Fondamenti

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PARMA
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale
Fondamenti di Informatica
Funzionamento dei
calcolatori elettronici
Prof. Michele Amoretti
Fondamenti di Informatica
a.a. 2008/2009
Architettura dei calcolatori elettronici
Prof. M. Amoretti
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Fondamenti di Informatica
Sommario

Descrizione a livello logico dei calcolatori

Architettura vs Organizzazione dei moderni calcolatori

Modelli architetturali

CPU

Memoria

Sottosistema di I/O

Strutture di interconnessione
Architettura dei calcolatori elettronici
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Porte logiche
Una porta logica è un blocco elementare in cui la relazione fra
variabili di ingresso e variabili di uscita è descritta da una funzione
logica.
Utilizzando un numero limitato di tipi di porte logiche è possibile
realizzare un circuito logico combinatorio che realizza una qualsiasi
funzione logica.
NOT
AND
OR
XOR
NAND
NOR
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Semisommatore
Il semisommatore (“half adder”, HA) è un circuito a due ingressi
(A, B) che restituisce il bit di somma degli ingressi (S) e un bit di
riporto (C).
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Sommatore completo
Il sommatore completo (“full adder”, FA) è un circuito che, rispetto
al semisommatore, comprende anche una linea di riporto in
ingresso.
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Sommatore
Connettendo più FA assieme è possibile realizzare un
circuito che somma numeri binari di lunghezza qualsiasi.
Tipicamente le “parole” binarie hanno lunghezze standard
(23 bit = 1 byte, 24 bit = 1 word, ecc.).
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Unità Aritmetica e Logica (ALU)
A partire dal sommatore completo, è possibile costruire un circuito
in grado di compiere anche altre operazioni.
Sottrazione tra parole binarie: A – B = A + (-B) = A + (B + 1)
per cui aggiungendo al sommatore una linea di controllo c0 che
seleziona B o il suo complemento, e una linea di controllo c1 che
seleziona A oppure 0, si ottiene una rete in grado di effettuare sia
la somma che la sottrazione (quest’ultima richiede C-1=1).
Per quanto semplice, il circuito risultante rappresenta una unità
aritmetica e logica (ALU).
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Unità Aritmetica e Logica (ALU)
c1
0
0
0
0
1
1
1
1
c0
0
0
1
1
0
0
1
1
C-1
0
1
0
1
0
1
0
1
Risultato
S=0+B=B
S=0+B+1=B+1
S=0+B=B
S=0+B+1=–B
S=A+B
S=A+B+1
S=A+B=A–B–1
S=A+B+1=A–1
Commento
Selezione di B
Incremento di B
Complementazione di B
Cambio di segno di B
Somma di A e B
B
A
n
Differenza tra A e B
n
C-1
c0
c1
C
n
S
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Circuiti bistabili
Oltre ad elaborare le informazioni, i calcolatori devono anche
memorizzarle.
Gli elementi di memoria (in grado di contenere un bit) possono
essere di vario tipo.
Molto usati sono i circuiti bistabili, che sono circuiti combinatori in
grado di:
•
permanere stabili in due stati diversi (MEMORIA)
•
commutare da uno stato all'altro (SCRITTURA)
•
manifestare lo stato interno (LETTURA)
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Segnale di clock
Il funzionamento del calcolatore è cadenzato da un segnale
periodico (detto segnale di clock), caratterizzato da un periodo di
clock TCK.
– Frequenza del clock: fCK= 1/TCK;
Nel periodo TCK il segnale assume il valore logico 1 per un tempo
TH e il
valore logico 0 per un tempo TL
– Il rapporto TH / TCK è detto duty-cycle
Il passaggio dal valore 0 al valore 1 è detto fronte di salita
Il passaggio dal valore 1 al valore 0 è detto fronte di discesa
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Flip-flop
Il flip-flop è un circuito bistabile sincrono, cioè regolato da un
segnale di clock.
L’effetto del clock è di stabilire quando (a intervalli regolari) il flipflop può cambiare stato:
- con Ck=0 ingressi bloccati, il flip-flop non cambia stato (è opaco)
- con Ck=1, gli ingressi sono attivi (il flip-flop è trasparente)
Es. flip-flop JK
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Registri
Per registro si intende un insieme di n identici elementi di
memoria (flip-flop), sincronizzati tramite un unico clock.
Sono i supporti che materializzano l’informazione nei sistemi di
elaborazione.
Se Rin=0, l’ingresso ai FF è 00 per
cui il registro mantiene lo stato
precedente.
Se Rin=1, sul prossimo clock lo
stato di ogni FF diventa quello
corrispondente all’ingresso INi.
Rout ha funzione di output enable
dell’uscita a tre stati.
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Central Processing Unit (CPU)
Il cuore di un sistema di elaborazione è la CPU, che nella versione
più semplice è composta da:
•
•
•
•
una ALU
alcuni registri
una unità di controllo
un bus interno
DR
AR
ACC
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Architettura di un sistema di elaborazione
Riguarda le caratteristiche del sistema che sono visibili al
programmatore.
