16 maggio 2006 - Lezione 4 - L.Int.Ar

Architettura dell’elaboratore
Claudia Raibulet
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ACCOUNT
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Per poter accedere ai computer durante il laboratorio di
informatica e’ richiesto un ACCOUNT
In uno dei laboratori che si trovano in U1, U2, U3… chiedere
un account per poter accedere ai computer dei laboratori
Orario dei laboratori si trova sul sito:
• www.lib.unimib.it

I lab si trovano in:
•
•
•
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U1 – Lab 101 e Lab 111
U2 – Lab 221
U3 – Lab 311
U5 – Lab 521
Nuovo orario laboratorio
TURNO A

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



Lunedi’ 22 maggio 14.00 – 18.00 (4h)
Lunedi’ 29 maggio 14.00 – 18.00 (4h)
Lunedi’ 5 giugno 9.30 – 13.30 (4h)
Venerdi’ 16 giugno 14.00 – 18.00 (4h)
Lunedi’ 19 giugno 9.30 – 13.30 (4h)
Lunedi’ 26 giugno 9.30 – 13.30 (4h)
Nuovo orario laboratorio
TURNO B
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
Martedi’ 23 maggio 14.00-17.00 (3h)
Mercoledi’ 24 maggio 13.30-16.30 (3h)
Lunedi’ 29 maggio 09.30-12.30 (3h)
Lunedi’ 05 giugno 13.30-16.30 (3h)
Venerdi’ 09 giugno 09.30-13.30 (4h)
Venerdi’ 16 giugno 09.30-13.30 (4h)
Venerdi’ 23 giugno 09.30-13.30 (4h)
Struttura funzionale dell’elaboratore

Moduli principali:
Unità di elaborazione
Unità di memoria
Elaborazione
Memorizzazione
canali di comunicazione
Acquisizione-comunicazione di dati
(comunicazione con il
mondo esterno)
Unità di input e unità di output
Scopo: Esecuzione di programmi
Architettura dell’elaboratore
Macchina di Von Neumann

Moduli principali:
• CPU (Central Processing Unit) – il processore, l’unita’ di
elaborazione
o
o
o
o
Unita’ di Controllo (CU)
Unita’ Aritmetico Logica (ALU)
Registri
Clock
• Memoria
o
Tipi di memoria: RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only
Memory), cache, di massa (hard disk)
• Bus di sistema
• Periferiche - Unita’ di I/O
o
Tastiera (input), video (output), stampante (output), lettore ottico (input)
Architettura dell’elaboratore
Collegamento
Bus di sistema
Esecuzione
istruzioni
Unità di
Elaborazione
(CPU)
Memoria
Centrale
(CM)
Memoria di
lavoro
Interfaccia
Periferica P1
Interfaccia
Periferica P2
Memoria di massa,
stampante, terminale…
Architettura dell’elaboratore
Bus di comunicazione (collegano le unità
Bus esterni
funzionali del calcolatore)
Bus interni
video
tastiera
Unità di
controllo
(UC)
Unità aritmetico
logica (ALU)
stampante
Dispositivi di I/O
Registri
Memoria centrale
Celle di memoria
indirizzo delle celle
CPU
Architettura dell’elaboratore
Tra la CPU e la memoria
centrale
Memoria
Memoria cache
Periferiche
contiene la CPU
e i circuiti di controllo
Memoria di massa
La scheda madre





Fa da supporto e connessione a tutte le componenti interne
dell’elaboratore
Contiene dispositivi di controllo delle varie parti
Svolgono anche funzioni audio, video e di rete (specialmente
nei PC di marca)
Sulla scheda madre si
inseriscono come
componenti separati il
microprocessore, la
RAM e le varie schede
di espansione
Si trovano anche i
collegamenti per l’hard
disk e i dischi mobili
CPU

Contiene dispositivi elettronici in grado di acquisire,
interpretare ed eseguire le istruzioni di un programma

Funzioni principali della CPU:
• preleva le istruzioni di un programma dalla memoria
del calcolatore e le esegue
• legge e scrive dati dalla/nella memoria contrale e li
elabora sulla base del programma in fase di esecuzione
• riceve ed invia dati dalle/alle periferiche e li elabora
sulla base del programma in fase di esecuzione
Struttura della CPU (processore)


L’unita’ piu’ complessa del calcolatore
Costituita da:
• Unita’ di controllo
o
o
o
legge le istruzioni dalla memoria
determina il tipo dell’istruzione
genera i segnali di controllo che provocano i trasferimenti o le
collaborazioni necessarie per l’esecuzione dell’istruzione corrente
• Unita’ aritmetico logica
o
Esegue le operazioni aritmetiche e logiche
• Clock
o
Sincronizza le operazioni rispetto ad una data frequenza
• Registri
o
o
o
Elementi di memoria ad alta velocita’
Memorizzano risultati parziali o informazioni necessarie al controllo
Due tipi di registri: generici e di uso specifico
BUS interno
del Processore
CPU
Campi dell’Istruzione
(all’Unità di Controllo)
BUS del
Calcolatore
Indirizzi
32
32
Dati
PC
16
32
Decodificatore
delle
Istruzioni
32
MAR
32
32
32






