HSA
HARDWARE SYSTEM ARCHITECTURE
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L. Borrelli
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Livelli
CIC 4:
MOV CL,TOTALE
XOR BX,BX
XOR AX,AX
MOV AL,STRINGA[BX]
INC BX
LOOP CIC 4
Livello assemblativo
Livello di
Sistema Operativo
011110010 01110001 10000010
110000010 00101001 10010010
Livello di
linguaggio macchina
Livello di
microprogrammazione
ISA
HSA
Livello hardware
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1
Architettura
• Architettura Æ progetto dello
(organizzazione) di un elaboratore:
– Set di istruzioni
– Componenti HW
schema
funzionale
• Due parti essenziali:
– Instruction Set Architecture (ISA): definizione del
set di istruzioni a livello di linguaggio macchina.
– Hardware System Architecture (HSA): definizione
del progetto logico delle parti (sottosistemi) HW e
della organizzazione del flusso di dati tra tali
sottosistemi.
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ISA e HSA
ISA
HSA
Specifica un elaboratore
dal punto di vista del
programmatore
Specifica l’organizzazione
dei sottosistemi
hardware
Determina le caratteristiche
“computazionali”
dell’elaboratore
Determina le caratteristiche
“strutturali” dell’elaboratore
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HSA
• Riguarda i maggiori
sottosistemi hardware
di un elaboratore:
– CPU
– Memoria
– Sistemi di I/O
• Include il progetto
logico e
l‘organizzazione del
flusso di dati tra tali
sottosistemi.
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Input
ALU
Memoria
Output
Sistemi
di I/O
Controllo
CPU
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Sottosistemi
• Sottosistema : insieme di dispositivi digitali.
• Dispositivo digitale: insieme di blocchi logici
di base.
Realizzazione di una funzione logica
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3
Il livello logico digitale
(Livello Hardware)
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Dispositivi digitali
• Le informazioni sono rappresentate ed elaborate
da dispositivi elettronici, detti reti logiche.
• Le porte logiche costituiscono gli elementi di
base di tutti i dispositivi digitali.
• Le porte logiche si basano sul funzionamento del
transistor come interruttore binario veloce.
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Porte logiche
• Le porte logiche implementano gli operatori dell’ algebra
di Boole, algebra a due valori (0,1).
Strumento matematico per l’analisi e il
progetto dei sistemi digitali
• Una porta logica può assumere due valori:
– Livello logico alto H (High)
– Livello logico basso L (Low)
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Funzioni logiche
• Una funzione logica o booleana di n variabili ha solo 2n
possibili combinazioni di valori di input.
• Una funzione booleana può essere descritta mediante una
Tavola di verità.
– tabella di 2n righe
– Ogni riga definisce il valore della funzione per una diversa
combinazione dei valori delle variabili di ingresso.
L’algebra ordinaria ha un infinito numero di funzioni di n
variabili, nessuna delle quali può essere descritta da una
tabella (sono infiniti i valori possibili per le variabili di input)
input)
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Porte logiche di base
• Implementano le operazioni fondamentali dell’algebra
di Boole:
Boole: Not,
Not, Or, And, Nor,
Nor, Nand.
Nand.
1) Negazione o Porta NOT
A
0
1
B
2) Somma logica o Porta OR
A
B
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A B
B= A
C
C = A+ B
1
0
A B
C
0
0
1
1
0
1
1
1
0
1
0
1
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Porte logiche di base
3) Prodotto logico o Porta AND
A
B
C
4) Not Or o Porta NOR
A
B
C
C = A• B
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C
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C
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
A B
C
_______ 0
C = A + B 01
1
5) Not And o Porta NAND
A
B
A B
______
C = A• B
0
1
0
1
1
0
0
0
A B
C
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
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6
Funzioni Logiche
• Se una funzione è descritta dalla tavola di verità, si
possono
desumere
due
diverse
espressioni
algebriche, dette forme canoniche:
– Somma di prodotti
– Prodotto di somme
• Somma (OR) di prodotti (AND) :
– Ogni riga della tavola di verità in cui la funzione assume il
valore 1 è espressa come AND delle variabili di input,
negate se il valore della variabile è 0 e non negate se il
valore è 1
– Le uscite degli AND sono ingressi di un OR la cui uscita
rappresenta il valore della variabile di output della funzione.