Fanno parte dell’architettura i seguenti aspetti:
• il numero di bit utilizzato per rappresentare i dati (numerici e
testuali)
• il numero di registri della CPU
• le modalità di indirizzamento
• il repertorio delle istruzioni
Con il termine modello di programmazione ci si riferisce a ciò che
vede il programmatore assembly, ovvero all’insieme dei registri
che egli può manipolare e al repertorio di istruzioni assembly.
In pratica il modello di programmazione è la traduzione in termini
di programmazione dell’architettura.
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Organizzazione di un sistema di elaborazione
Riguarda le relazioni strutturali tra le unità funzionali e il modo in
cui esse realizzano una data architettura.
L’organizzazione di un calcolatore è tendenzialmente non visibile al
programmatore. Di essa fanno parte aspetti quali:
•
•
•
•
•
la tecnologia impiegata
la struttura interna di certi moduli funzionali
la frequenza di clock
il modo in cui viene eseguita una data istruzione
il modo in cui vengono trasferiti i dati da una unità funzionale
all’altra
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Perché distinguere i due concetti?
Mantenendo la stessa architettura si può passare da un modello di
calcolatore meno potente a uno più potente mantenendo inalterato
il software (sia quello di sistema che quello applicativo).
La compatibilità architetturale è stata una delle chiavi del successo
dei sistemi Intel.
Con il microprocessore 8086, introdotto nel 1978, è stata definita
un’architettura (x86) che, seppure con aggiunte e miglioramenti, è
arrivata ai giorni nostri e a quella che oggi viene chiamata IA32.
Lungo questo percorso sono state impiegate nuove tecnologie
microelettroniche e nuove strategie organizzative, ma è stata
mantenuta la compatibilità (programmi eseguibili su un 8086 sono
eseguibili anche su un Pentium 4).
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Modelli architetturali
Un sistema di elaborazione, in generale, è una macchina che accetta
in ingresso informazioni codificate in forma digitale, le elabora e
produce informazioni in uscita.
I
-
blocchi funzionali che lo compongono sono:
CPU (central processing unit - in italiano processore)
memoria
sistema di ingresso/uscita
Un computer, rispetto a una macchina calcolatrice convenzionale, ha
in più il concetto di programma memorizzato.
Dati e istruzioni nella stessa memoria: modello di Von Neumann.
Dati e istruzioni in memorie separate: modello Harvard.
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Modello di Von Neumann
Lo schema si basa su cinque componenti fondamentali:
1.
2.
3.
4.
5.
CPU, che si divide a sua volta in
1. Unità operativa, nella quale uno dei sottosistemi più rilevanti è
l'ALU (Arithmetic Logic Unit)
2. Unità di controllo
Unità di memoria, intesa come memoria principale (la RAM) che
contiene sia i dati da elaborare che le istruzioni da eseguire
(programma)
Unità di input, tramite la quale i dati
vengono inseriti nel calcolatore per
essere elaborati
Unità di output, necessaria affinché
i dati elaborati possano essere restituiti
all'operatore
Bus, un canale che collega tutti i
componenti fra loro
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Schema architetturale di un PC moderno
CPU2
CPU1
Bus host
Bus AGP
Memoria
principale
North bridge
Slot PCI
Bus PCI
EIDE
USB
Slot ISA
South bridge
Bios
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Bus ISA
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CPU
La figura rappresenta lo schema più semplice di CPU, a livello RTL,
secondo il modello di Von Neumann.
Vi sono 5 registri principali: DR, AR, PC, IR, ACC.
Vi è anche una ALU che esegue le operazioni aritmetico-logiche.
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CPU
DR (Data Register) - Memorizza i dati provenienti e diretti alla
memoria.
AR (Address Register) - Memorizza gli indirizzi da comunicare alla
memoria.
PC (Program Counter o Contatore di Programma) - Memorizza
l'indirizzo della istruzione da eseguire.
IR (Instruction Register) - Memorizza il codice dell'istruzione da
eseguire.
ACC (Accumulator) – Immagazzina dati in ingresso e in uscita
dalla ALU.
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Ciclo base
Per una qualsiasi istruzione:
• FETCH:
• ESECUZIONE:
Lettura dell'istruzione in memoria.
Lettura dei dati necessari.
Svolgimento dell'operazione.
La fase di FETCH consente l'acquisizione della nuova istruzione.
La fase di ESECUZIONE consente lo svolgimento della operazione.
La fase di FETCH è eguale per tutte le istruzioni che ovviamente si
differenziano nella fase di ESECUZIONE.
Al termine della fase di ESECUZIONE viene eseguita la fase di
FETCH della istruzione successiva.
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Ciclo base
Ogni istruzione contiene in modo esplicito o implicito l’indicazione
dell’istruzione successiva.
Modo esplicito: il codice dell’istruzione contiene l’indirizzo della
cella di memoria dove è contenuta l’istruzione successiva.
Modo implicito: l’indirizzo della istruzione successiva è contenuto
in un registro interno alla CPU.
La sequenza delle istruzioni è definita dal programma.
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Ciclo base
Con riferimento alla figura, la fase di FETCH consiste nelle
seguenti operazioni di trasferimento dati tra registri:
AR  PC
DR  M(AR)
IR  DR
; lettura in memoria dell’istruzione
; codice di istruzione all’unità di controllo
Prima di iniziare la fase di esecuzione,
si aggiorna il PC con l’indirizzo
dell’istruzione successiva.
