questo link - I blog di Unica

28/03/17
Università degli Studi di Cagliari
Facoltà di Scienze
Corso di Laurea in Matematica
Corso di Elementi di Informatica
Lezione 5
28 marzo 2017
Dott. Paolo Garau
A.A. 2016/2017
[email protected]
1
Paolo Garau
Schema Funzionale dell’elaboratore
Schema dell’elaboratore
CPU
Memoria
Secondaria
Periferiche
collegate
Interfaccia I/O
Interfaccia I/O
Memoria
Centrale
BUS di Connessione
Paolo Garau
2
1
28/03/17
Schema Funzionale dell’elaboratore
Schema funzionale dell’elaboratore
Unità di
Elaborazione
(CPU)
2
1
Input (Dati in
Ingresso)
3
4
Memoria
Centrale
Output (Dati
in Uscita)
Quando noi utilizziamo un elaboratore e facciamo un input andiamo a
scrivere direttamente sulla memoria o ci serviamo di qualche altro
apparecchio?
E quando facciamo un output andiamo a leggere direttamente dalla
memoria?
3
Paolo Garau
Rappresentazione delle informazioni
Unità di
Elaborazione
(CPU)
3
4
Memoria
Centrale
Input (Dati in
Ingresso)
Paolo Garau
1
2
5
Periferiche
di Input
Periferiche
di Output
6
Output (Dati
in Uscita)
4
2
28/03/17
Schema Funzionale dell’elaboratore
L’elaboratore
Ø La memoria centrale (RAM)
-
contiene
le
istruzioni
e
i
dati
che
devono
essere
rispettivamente eseguite ed elaborati dal processore, oltre ai
risultati ottenuti dall’esecuzione di ogni singola istruzione.
Ø Il processore
-
esegue le istruzioni, elabora i dati dopo averli prelevati dalla
memoria e trasferisce i risultati ottenuti dall’esecuzione
dell’istruzione nella memoria.
5
Paolo Garau
La memoria Centrale
La memoria Centrale (RAM)
l
La memoria centrale può essere
intesa come una successione
ordinata di bit.
l
I
bit
della
memoria
sono
raggruppati in celle o locazioni di
memoria di lunghezza fissa
(solitamente
1
byte),
ognuna
identificata in modo univoco da
un indirizzo.
Paolo Garau
6
3
28/03/17
La memoria Centrale
Ø Le celle di memoria sono raggruppate in parole (word) di uguale
lunghezza.
• il numero di bit che costituisce la parola viene detto lunghezza
di parola (oggi 32/64 bit per PC e 128 bit per calcolatori più
potenti).
Ø La lunghezza della parola di memoria è un elemento fondamentale
della memoria centrale e di tutto il calcolatore (corrisponde al
numero di bit che la CPU può trattare simultaneamente)
7
Paolo Garau
La memoria Centrale
WORD a 16bit
Paolo Garau
8
4
28/03/17
Diversi tipi di Memorie
Distinzione dei diversi tipi di memorie
l
La memoria centrale è costituita principalmente dalla memoria RAM
che contiene temporaneamente i dati da eseguire o porzioni di
programma.
-
RAM (Random Access Memory)
• La memoria ROM contiene il firmware
-
ROM (Read Only Memory)
9
Paolo Garau
Diversi tipi di memorie
Distinzione dei diversi tipi di memorie
La RAM (Random Access Memory) contiene le istruzioni e i dati dei
programmi in esecuzione
-
Paolo Garau
Costituisce la quasi totalità della memoria centrale
Memoria di lettura/scrittura
Volatile
Accesso diretto alle informazioni memorizzate.
Veloce (tempo di accesso costante e molto basso 60-70 ns, dove
1 ns=10-9 s)
Capacità limitata (qualche Gbyte)
Molto costosa ($)
10
5
28/03/17
Diversi tipi di memorie
La ROM (Read Only Memory) è la memoria che contiene tutti
programmi necessari all’avviamento del sistema di calcolo (bootstrap)
-
Memoria di sola lettura
-
Permanente
-
Capacità molto limitata (dell’ordine delle centinaia di Kbyte)
-
Tra i principali programmi presenti nella ROM ricordiamo il
BIOS che consente il caricamento del Sistema Operativo dal
disco. Questo tipo di software viene chiamato firmware perché
consente di mettere in comunicazione l’hardware con il software
di livello superiore.