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Reti logiche
• Le reti logiche implementano le funzioni logiche: sono
realizzate utilizzando le porte logiche in opportune
combinazioni.
• Reti logiche combinatorie: le uscite sono determinate dai
valori attuali degli ingressi.
– Decodificatori, comparatori, sommatori, …
• Reti logiche sequenziali: le uscite sono determinate dai
valori attuali degli ingressi e dai valori delle uscite in
istanti precedenti.
– registri, memorie RAM, ROM……
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Organizzazione della CPU
• La organizzazione dei
sottosistemi hardware
permette alla CPU di effettuare le sue funzioni
principali:
– Prelevare istruzioni dalla memoria principale (fase
di fetch);
– Eseguire le istruzioni (fase di execute).
• Diverse organizzazioni per migliorare le prestazioni.
• Organizzazione Î percorso dei dati all’interno della
CPU.
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Struttura della CPU
Unità di controllo
IR
PSW
Registro
PC
MAR
ALU
Registro
…
MDR
Registro
Memoria Cache
Memoria
Programma
S.O.
dati
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Registri della CPU
• Numero limitato di registri operazionali e alcuni registri
dedicati :
– PC (Program Counter) : contiene l’indirizzo della prossima
istruzione da eseguire;
– IR (Instruction Register): contiene l’istruzione che deve
essere eseguita;
– MAR (Memory Address Register): contiene l’indirizzo
della cella di memoria usata per lettura o scrittura di un
dato;
– MDR ( Memory Data Register): contiene il dato che è
stato letto o che deve essere scritto nella locazione
indirizzata dal MAR;
– PWS (Program Word Status): contiene informazioni,
opportunamente codificate, circa l’esito dell’esecuzione
dell’ultima istruzione;
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Unità di controllo
• Compito fondamentale dell’unità di controllo è quello di
generare e controllare la sequenza di operazioni
necessarie per effettuare ogni “ciclo di istruzione”.
• Dispositivo in grado di “interpretare” ogni istruzione
in linguaggio macchina tramite una sequenza di
“azioni” elementari direttamente eseguite dall’HW e
di generare nella giusta sequenza i segnali di
controllo.
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Fetch (1)
istruzione
Fase
decode
Calcola l’indirizzo della (2)
prossima istruzione
Decodifica (3)
l’istruzione
Esegui (6)
istruzione
Calcola l’indirizzo (7)
del risultato
Operandi
multipli
Fetch (5)
operando
Memorizza (8)
il risultato
Fase
execute
Calcola l’indirizzo (4)
dell’operando
Fase
fetch
Ciclo d’istruzione
Istruzione completata, estrai la prossima istruzione
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Unità di controllo cablata
• Unità di controllo realizzata in hardware
– Dispositivi logici in grado di generare la sequenza
di segnali di controllo necessari per prelevare ed
eseguire ogni istruzione in linguaggio macchina.
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
macchine con unità di controllo cablata, ossia
con HSA implementata dal solo livello hardware
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Unità di controllo microprogrammata
• Ciclo di istruzione : carattere procedurale della fase di
fetch e di execute.
• Unità di controllo : macchina in grado di interpretare
ogni istruzione in linguaggio macchina.
• Macchina : modello di Von Neuman applicato ad una
architettura di livello inferiore.
CISC (Complex Instruction Set Computer)
macchine con unità di controllo microprogrammata, ossia
con HSA implementata dal livello hardware e dal livello di
microprogrammazione
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