Attenzione! l’istruzione successiva
non è per forza nella successiva
cella di memoria (vedi salti e chiamate
a sottoprogrammi).
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Lo stack
Lo stack (pila) è una struttura dati gestita secondo una politica LIFO
(last in – first out).
La possibilità di gestire uno stack in memoria è comune a molte
architetture. In tal caso il repertorio delle istruzioni prevede le
operazioni
PUSH – inserimento di un dato nello stack
POP – prelievo di un dato dallo stack
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Lo stack
Per la gestione dello stack servono due registri:
BP (Base Pointer) – punta entro lo stack come se si trattasse di una
normale area di memoria
Es. LOAD R,[BP+8]
carica in R il contenuto della cella dello stack
il cui indirizzo è dato dalla somma del
contenuto di BP con 8
SP (Stack Pointer) – punta sempre alla testa dello stack e viene
aggiornato ad ogni esecuzione di una operazione PUSH o POP; non può
essere impiegato come indicato sopra per BP
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Lo stack
Lo stack viene utilizzato per:
- salvare temporaneamente il contenuto dei registri prima
dell’esecuzione di un sottoprogramma (procedura)
- depositare i parametri passati a un sottoprogramma
Es. una istruzione di alto livello del tipo
y = f(x1, x2, …, xn);
viene tradotta dal compilatore in una sequenza di PUSH dei parametri, a
partire dall’ultimo, seguita dall’istruzione di chiamata a f; il valore y
viene reso attraverso un registro predefinito (sempre lo stesso, per una
data architettura).
Per accedere ai parametri nello stack, il sottoprogramma usa il BP.
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Interruzioni
•
•
•
Eventi infrequenti ed eccezionali.
Generati internamente o esternamente.
Causano il trasferimento del controllo dal programma corrente a un
programma specifico di servizio dell'evento.
Classificazione:
1. Interruzioni esterne (external interrupt o device interrupt): in
genere usate per gestire le operazioni di I/O, si verificano in modo
asincrono rispetto all’esecuzione del programma.
2. Eccezioni (exception conditions): causate da situazioni anomale
rilevate durante l’esecuzione del programma, si verificano in modo
sincrono; esempio: divisione per zero.
3. Trappole (traps): generate da apposite istruzioni presenti nel
programma (es. istruzione INT del processore 8086), si verificano in
modo sincrono e sono predicibili – in pratica sono particolari
operazioni di salto.
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Interruzioni
• La presenza di un interrupt è segnalata alla CPU da una linea
proveniente dall'esterno (o da un segnale interno).
• Il segnale è testato dalla CPU alla fine di ogni ciclo di istruzione.
• La CPU risponde trasferendo il controllo a un altro programma.
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Interruzioni
Ancora sulle azioni della CPU in risposta alla richiesta di interruzione:
• Lo stato complessivo della CPU viene memorizzato nello stack a cura
del programma di gestione.
• Nel PC viene immagazzinato l'indirizzo del sottoprogramma di
gestione.
• L'esecuzione del sottoprogramma continua fino all'istruzione di
RETURN che riporta il controllo al programma interrotto.
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La codifica delle istruzioni a basso livello
Un possibile formato per la codifica di istruzioni su parole di 32 bit:
0
31
OP
Es.
R
Indirizzo
LOAD R,Var
LOAD è il codice mnemonico per l’operazione di trasferimento dati
dalla memoria. R è il registro destinazione. Var è il nome simbolico
di una posizione di memoria (indirizzo). Quindi l’istruzione equivale
all’istruzione RTL
R  M[Var]
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La codifica delle istruzioni a basso livello
Un altro possibile formato per la codifica di istruzioni su parole di 32 bit:
0
31
OP
Es.
Ra
Rb
Rc
ADD R1,R2,R3
ADD è il codice mnemonico per l’operazione di somma. R1 è il registro
destinazione. R2 e R3 sono i registri che contengono gli addendi. Quindi
l’istruzione equivale all’istruzione RTL
R1  R2+R3
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Unità di controllo
Le connessioni non sono attive tutte contemporaneamente.
L’unità di controllo seleziona i cammini che risultano attivi in un
determinato istante.
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Caratteristiche di un set di istruzioni
COMPLETEZZA:
• Deve essere possibile valutare qualunque funzione che sia
calcolabile con una disponibilità ragionevole di memoria.
EFFICIENZA:
• Istruzioni usate frequentemente devono essere eseguite
rapidamente.
• Il controllo sull'efficienza deve essere misurato sul codice
generato da compilatori.
• Fornire primitive, non soluzioni.
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Caratteristiche di un set di istruzioni
REGOLARITA’:
• Le istruzioni devono comportarsi in modo omogeneo rispetto
ai modi di indirizzamento.
• Quando ogni istruzione consente tutti i modi di
indirizzamento possibili su tutti gli operandi: ORTOGONALITA'
COMPATIBILITA’:
• Compatibilità sorgente: sono compatibili i codici mnemonici
del linguaggio assembler.
• Compatibilità binaria: sono compatibili i codici macchina.
• Il codice macchina deve essere eseguibile su processori
successivi della stessa famiglia.