11
Paolo Garau
Il Processore
Il processore CPU (Central Processing Unit)
E’ formato da due unità
Paolo Garau
-
Unità logico-aritmetica (ALU Aritmetic Logic Unit)
-
Unità di controllo (CU Control Unit)
12
6
28/03/17
Il Processore
Unità logico-aritmetica (ALU)
l
Costituita da circuiti in grado di eseguire le operazioni logiche (>,<, =, etc…)
e aritmetiche (+,-,*,/, etc…).
Unità di controllo (CU)
Preleva l’istruzione da eseguire dalla memoria e la porta al suo interno (fase di
prelevamento o fetching).
l Analizza l’istruzione per determinare l’operazione da eseguire e gli eventuali
operandi (fase di decodifica).
l Comanda l’unità preposta ed esegue le istruzioni attivando i circuiti (fase di
esecuzione).
l Terminata l’ultima fase l’unità di controllo riprende dalla prima fase in
maniera ciclica.
l
13
Paolo Garau
Il Processore
Dettaglio del ciclo del Processore
1) Dati ed istruzioni stanno nella
memoria RAM.
2) Si prelevano le istruzioni dalla
memoria RAM per essere decodificate
in operazioni da svolgere.
3) Il risultato della decodifica viene
salvato nei registri delle istruzioni.
4) Si prelevano i dati da elaborare dalla
memoria che vengono poi caricati nei
registri dei dati della CPU.
5) La ALU prende dai registri le
istruzioni e i dati, e gli elabora.
6) Il risultato viene rimesso nei registri o
nella memoria.
7) Dai registri vengono letti i risultati per
che verranno poi caricati in memoria.
Paolo Garau
14
7
28/03/17
Il Processore
I registri della CPU
Nello svolgimento delle proprie attività le unità dell’elaboratore
si servono dei registri:
-
piccole memorie di supporto temporanee per contenere dati,
istruzioni o indirizzi di memoria;
-
memorie volatili di limitatissima capacità ma con un tempo di
accesso estremamente basso;
-
velocità di lettura/scrittura superore della memoria RAM.
Paolo Garau
15
Il Processore
Due tipologie di processori
Esistono due grandi famiglie di processori
Processori RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Sono dei processori che hanno un Instruction Set molto limitato, ovvero
conoscono poche operazioni. Questi però da queste istruzioni di base
riescono a risolvere anche i calcoli più complessi. Ad esempio
l’elevazione a potenza. [Elaboratori General Purpose]
Processori CISC (Complex Instruction Set Computer)
Sono quei processori che sono ricchi di istruzioni specifiche e dedicate ad
uno scopo ben definito. L’alta specificità di queste operazioni non
consente di poter risolvere qualsiasi genere di operazione in tempi ridotti.
Le prestazioni che si ottengono sono molto elevate per un contesto
specifico ma scarse per uno generico. [Elaboratori Specific Purpose]
Paolo Garau
16
8
28/03/17
Il Processore
Velocità del Processore
MIPS (Milioni di Istruzioni Per Secondo), usata tradizionalmente.
-
l
Con l’avvento dei personal computer si è diffusa l’usanza di misurare
la velocità di un processore con la frequenza del clock (orologio).
-
-
l
Gli attuali processori hanno una velocità di migliaia di MIPS.
La frequenza del clock corrisponde al numero di operazioni
elementari, eseguibili nell’unità di tempo e si misura in Hertz
(1Hertz corrisponde ad una operazione al secondo).
