non la si altera
      • Un registro quindi ha una capacità di memorizzare informazioni che è funzione del numero degli elementi di cui si compone
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) Registri Registro n=1 2 1 = 2 configurazioni {0, 1} Registro n=2, 2 2 = 4 configurazioni {00, 01, 10, 11} Registro n=3 2 3 = 8 configurazioni {000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111}
    • Elementi del modello di Von Neumann: CPU
      • I registri fondamentali all’interno della CPU sono:
        • I registri generali R1, R2, …, Rn
        • il registro degli indirizzi di memoria Memory Address Register (MAR)
        • il registro dei dati di memoria Memory Data Register (MDR)
        • il contatore di programma Program Counter (PC)
        • il registro della istruzione corrente Instruction Register (IR)
        • il registro di stato Program Status Register (PSR)
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) Registri
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • Insieme di dispositivi aventi la funzione di memorizzare (mantenere nel tempo) programmi e dati
      • Per eseguire in modo efficiente i programmi, la memoria dovrebbe essere:
        • molto veloce
        • molto capiente (dimensioni sufficienti a contenere un programma e tutti i suoi dati)
        • permanente (in grado di mantenere il suo contenuto anche quando non vi e’ alimentazione elettrica)
      • Queste caratteristiche NON sono facilmente conciliabili in sistemi come i PC dove occorre contenere i costi
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) Memoria
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • In un sistema di elaborazione ci sono sempre due tipi di memoria:
        • la memoria centrale, interna al calcolatore, direttamente accessibile dalla CPU realizzata da componenti a semiconduttore
        • la memoria secondaria o di massa, esterna al calcolatore realizzata da componenti magnetici o ottici(dischi, nastri)
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) Memoria Cache Memoria Primaria Memoria Secondaria Memoria di Archiviazione C.P.U. Memorie in linea Memorie fuori linea R.A.M. R.O.M. Disco Fisso floppy CDROM nastri DVD etc… Memoria
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • La memoria centrale è una parte del sistema di memoria illustrato precedentemente e rappresenta la memoria interna al calcolatore direttamente accessibile dalla CPU
      • La memoria centrale mantiene:
        • i programmi
        • i dati necessari all'esecuzione dei programmi
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • E’ un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali dimensioni
      • Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1)
      • Ogni locazione è caratterizzata da un indirizzo e dal contenuto
      • L’indirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo zero
      • Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata (parola di memoria - WORD)
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • La memoria centrale è caratterizzata:
        • Dalla lunghezza di una parola di memoria che può variare da calcolatore a calcolatore, ma comunque è un multiplo del byte (es. 8,16,32,64 bit)
        • Dalla capacità ovvero dal numero totale di locazioni di memoria capacità della memoria si misura in byte o in multipli del byte.
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • Alla memoria centrale si accede per effettuare operazioni di lettura o scrittura
      • Ciascuna locazione di memoria può essere selezionata specificando il suo indirizzo nel registro degli indirizzi (MAR, Memory Address Register)
      • L'indirizzamento di una locazione di memoria consiste nel selezionare elettricamente la locazione relativa all'indirizzo specificato
      • Se il (MAR) registro degli indirizzi ha k bit può indirizzare 2 k celle di memoria i cui indirizzi variano da 0 a 2 k -1
      • Con un MAR di 10 bit si possono indirizzare 2 10 ovvero 1024 locazioni di memoria
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale Architettura degli elaboratori (Parte 1) 0 1 2 3 4 5 6 7 indirizzo 4 contenuto MAR a 3 bit MDR a 8 bit
      • Memoria con:
        • 2 3 =8 locazioni di 8 bit
        • Capacità = 8*8 = 64 bit
      0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti viene anche detta memoria RAM (Random Access Memory)
      • La RAM è volatile ovvero in assenza di alimentazione elettrica perde il suo contenuto
      • Quando si spegne il computer, tutto quello che è stato caricato nella memoria RAM viene cancellato
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale
      • Una porzione di memoria centrale, identificata con il termine ROM (Read Only Memory) è riservata solo per operazioni di lettura
      • La ROM è realizzata con diversa tecnologia e viene usate dai costruttori per memorizzare in modo permanente informazioni necessarie per l’avviamento del sistema (firmware)
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Approfondimenti: ROM
      • Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM:
        • Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo tipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultravioletti
        • Le PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabili
        • Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM cancellabili e programmabili
      • Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello contenuto nella RAM viene chiamato firmware
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Approfondimenti: Firmware
      • Fa parte del firmware, ad esempio, il BIOS , cioè quel gruppo di istruzioni che consente:
        • ai diversi processori di attivarsi al momento dell’accensione del computer
        • di effettuare un auto-test di funzionamento
        • di caricare nella RAM il sistema operativo, presente sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sistema
      Architettura degli elaboratori (Parte 1)
    • Elementi del modello di Von Neumann: Bus
      • Il bus di sistema è l’insieme di linee o circuiti, impiegati per il trasferimento di dati tra le componenti di un sistema informatico
      • Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di informazione:
        • dati
        • indirizzi
        • segnali di controllo
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) Definizione generale
    • Elementi del modello di Von Neumann: Bus
      • Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il diretto controllo della CPU, collega le varie unità funzionali della macchina di Von Neumann
      • La CPU, tramite i suoi organi, permette di collegare solo due unità funzionali alla volta:
        • una che trasmette dati
        • una che riceve
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) All’interno del modello di Von Neumann
    • Elementi del modello di Von Neumann: Bus
      • Il bus degli indirizzi, connesso al MAR, ha tanti conduttori quanti sono i bit di un indirizzo (pari quindi alla dimensione del MAR)
      • Questo numero in genere è il logaritmo in base due dello spazio di indirizzamento, ovvero del numero di locazioni di memoria complessivamente indirizzabili
      • Il bus dei dati, connesso al registro MDR ha un numero di conduttori pari alla dimensione di una locazione di memoria, lo stesso numero quindi corrisponde anche alla lunghezza del registro MDR
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) Alcune specifiche
    • Unità di elaborazione (CPU)
      • Parte operativa: blocchi funzionali interconnessi dal bus di sistema
      • Unità di controllo: attiva i circuiti della parte operativa
      • Funzionamento sincrono (clock)
      Architettura degli elaboratori (Parte 1) parte operativa parte controllo clock dati/istruzioni indirizzi controlli comandi istruzioni/flag
    • Una implementazione del modello… Architettura degli elaboratori (Parte 1) Motherboard