• 8080  8086  80186  ...  Pentium  ...
• PDP11  VAX
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Tipi di istruzioni
TRASFERIMENTO DATI
MOVE
Trasferisce dati tra registri
LOAD
Trasf. dati dalla memoria
STORE
Trasf. dati alla memoria
EXCHANGE
Scambia dati
SET/RESET
Pone ad 1/0
PUSH/POP
Gestione stack
OPERAZIONI
ADD/SUB
MULT/DIV
ABS
NEG
INC/DEC
ARITMETICHE
Somma/differenza
Moltiplicazione/divisione
Valore assoluto
Cambio segno
Incrementa/decrementa
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Tipi di istruzioni
OPERAZIONI LOGICHE
AND
OR
NOT
XOR
OPERAZIONI PER LA MANIPOLAZIONE DEI BIT
SHIFT
traslazione
ROTATE
rotazione
CONTROLLO
JUMP
JUMP COND
CALL (COND)
RET (COND)
DEL FLUSSO
salto incondizionato
salto condizionato
salto a sottoprogramma
uscita da sottoprogramma
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Tipi di istruzioni
CONTROLLO CPU
HALT
blocco operazioni
WAIT/HOLD
blocco operazioni con ripresa condizionata
NOP
non svolge operazioni
INGRESSO E USCITA
INPUT (READ)
trasferimento dati da I/O verso memoria o
registro
OUTPUT (WRITE)
trasferimento dati verso porta di I/O
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Repertorio stile CISC
CISC = Complex Instruction Set Computers
Criteri di progettazione:
• le istruzioni non hanno dimensione fissa
• il campo del codice di operazione può occupare più o meno bit
• numero ampio di formati: il codice di operazione non identifica
univocamente il formato delle istruzioni, e da un formato all’altro i campi
che identificano uguali entità possono occupare differenti posizioni
Esempi di processori CISC:
Intel x86, Zylog Z80, Motorola 68000
Il mondo dei PC desktop e laptop è dominato dalla famiglia Intel x86 che
continua ad adottare lo stile CISC per mantenere la compatibilità con le
applicazioni.
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Repertorio stile RISC
RISC = Reduced Instruction Set Computers
Criteri di progettazione:
• le istruzioni hanno tutte la stessa dimensione (es. 32 bit)
• il campo del codice di operazione occupa uno spazio predefinito
• numero molto limitato di formati: il codice di operazione identifica
univocamente il formato dell’istruzione, e nel passare da un formato
all’altro i campi che identificano uguali entità occupano sempre la
stessa posizione
Esempi di processori RISC:
IBM PowerPC, Intel i880 e i960, AMD 29000, Sun SPARC
Utilizzati per: telefoni cellulari, palmari, automobili, console.
Inoltre i processori RISC, dagli anni 90, sono i dominatori
incontrastati dei server ad alte prestazioni.
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CISC o RISC?
Prima degli anni 80 si riteneva che repertori estesi di istruzioni
fossero preferibili, per facilitare la costruzione di compilatori.
L’uso efficiente della memoria centrale (allora costosa e poco
performante) era il primo obiettivo di qualunque soluzione
architettonica. Repertorio esteso significa programmi più corti che
occupano meno memoria ma che richiedono una unità di controllo
più complessa. La memoria di controllo era più veloce di quella
centrale, per cui portare funzionalità nella prima avrebbe comunque
migliorato le prestazioni della macchina.
Con l’avvento delle memorie a semiconduttore (che rimpiazzarono
quelle a nuclei magnetici) e delle memorie cache, e la constatazione
che l’80% delle istruzioni eseguite corrisponde al solo 20% del
repertorio esteso, presero piede i microprocessori RISC.
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Storia dei microprocessori
Il termine microprocessore venne usato per la prima volta da Intel
nel 1971, quando introdusse un computer microprogrammabile su
un unico chip, la CPU Intel 4004 era completa di:
- sommatore parallelo a 4 bit
- 16 registri a 4 bit
- un accumulatore
- uno stack
Frequenza massima di clock: 740KHz.
Con l’aggiunta di memorie di tipo RAM e ROM, la CPU 4004
costituiva il sistema MCS-4.
Realizzata con la stessa tecnologia, nel 1972 uscì la CPU
Intel 8008, la prima in grado di operare a 8 bit.
Frequenza massim di clock: 800KHz.
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Storia dei microprocessori
I microprocessori a 8 bit sono detti di prima generazione.
La grande diffusione di questi dispositivi inizio nel 1974, con
l’introduzione della CPU Intel 8080, con frequenza di clock
massima di 2MHz.
I concorrenti erano il Motorola MC6800 (prodotto a basso costo
perchè fu il primo ad avere alimentazione singola), e lo Zilog Z80
(che incorporava il repertorio di istruzioni dell’8080 e quindi aveva
piena compatibilità con i programmi scritti per quella CPU).
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Storia dei microprocessori
Fu l’Intel 8086, messo sul mercato nel giugno 1978, a inaugurare
la seconda generazione di microprocessori, capaci di operare su
16 bit alla volta.
L’8086 indirizzava 1MB di memoria e lavorava alla frequenza di
5MHz, per una capacità media elaborativa di 0,33 MIPS (milioni di
istruzioni per secondo).
