Laboratorio di Informatica Architettura di un elaboratore Lezione

Laboratorio di Informatica Architettura di un elaboratore Lezione 1 AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti Architettura di un elaboratore

Le principali componenti • Un elaboratore è composto da 3 componenti principali: • Il microprocessore • La memoria • I dispositivi di Ingresso/Uscita AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 2 Architettura di un elaboratore

Le principali componenti • Le componenti sono interconnesse • Il processore comunica con la memoria • La memoria si interfaccia con le unità periferiche • Le unità periferiche si interfacciano con gli utenti AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 3 Architettura di un elaboratore

Schema dell’architettura Processore AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti Memoria I/O 4 Architettura di un elaboratore

Schema delle interconnessioni • Le componenti sono tra loro interconnesse AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 5 Architettura di un elaboratore

Il processore AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti Architettura di un elaboratore

Il processore • Il processore è composto da due componenti: DATAPATH CONTROLLER AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 7 Architettura di un elaboratore

Il processore • Il datapath o unità di elaborazione • L’insieme dei circuiti che operano e manipolano i dati • Il controller • L’insieme dei circuiti che interpretano un programma e sovraintendono all’esecuzione delle istruzioni da parte delle altre componenti del calcolatore AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 8 Architettura di un elaboratore

Ciclo del processore • Il processore esegue in continuazione il ciclo • preleva-interpreta-esegui Preleva dalla memoria principale la prossima istruzione di un programma preleva esegui interpreta Esegui l’istruzione AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti Decodifica l’istruzione 9 Architettura di un elaboratore

Il linguaggio del processore • Ogni modello di microprocessore ha un proprio linguaggio macchina diverso da quello di altri processori • Ogni modello di microprocessore riconosce solo programmi scritti nel proprio linguaggio macchina • Il linguaggio macchina contiene tutte e sole le operazioni che possono essere eseguite dal microprocessore AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 10 Architettura di un elaboratore

Linguaggio macchina • Un processore con 2 registri R 1 e R 2 • Si debbono sommare i contenuti delle locazioni di memoria var 1 e var 2 e archiviare in tot • L’operazione di somma è possibile solo sui dati archiviati nei registri • • Trasferisci il contentuto di var 1 nel registro R 1 Trasferisci il contentuto di var 2 nel registro R 2 Somma il contenuto dei due registri Trasferisci il risultato nella locazione di memoria tot AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 11 Architettura di un elaboratore

Linguaggio macchina – 2 • È necessario disporre di • Istruzioni per il trasferimento di dati dalla memoria ai registri e viceversa • Istruzioni aritmetiche/logiche • Eventualmente istruzioni di controllo • Esempio: load R 1, var 1 load R 2, var 2 add R 1, r 2 store R 1, tot AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 12 Architettura di un elaboratore

Linguaggio macchina - 3 se a=b allora c: =0 altrimenti c: =a+b load R 1, a load R 2, b sub R 1, R 2 jzero R 1, fine load R 1, a add R 1, R 2 fine: AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti store R 1, c 13 Architettura di un elaboratore

Le operazioni elementari • Ogni istruzione del linguaggio macchina viene eseguita da un microprocessore svolgendo una serie di passi, le operazioni elementari • Il numero di operazioni elementari necessario a portare a compimento un’istruzione in linguaggio macchina è dell’ordine di 7 -10 AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 14 Architettura di un elaboratore

Il ciclo di clock • Ciclo di clock • Parametro caratteristico di un processore è la durata del ciclo di clock • Indica il tempo richiesto dal microprocessore a compiere un’operazione elementare • La frequenza del clock è espressa in MHz (Mega Hertz) ed è l’inverso della durata del ciclo espressa in μs = 10 -6 s AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 15 Architettura di un elaboratore

La velocità dei processori • Dati 2 processori con lo stesso linguaggio macchina, risulterà più veloce quello con frequenza di clock maggiore • Non è possibile dire nulla su processori con linguaggi macchina diversi • Es. Pentium Vs. Power. PC AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 16 Architettura di un elaboratore

Confronto tra processori diversi • Dati i calcolatori A e B con diversi linguaggi macchina • Clock di A è 500 MHz • Clock di B è 400 MHz • Il linguaggio di A richiede l’esecuzione di 10 operazioni elementari per ogni istruzione • Il linguaggio di B ne richiede 6 • Per eseguire un programma di 100 M istruzioni di linguaggio macchina • A impiegherà 2 s = (100 * 106 * 10)/(500 * 10 -6)s • B impiegherà 1, 5 s = (100 * 106 * 6)/(400 * 10 -6)s AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 17 Architettura di un elaboratore

La frequenza • La frequenza di clock non è quindi un indice assoluto per quanto riguarda la bontà di un microprocessore • Attualmente si trovano in commercio microprocessori che operano a frequenze di 1 GHz (1 Giga Hertz) AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 18 Architettura di un elaboratore