Gli attuali processori hanno una frequenza di alcuni GHz
(eseguono miliardi di operazioni elementari al secondo)
La frequenza del clock da solo non è una misura oggettiva della
velocità di elaborazione di un processore perchè dipende anche da
altri fattori (lunghezza della parola di memoria, velocità del bus, etc.)
Paolo Garau
17
Altre memorie
Le memorie Cache
l
Le memorie cache nascono dall’esigenza di adeguare la velocità delle
RAM a quella degli attuali processori, sempre più in aumento.
l
Per evitare che il processore perda tempo ad aspettare i dati dalla
RAM, si inserisce una cache, che è più veloce ma più piccola, tra i due
per contenere i dati più frequentemente usati.
l
In tal modo, la prima volta che il processore carica i dati dalla RAM,
tali dati vengono caricati anche sulla cache, cosi che le volte
successive vengono cercati prima nella cache e poi nella RAM. Se i
dati non dovessero essere nella cache vengono caricati. Così facendo
nella cache ci sono sempre i dati utilizzati più di recente.
Paolo Garau
18
9
28/03/17
Altre memorie
Le memorie di Massa
• Sono permanenti (permettono di conservare dati e
programmi nel tempo) a differenza della memoria centrale.
• Capacità maggiore di quella della memoria centrale
• Hanno un basso costo
• Hanno tempi di accesso più lunghi di quelli della memoria
centrale
• Non sempre hanno accesso diretto
19
Paolo Garau
Caratteristiche delle memorie
Criteri di caratterizzazione delle Memorie
l
Velocità di trasferimento
-
l
Tempo di accesso
-
l
Il numero di byte che la memoria è in grado di trasferire ad un
altro dispositivo in un secondo (sostanzialmente misura la
rapidità nelle operazioni di lettura/scrittura)
Il tempo che intercorre fra la richiesta di un’operazione di lettura
o scrittura e l’inizio dell’operazione (latenza).
Capacità
-
Paolo Garau
Cioè il numero di bit che possono essere memorizzati e sempre
espressa in byte.
20
10
28/03/17
Caratteristiche delle memorie
Criteri di caratterizzazione delle Memorie
l
Modalità di accesso
-
l
Diretta (o casuale)
Sequenziale
Mista
Tecnologia costruttiva
-
Magnetica
Ottica
Elettronica
Magneto-ottica
Paolo Garau
21
Caratteristiche delle memorie
Tecnologia delle memorie di massa
Paolo Garau
22
11
28/03/17
Caratteristiche delle memorie
Gerarchia delle memorie viste
REGISTRI
Memoria locale
Memoria centrale
CACHE
RAM
Memoria di massa
Paolo Garau
DISCHI
23
Architettura di Von Neumann
La macchina di Von Neumann
Paolo Garau
24
12
28/03/17
Bus di Sistema
Bus di Sistema
l
Il Bus di sistema interconnette la CPU, la memoria principale e
le interfacce delle periferiche
l
E’ costituito da un insieme di connessioni elementari disposte in
parallelo, dette linee, ciascuna in grado di trasferire
esattamente un bit.
l
Se
il
bus
dispone
di
n
linee
si
possono
trasferire
contemporaneamente n bit.
25
Paolo Garau
Bus di Sistema
l
E’ organizzato in tre gruppi di linee con specifiche funzioni:
-
l
bus dati, bus indirizzi, bus comandi.
Ai fini delle prestazioni dell’elaboratore è importante
-
che il numero di linee del bus sia adeguata alla lunghezza della
parola di memoria e a quella degli indirizzi della macchina.
-
Che la velocità di trasferimento sia adeguata
-
Gli attuali bus hanno una velocità che va da qualche
centinaia di MBps a qualche GBps.
Paolo Garau
26
13
28/03/17
Bus di Sistema
Modello del Bus di Sistema
Scheda
madre
(motherboar
d)
RAM
CPU
Bus dati
Bus
indirizzi
Bus di
controllo
Interfacc
e di I/O
Interfaccia di
I/O
Schermo
Paolo Garau
Tastiera e
mouse
Altoparlanti
Interfacc
e di I/O
Memoria di massa
27
14