L’8086 definì le basi dell’architettura x86.
L’Intel 8088 (un 8086 con bus esterno a 8 bit) venne adottato a
IBM per costruire il suo PC (Personal Computer), che ebbe un
successo enorme anche grazie al software Microsoft.
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Storia dei microprocessori
Il principale concorrente dei processori Intel
8086/88 era il Motorola MC68000.
Pur avendo caratteristiche leggermente superiori all’8086, il
ritardo di due anni con cui il 68000 arrivò sul mercato pregiudicò
la loro affermazione.
Il 68000 ebbe comunque ottima accoglienza nel mercato delle
cosiddette workstation, per i quali il sistema operativo Unix era la
norma. Sun Microsystems e HP (i più accreditati costruttori di
workstation) per anni adottarono il 68000.
Il declino del 68000 iniziò con con l’ingresso delle architetture
RISC nel mercato delle workstation. Sun, in particolare,
abbandonò Motorola e sviluppò una propria architettura (SPARC).
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Storia dei microprocessori
A un certo punto, le CPU a 16 bit entrarono in una fase di grande
crescita, e apparvero componenti di corredo avanzati come gestori
di memoria (MMU), unità aritmetiche in virgola mobile (FPU),
controllori di accesso alla memoria (DMA).
1984:
1985:
1987:
1989:
1990:
MC68020
Intel 80386
MC68030
MC68040
Intel 80486
www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm
Dal 1991: PowerPC di IBM, Apple e Motorola (AIM)
Dal 1993: Intel Pentium e compatibili (es. AMD)
Architettura dei calcolatori elettronici
Prof. M. Amoretti
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Fondamenti di Informatica
La legge di Moore
Nel 1965 Gordon Moore (che con Robert Noyce e Andy Groove
fonderà Intel nel 1968) in un articolo sulla rivista Electronics
ipotizzò che l’aumento della capacità elaborativa (intesa come
numero di transistori nel singolo chip) sarebbe continuato, per
tutti gli anni ’70, al ritmo di un raddoppio ogni 12 mesi.
Nel 1975 Moore fece una
prima correzione: raddoppio
ogni 2 anni.
A fine anni ’80 si corresse
ancora e diede la stima che
tutt’oggi è il metro di misura
e l’obiettivo per le aziende
che operano nel settore:
raddoppio ogni 18 mesi.
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Memoria
Parametri di valutazione:
Dimensione (nel senso di capacità) – data in bit o byte; spesso la dimensione
viene riportata in modo da descrivere l’organizzazione interna.
es. 64K x 8 bit indica una memoria di 65536 celle di 8 bit ciascuna.
Velocità – indicata come tempo di accesso (intervallo di tempo tra la richiesta del
dato e il momento in cui viene reso disponibile).
Potenza – questo parametro indica la potenza media assorbita.
Costo – il parametro più aleatorio, dipende anche dal volume di acquisto.
Integrazione – maggiore l’integrazione, minore l’ingombro e il consumo e i costi
di assemblaggio delle parti, dell’alimentazione e dello smaltimento del calore.
Idealmente un calcolatore dovrebbe avere quanta più memoria possibile,
ad alta velocità, basso consumo, basso ingombro e minimo costo.
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Memoria
La tecnologia consente di realizzare CPU sempre più veloci. Nel 2006
sono stati messi sul mercato processori con frequenza di clock
superiore ai 3GHz.
Purtroppo le memorie non sono così veloci, cioè non hanno tempi di
accesso paragonabili al periodo di clock delle CPU attuali.
ns
200
Le prestazioni delle CPU non
devono essere troppo
negativamente influenzate dal
tempo di accesso alle memorie.
Tempo di accesso
memoria
100
Tempo di ciclo
CPU
1980
1990
2000
Architettura dei calcolatori elettronici
In aiuto al progettista viene la
proprietà di località spaziale e
temporale esibita dai
programmi.
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Principio di località
La modalità di accesso ai dati è in genere prevedibile, cioè vale il
principio per cui
se al tempo t si accede all'indirizzo X è
"molto probabile" che l'indirizzo X+X
sia richiesto fra t e t+ t.
Questo significa che nel breve periodo gli indirizzi generati da un
programma sono confinati in regioni limitate.
La distribuzione degli accessi alla memoria
in un dato intervallo può essere misurato
direttamente su un sistema.
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Gerarchie di memoria
Idealmente un calcolatore dovrebbe avere quanta più memoria
possibile, ad alta velocità, basso consumo, basso ingombro e
minimo costo.
Non è possibile avere un’unica memoria con tutte queste
caratteristiche, ma il principio di località suggerisce di realizzare
una gerarchia:
- memorie piccole e veloci (e costose) ai livelli alti, vicino alla CPU;
- memorie ampie, più lente (e meno costose) ai livelli più bassi.
CPU
Memoria
M1
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Memoria
M2
…
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Gerarchie di memoria
Memoria
M2
Memoria
M1
CPU
…
A diversi livelli, le memorie sono realizzate con tecnologie diverse.