Processori • I microprocessori più diffusi, prodotti da case diverse, sono: • • • Intel (x 86) Motorola (68 xxx) IBM (Power. PC) HP (PA-RISC) DEC (Alpha) AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 19 Architettura di un elaboratore

Un processore AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 20 Architettura di un elaboratore

La memoria AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti Architettura di un elaboratore

La memoria • Svolge la funzione di magazzino per i programmi e i dati su cui deve operare il microprocessore • L’informazione digitalizzata viene rappresentata e salvata in memoria sotto forma di numeri binari • Dati e programmi sono memorizzati in unità minime chiamate Byte • Un byte è a sua volta costituito da 8 bit, una sequenza di 8 cifre binarie AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 22 Architettura di un elaboratore

La memoria 0 1 1 0 0 0 1 0 Il significato della stringa di bit dipende dalla codifica se letto come testo, è la lettera b se letto come numero, è il valore 98 AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 23 Architettura di un elaboratore

Rappresentazione binaria • La singola cifra binaria è detta bit (0 o 1) • La scelta è dettata da ragioni di praticità ed economia • Il bit rappresenta due stati • Come una lampadina: accesa (1) o spenta (0) • Combinazioni di bit in sequenze di lunghezza opportuna rappresentano i dati AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 24 Architettura di un elaboratore

Combinazioni di bit 1 bit 0 1 2 bit 00 01 10 11 3 bit 000 001 010 011 100 101 110 111 4 bit 0000 1000 0001 1001 0010 1010 0011 1011 0100 1100 0101 1101 0110 1110 0111 1111 Ogni bit in più raddoppia il numero delle combinazioni possibili AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 25 Architettura di un elaboratore

Combinazioni di bit • Ogni combinazione rappresenta un valore diverso • Ci sono 2 N combinazioni lunghe N bit • Quindi, ci vogliono N bit per rappresentare 2 N valori distinti Quanti valori possiamo rappresentare con AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 1 bit ? 21 = 2 valori 2 bit ? 22 = 4 valori 3 bit ? 23 = 8 valori 4 bit ? 24 = 16 valori 5 bit ? 25 = 32 valori 26 Architettura di un elaboratore

Struttura della memoria 9278 9279 9280 9281 9282 9283 9284 9285 9286 AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti La memoria è organizzata in locazioni di memoria o celle Ogni cella ha un indirizzo numerico, che la identifica univocamente 27 Architettura di un elaboratore

Struttura della memoria - 2 9278 9279 9280 9281 9282 9283 9284 9285 9286 AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti La memoria è organizzata in celle di una data lunghezza (spesso 1 byte di 8 bit) 10011010 Valori grandi possono essere immagazzinati in celle consecutive (2/4/6 byte) 28 Architettura di un elaboratore

Dimensione della memoria • La capacità di immagazzinare informazione in memoria (storage capacity) è indicata dal numero di byte di cui è costituita • La capacità è espressa in diverse unità di misura: unità simbolo numero di byte kilobyte KB 210 = 1024 megabyte MB 220 (> 1 milione) gigabyte GB 230 (> 1 miliardo) terabyte TB 240 (> 1000 miliardi) AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 29 Architettura di un elaboratore

La memoria • Per questioni di costi ed efficienza la memoria di un elaboratore è distribuita su dispositivi hardware diversi, che nel loro insieme costituiscono il sistema memoria dell'elaboratore, più comunemente chiamato gerarchia di memoria AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 30 Architettura di un elaboratore

La memoria • Ai livelli più alti di questa gerarchia sono presenti le memorie più veloci, e quindi più costose. Ai livelli bassi sono presenti le memorie più economiche ma anche più lente • La velocità di una memoria è misurata in base al tempo di accesso speso dal microprocessore AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 31 Architettura di un elaboratore

La memoria • I livelli di memoria generalmente presenti sono • i registri, le cache, la memoria centrale, i dischi. • Una configurazione standard di un PC • 32 registri, 256 Kbyte di cache, 64 -128 MB di memoria centrale e un disco di 16 GB. AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 32 Architettura di un elaboratore

La memoria • I livelli più alti sono più vicini al processore • registri nel datapath • memoria cache sul chip del processore • Il livello intermedio è la memoria centrale • 64 -128 KB, su chip separati • I livelli bassi sono fisicamente lontani • dischi, nastri, CD-ROM AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 33 Architettura di un elaboratore

La memoria AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 34 Architettura di un elaboratore

Legenda della figura • I registri sono nel chip del processore. • La cache di I livello può anch’essa essere nel processore o esterna. • Backing store quando c’è svolge le funzioni di buffer per i dischi. Questa funzione può essere svolta dalla memoria centrale. • I nastri magnetici sono piuttosto in disuso, al loro posto si usano spesso batterie di cdrom. AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 35 Architettura di un elaboratore

Memorie: confronti memorie Tempo di accesso Costo in $ nel 97 SRAM 5 -25 ns 100 -250 DRAM 50 -120 ns 5 -10 Dischi magnetici 10 -20 milioni di ns 0. 10 - 0. 20 SRAM (Static RAM) per le cache di I e II livello DRAM (Dynamic RAM) per la memoria AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 36 Architettura di un elaboratore