IR
32
32
PC – program counter
(contatore di programma)
IR – instruction register
(registro delle istruzioni)
Comandi ALU
MAR – memory address (dall’Unità
di Controllo)
register (registro di
Add
Sub
indirizzamento della
1
XOR
memoria)
MDR – memory data register
(registro dati di memoria)
TEMP – temporary register
PSW – program status word
32
MDR
32
32
Y
32
32
A
B
1
ALU
C
32
Riporto in
Ingresso
(dall’Unità di Controllo)
32
R0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
R31
32
Z
32
TEMP
Segnali di controllo del processore
BUS interno
della CPU
porta di scrittura
Campi della
Istruzione
1
Riin
32
32

Ri
32
Read
Write
WMFC
WPFC

1
Riout
Unità di
Controllo
porta di lettura
1
Yin
32
BUS di Controllo
del Calcolatore

Schema logico di
(parte del) processore,
con il flusso di dati e le
relative porte di
lettura/scrittura, con i
segnali di controllo

Yout
1
Y
Clear Y

32
32
Comandi
ALU
Add
Sub
A
B
1
ALU
1
XOR
Carry-in
(riporto in
ingresso)
C
32
1
Zin

Z
32
1
Zout

Elementi base dell’architettura

Transistor
•
•
•
•

Rappresenta l’elemento base degli attuali elaboratori elettronici digitali
E’ di piccole dimensioni
Ha un basso consumo di energia
Alta velocita’ di funzionamento (milioni di operazioni al secondo)
Chip
• Nei chip i transistor sono stampati su fogli di silicio -> in pochi
millimetri quadrati risiedono migliaia/milioni di transistor

Microprocessore
• E’ un circuito (chip) ad altissimo grado di integrazione in cui risiedono
tutte le funzioni tipiche dalle CPU
Memoria

Nella memoria vengono rappresentate e memorizzate le
informazioni:
• dati e istruzioni



Come? In che formato? ->problema della rappresentazione
dell’informazione
Unita’ di informazione: BIT (binary digit)
Perche’ il bit? -> i dispositivi fisici dell’elaboratore lavorano su
segnali elettrici con due valori di tensione significativi: alto e basso
Situazione fisica
Valore di tensione basso
Valore di tensione alto

Rappresentazione logica
0
1
La memoria e’ costituita da elementi bistabili (flip-flop): dispositivi
che possono assumere e conservare stabilmente due soli stati
Memoria




Organizzata in celle
Le celle hanno uguale dimensione e contengono un numero
finito di bit
Ogni cella di memoria e’ caratterizzata da un indirizzo e da un
contenuto (valore in essa memorizzato); il contenuto e’ una
sequenza di bit
Osservazione: anche l’indirizzo delle celle di memoria e’
rappresentato mediante una sequenza di bit
0 1 0 0 1 1 0 1
Contenuto di una cella di memoria (parola)
(la cella ha in questo caso lunghezza 8 bit)
Memoria



1 bit – possibili valori: 0 oppure 1
Insieme di 8 bit = 1 BYTE (binary term)
La dimensione della memoria si misura in byte:
• 1 KiloByte (KB) = 1024 byte = 210 byte
• 1 MegaByte (MB) = 1024 KB = 220 byte
• 1 GigaByte (GB) = 1024 MB = 230 byte



L’unita’ minima di memoria che puo’ essere
singolarmente indirizzata e’ detta parola di memoria
Le distinte sequenze di bit di lunghezza n sono 2n
Domanda: perche’ la dimensione della memoria e
data in byte e non in parole di memoria?
RAM e ROM

RAM – Random Access Memory
• Si puo’ leggere e scrivere
• Volatile -> le informazioni rimangono memorizzate fintanto che la
memoria e’ “alimentata” -> a causa di un arresto di corrente le
informazioni contenute nella RAM vengono perse

ROM - Read Only Memory
• Si puo’ solo leggere (la scrittura delle informazioni avviene una tantum)
• Non e’ volatile
• Contiene informazioni di base utilizzate all’accesnsione della macchina
(in programma con le prime istruzioni che la CPU deve eseguire)



EPROM – Programmable ROM (si puo’ programmare una sola
volta)
EPROM – Erasable PROM (e’ cancellabile, si puo’
riprogrammare)
EEPROM – Electrically Erasable PROM (riprogrammabile
elettricamente)
Memoria cache





Sono memorie ad accesso veloce poste tra la RAM e
la CPU (di solito si trovano sullo stesso chip della
CPU)
Sono di accesso molto veloce ma sono costose -> se
ne usano poche e di picole dimensioni
Il loro uso e’ combinato a quello della memoria
centrale
Utilita’ durante l’esecuzione di programmi (per
ridurre i tempi di accesso ai dati)
Osservazione: le memorie cache risiedono anche su
alcune periferiche (per esempio stampanti)
Esecuzione delle istruzioni

3 fasi principali:
• FETCH
o Preleva dalla memoria l’istruzione il cui indirizzo e’ nel
registro PC e la memorizza nel registro IR
o Incrementa il registro PC che cosi contiene l’indirizzo
della prossima istruzione
• DECODE
o Determina il tipo dell’istruzione attiva
o Se e’ necessario un dato allora determina il suo indirizzo
• EXECUTE
o Se necessario mette il dato in un registro
o Esegue l’istruzione
o Torno al primo punto di fetch per eseguire l’istruzione
successiva
Esecuzione di un programma