Costo per bit: c1 > c2 > …
Tempi di accesso: tA1 < tA2 < …
Dimensioni: S1 < S2 < …
Un tipico sistema di memoria è il seguente:
• memoria interna alla CPU
•
•
•
•
memoria
memoria
memoria
memoria
ROM
cache
principale
secondaria
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c
tA
S
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Gerarchie di memoria
I criteri di gestione si rifanno al principio di località:
• I dati utilizzati più spesso vanno posti in memorie facilmente
accessibili.
• I dati utilizzati più raramente sono posti in memorie con tempi di
accesso elevato.
• Allocazione dinamica per utilizzare gli spazi disponibili con la
massima efficienza.
• Spostamento automatico dei dati tra i livelli.
• Canali di comunicazione veloci fra i livelli.
Questa politica di gestione tende a mimare una memoria che abbia:
• i tempi di accesso della più veloce,
• le dimensioni della maggiore,
• i costi della più economica.
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Memoria virtuale
All’inizio dell’era informatica le memorie erano costose e poco capienti.
I programmatori impiegavano molto tempo nel tentativo di
assottigliare i programmi perché entrassero in memorie minuscole.
Quando il programma era troppo grande, veniva messo nella memoria
secondaria diviso in pezzi, ciascuno dei quali poteva entrare in
memoria principale. I pezzi venivano portati nella memoria principale
ed eseguiti uno alla volta.
La gestione di questo procedimento era interamente nelle mani dei
programmatori.
Nel 1968 un gruppo di ricercatori propose di automatizzare questo
processo separando i concetti di spazio degli indirizzi e di locazioni di
memoria.
Questo metodo è oggi chiamato MEMORIA VIRTUALE.
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Memoria virtuale
Ad es. una CPU a 16 bit vede uno spazio degli indirizzi che va da 0 a
65535 (216 parole di memoria virtuale). La memoria principale può
avere comunque, fisicamente, meno di 65536 locazioni (supponiamo
4096).
Indirizzi utilizzabili dal programma: indirizzi virtuali (o logici).
Indirizzi effettivi della memoria principale: indirizzi fisici.
Esiste una corrispondenza (se necessaria) tra indirizzo logico e
indirizzo fisico.
La corrispondenza prende il nome di allocazione, ed è una funzione f
tale che:
indirizzo fisico = f(indirizzo logico)
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Memoria interna alla CPU
Registri interni alla CPU:
- visibili o no al programmatore
- memorizzano temporaneamente dati e istruzioni
- dimensione: qualche byte
- tempo di accesso: qualche ns
In tempi recenti si è iniziato a collocare sullo stesso chip della CPU
anche memorie di tipo cache.
Nelle CPU più recenti cresce la quantità di risorse dedicate alla
memoria:
– 1980: processori senza cache (I386)
– 1995: Alpha 21164 55% dei transistor
– 2000: Merced (Intel-HP) 85% dei transistor
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Memoria ROM
- memoria elettronica (è una matrice logica)
- ad accesso casuale (il tempo di accesso a una cella è indipendente
dalla sua posizione)
- a sola lettura
Impiegata per contenere i programmi che inizializzano la macchina
all’atto dell’accensione e il nucleo di base del sistema operativo.
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Memoria cache
La cache è una memoria veloce e di piccole dimensioni posta fra la
CPU e la memoria principale.
La cache e la memoria principale formano una gerarchia di memoria.
CPU
Memoria
Cache
Memoria
Principale
I tre livelli di memoria:
Cache - Memoria principale - Memoria secondaria
sono gestiti come due gerarchie a due livelli:
• Memoria principale - Memoria secondaria.
• Cache - Memoria principale.
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Memoria cache
Le prestazioni della memoria cache dipendono anche dalla sua
posizione rispetto alla CPU:
• cache su scheda
• cache su chip
La presenza di una memoria cache sullo stesso chip del processore
rappresenta la soluzione che garantisce la maggiore efficienza.
Nei sistemi più recenti sono presenti entrambe le soluzioni.
CPU
Cache
L1
CHIP
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Cache
Cache
L2
L3
Memoria
Principale
SCHEDA
MADRE
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Memoria cache
Ciclo delle operazioni:
Un indirizzo fisico viene inviato dalla CPU.
La cache confronta la parte rilevante dell'indirizzo.
Se vi è {hit} viene completato il ciclo.
In caso di {miss} la cache inizia la lettura da memoria principale di
dati che comprendono quello richiesto.
Politiche di sostituzione come per la memoria virtuale.
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Memoria principale
- memoria elettronica
- ad accesso casuale
- in lettura/scrittura
Contiene i programmi che la CPU esegue e i dati cui la stessa CPU può
accedere direttamente.
L’informazione scompare se viene meno la tensione di alimentazione.
E’ veloce e di grande capacità (decine-centinaia di Mbyte).
Genericamente parlando, viene indicata come RAM (Random Access
Memory). Viene divisa in SRAM e DRAM a seconda della modalità
(statica o dinamica) in cui l’informazione viene memorizzata.
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Memoria principale
Schematizazione dello spazio di memoria diviso in blocchi contigui di
dimensione C (celle) e realizzazione circuitale.
I due bit più significativi dell’indirizzo vengono decodificati per selezionare
l’integrato corrispondente a uno dei blocchi di dimensione C.