La memoria • Esistono due categorie di dispositivi di memoria: • le memorie volatili • le memorie non volatili AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 37 Architettura di un elaboratore

La memoria • Le memorie volatili sono i dispositivi di memoria che perdono il loro contenuto quando viene loro a mancare l'alimentazione elettrica • Le memorie non volatili invece mantengono l'informazione registrata anche in assenza di alimentazione elettrica AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 38 Architettura di un elaboratore

Le memorie volatili • genericamente indicate con il termine RAM (Random Access Memory) • i registri di CPU, le cache e la memoria centrale • sono realizzati rifacendosi alla tecnologia dei circuiti integrati AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 39 Architettura di un elaboratore

Le memorie volatili AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 40 Architettura di un elaboratore

Le memorie non volatili • I dispositivi più diffusi come memoria non volatile, sono i dischi magnetici AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 41 Architettura di un elaboratore

La memoria • A elaboratore spento tutte le informazioni risiedono su disco • All'accensione, le informazioni necessarie al funzionamento vengono trasferite da disco a memoria centrale, sino ai livelli più alti della gerarchia di memoria in funzione del loro utilizzo AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 42 Architettura di un elaboratore

I dispositivi di I/O o periferiche AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti Architettura di un elaboratore

I dispositivi di I/O • Rappresentano l’interfaccia del calcolatore verso il mondo esterno AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 44 Architettura di un elaboratore

I dispositivi di I/O monitor processore tastiera schermi tastiere mouse scanner touch screen Le periferiche di input e output consentono interazione disco rigido memoria principale dischetto AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 45 Architettura di un elaboratore

I dispositivi di input • I dispositivi di input acquisiscono informazioni espresse in un formato consono all’operatore umano • Le traducono in un formato consono all’elaboratore • le trasmettono alle componenti opportune del calcolatore • Es. : mouse, tastiera, scanner, microfono AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 46 Architettura di un elaboratore

I dispositivi di output • I dispositivi di output acquisiscono informazioni dall’elaboratore nel formato di rappresentazione interno • le traducono in un formato consono all’operatore umano • le visualizzano • Es. : video, stampante AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 47 Architettura di un elaboratore

I dispositivi di I/O • Ogni periferica è costituita da 3 componenti: • Una componente visibile, il dispositivo in senso lato detto device • Una componente elettronica di controllo chiamato device controller • Una componente software device driver AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 48 Architettura di un elaboratore

Il controller • Riceve gli ordini dal microprocessore e li impartisce al dispositivo fisico • Risiede su un circuito stampato ed è solitamente esterno all’unità periferica ed all’interno dello chassis • Il collegamento tra il controller e la periferica avviene attraverso opportuni connettori AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 49 Architettura di un elaboratore

Il device driver • Componente sw necessaria per la gestione della periferica • Ogni periferica ha un proprio driver che viene consegnato su un disco all’atto dell’acquisto della periferica • Prima di utilizzare la periferica è necessario installare il driver corrispondente AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 50 Architettura di un elaboratore

I Bus • I controller di tutte le periferiche devono essere collegati al microprocessore per poter prendere ordini dallo stesso • Per svolgere questa funzionalità ogni elaboratore è provvisto di uno o più bus • il bus è un insieme di cavi • il bus fa convergere al microprocessore le informazioni provenienti dai vari controller • paragonabile ad una strada su cui convergono più vie laterali provenienti dai vari controller AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 51 Architettura di un elaboratore

I Bus • Periferiche diverse possono usare tipi di bus diversi, in genere in funzione della velocità di trasmissione dati • I bus più diffusi: • PCI • Generalmente usato sulla scheda madre tra memoria e processore • SCSI • Usato per diversi tipi di periferiche in catena • IDE • Generalmente usati per i dischi • USB • Usato periferiche di I/O AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 52 Architettura di un elaboratore

Monitor • La dimensione fisica di un monitor (17") si misura diagonalmente, come per la TV • I monitor di oggi hanno capacità multimediali • gestiscono testo, grafica, video, graphics, video … • Un monitor ha una risoluzione, che indica il numero di picture elements, detti pixels, che può visualizzare (es: 1280 per 1024) • Una risoluzione alta (più pixels) fornisce immagini più chiare AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 53 Architettura di un elaboratore

Modem • Ci sono strumenti per trasferire dati tra due computer • Molti computer incorporano modem, che consente di trasferire dati sulla linea telefonica • Uno strumento per trasferire dati ha una velocità massima di trasferimento • Un modem può avere una velocità di trasferimento di 56, 000 bits per second (bps) AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 54 Architettura di un elaboratore

Le specifiche del computer • Dare le specifiche di un personal computer, ad esempio: • • • 600 MHz Pentium III Processor 256 MB RAM 16 GB Hard Disk 24 x speed CD ROM Drive 17” Multimedia Video Display con risoluzione 1280 x 1024 56 Kps Modem AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, Rosti 55 Architettura di un elaboratore