Le restanti log2C linee del bus degli indirizzi vengono collegate ai piedini
corrispondenti sugli integrati.
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Memoria principale
Struttura interna di ciascun
blocco di dimensione C=2N
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Memoria principale
Schema di principio di un bit di memoria RAM statica (SRAM):
Il singolo flip-flop si realizza con 4 o 6 transistor, quindi su piccola o
media scala con tempi di accesso piuttosto bassi (da qualche nsec a un
centinaio).
L’assorbimento di potenza non è trascurabile, specialmente per i tipi
più veloci, per cui le memorie SRAM sono utilizzate per realizzare i
registri della CPU e memorie di piccole dimensioni come la cache.
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Memoria principale
Nelle memorie RAM dinamiche (DRAM) l’informazione è rappresentata
attraverso la carica immagazzinata in un condensatore integrato MOS.
E’ richiesto un solo transistore per bit;
la capacità viene ricavata sulla struttura
del transistore stesso, ottimizzando lo
spazio occupato.
Linea indirizzi
Linea dati
50pC
Condensatore carico: 1
Condensatore scarico: 0
La carica si esaurisce in pochi millisecondi, per cui deve esserci
un’operazione periodica di rinfresco (lettura e riscrittura) eseguita da
un circuito interno alla memoria stessa.
Questo comporta un certo dispendio di energia e rendono più lenta la
memoria (in fase di refresh l’accesso è negato).
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Memoria principale
Ancora sulle memorie DRAM:
anno
1980
1983
1986
1989
1992
1995
2000
2002
2006
dimensioni
64 Kbit
256 Kbit
1 Mbit
4 Mbit
16 Mbit
64 Mbit
512 Mbit
1 Gbit
4 Gbit
t di ciclo
250 ns
220 ns
190 ns
165 ns
140 ns
120 ns
100 ns
70 ns
50 ns
Nel 2006: 0,1 $ per MB
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Memoria secondaria
- memoria magnetica o ottica o a stato solido
- ad accesso seriale o semi-casuale o casuale
- in lettura/scrittura
Dispositivi quali nastri magnetici, floppy, dischi rigidi, CD-ROM,
memorie flash rapresentano memorie non volatili, con tempi di accesso
decisamente maggiori rispetto alla memoria principale.
Lo scopo delle memorie ausiliarie è quello di conservare in modo
persistente grandi quantità di dati.
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Memoria secondaria
NASTRI MAGNETICI, DISCHI MAGNETICI E OTTICI
• Condividono il sistema (o testina) di lettura e scrittura tra diverse
locazioni di memoria.
• La sequenza di locazioni che condivide la stessa testina si chiama
traccia.
• L'accesso alla locazione di memoria avviene spostando la testina o la
traccia.
• La traccia o parte di essa deve essere letta completamente per
accedere al singolo dato.
• Le memorie ad accesso seriale hanno raggiunto con la tecnologia
magnetica e ottica costi per bit estremamente bassi.
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Memoria secondaria
Un disco rigido consiste di un certo numero di piatti di alluminio
ricoperti da materiale magnetico. Attualmente il diametro dei piatti
varia da 3 a 12 cm, e un disco rigido ospita da 1 a 20 piatti.
I piatti sono in perenne rotazione (tra 3600 e 7200 giri/min, ma ci
sono anche dischi che vanno a 15000 giri/min).
I dati sulla superfice del disco sono scritti in cerchi concentrici che sono
denominate tracce.
Ogni traccia è divisa in settori (da 512 byte, ma anche 1024 e 2048
byte), ciascuno contenente un gruppo di dati con le informazioni per
correggere eventuali errori e un preambolo per la sincronizzazione.
L’insieme delle tracce che stanno su di un cerchio di dato raggio
costituisce un cilindro.
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Memoria secondaria
Le testine di lettura/scrittura sono solidali tra loro, ma solo una alla
volta legge/scrive in un certo istante.
L’accesso è semi-casuale perché per poter effettuare una operazione di
lettura/scrittura occorre prima portare la testina sulla traccia e poi
attendere che il settore cercato passi sotto di essa.
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Memoria secondaria
Le memorie seriali hanno tempi di accesso elevati perché:
•
•
•
•
Occorre tempo per posizionare la testina di lettura.
La traccia si muove a velocità ridotta.
Il trasferimento dati è seriale.
La testina di lettura è condivisa fra più tracce.
- seek time (tseek): tempo necessario a portare la testina sulla traccia
- latency time o latenza di rotazione (tlat): è il tempo medio speso
nell’attesa che il settore passi sotto l’unità di lettura/scrittura
- velocità di rotazione del disco (r): si misura in giri al secondo (rps)
- tempo di trasferimento (ttrasf): è il tempo richiesto per trasferire un
settore (valori usuali sono compresi tra 2 e 15 MB/s)
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Memoria secondaria
Si noti che:
tlat = (2r)-1
Il tempo di accesso viene definito come:
tacc = tseek + tlat + ttrasf
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Memoria secondaria
Un CD-ROM è un disco di policarbonato con una superficie di alluminio
riflettente protetta da un film di resina.
Le informazioni sono memorizzate come successioni di "buchi" (pits) e
"terre"(lands) nel policarbonato, letti per mezzo di un laser. I dati su di
un CD sono memorizzati a spirale.
La velocità di scansione è di 1,2 m/s costante con una velocità di
rotazione che varia da 500 (settori esterni) a 200 giri/min (settori
interni).
I dati sono memorizzati in settori che contengono:
Preambolo (16 byte) – Dati (2048 byte) – ECC (288 byte)
La velocità di lettura 1x è di circa 75 settori/s che corrispondono a
circa 150 Kbyte/s. Velocità massima di lettura: 52x.
Un CD contiene fino a 800MB di dati (80 minuti di musica).
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Memoria secondaria
Le memorie flash sono dispositivi a stato solido (non hanno parti in
movimento) non volatili (mantengono l’informazione anche se non
sono alimentate) che stanno prendendo il posto dei dischi.
• Velocità di lettura ~ 20 MB/s
di scrittura ~ 10 MB/s
• Latenza
~ 25 μs per iniziare a leggere,
~ 100 μs per leggere 2KB
~ 200 μs per scrivere 2KB
In futuro sostituiranno i dischi rigidi.
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Sottosistema di I/O
Il sottosistema di I/O è la parte attraverso la quale si esplica la
comunicazione tra il calcolatore e il mondo esterno.
Ne fanno parte:
- dispositivi per la comunicazione uomo-macchina
(video, stampanti, mouse, ecc.)
- dispositivi di memoria secondaria
(unità a dischi, a nastri magnetici, ecc.)
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Sottosistema di I/O
Ogni dispositivo di I/O è collegato al bus di sistema attraverso una
interfaccia (o controllore), che realizza l’adattamento logico e fisico tra
le periferiche e il calcolatore.
Dal punto di vista logico, l’interfaccia deve:
• fornire porte di ingresso per i dati che devono essere inviati alla CPU,
e porte di uscita per i dati che devono essere trasferiti alla periferica (in
entrambi i casi è coinvolto il data bus);
• essere in grado di decodificare istruzioni e indirizzi delle porte da
utilizzare (le istruzioni viaggiano sul control bus, gli indirizzi sull’address
bus);
• fornire eventuali registri o buffer di appoggio per i comandi alla
periferica;
• tenere traccia dello stato della periferica e delle eventuali condizioni
di malfunzionamento o di errore, consentendone la lettura (segnali di
stato – es. BUSY e READY).
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Sottosistema di I/O
Il processore può comunicare con uno o più dispositivi esterni
secondo schemi temporali imprevedibili che dipendono dalle
richieste di I/O del programma.
I periferici sono normalmente più lenti a paragone della velocità di
esecuzione delle istruzioni di una CPU. Inoltre essi procedono in
modo autonomo e quindi si rende necessario introdurre qualche
meccanismo di sincronizzazione.
Le tecniche fondamentali sono:
- gestione a controllo di programma
- gestione sotto controllo di interruzione
- gestione tramite accesso diretto alla memoria (DMA)
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Gestione a controllo di programma
Si realizzano più sottoprogrammi di gestione per ogni periferica,
richiamabili dal programma principale.
Il grosso limite della gestione a controllo di programma: si va alla velocità
della periferica (che in genere è molto più lenta della CPU).
La maggior parte del tempo di CPU è sprecato nell’osservare lo stato della
periferica in attesa che sia pronta per un nuovo trasferimento.
Es.
la CPU esegue 100 M istr./sec
la stampante stampa 100 car/sec, cioè 1 carattere ogni 10 msec
 tra carattere e carattere la CPU avrebbe tempo per eseguire 106 istr.
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Gestione sotto controllo di interruzione
Ricordiamo cosa sono le interruzioni:
• eventi infrequenti ed eccezionali
• generati internamente o esternamente
• causano il trasferimento del controllo dal programma corrente a
un programma specifico di servizio dell'evento
In questo contesto, ci interessano le interruzioni esterne (external
interupt o device interrupt): in genere usate per gestire le
operazioni di I/O, si verificano in modo asincrono rispetto
all’esecuzione del programma.
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Gestione sotto controllo di interruzione
La CPU non deve verificare con continuità lo stato dei dispositivi di
I/O. Devono essere questi ultimi a richiamare l'attenzione della
CPU.
Accesso diretto e rapido alla CPU per:
• richiesta inizio operazione.
• segnalazione di fine operazione.
E’ necessario assegnare urgenze
o priorità diverse alle varie
richieste di intervento se
contemporanee.
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Accesso diretto alla memoria (DMA)
Se la periferica è molto veloce, è possibile che la frequenza delle
interruzioni sia così alta da non lasciare, tra interruzione e
interruzione, il tempo necessario all’intera esecuzione della routine
di servizio.
E’ il caso delle unità a disco, la cui velocità di trasferimento può
superare il milione di caratteri per secondo (stesso ordine di
grandezza della velocità di esecuzione delle istruzioni in una CPU
di prestazioni medie).
Tecnica più efficiente: un dispositivo gestisce il trasferimento
diretto dei dati tra periferiche e memoria, senza coinvolgere la
CPU (a cui ruba cicli di bus – cycle stealing). Tale dispositivo
prende il nome di Direct Memory Access Controller (DMAC).
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Strutture di interconnessione
Le strutture di interconnessione collegano i moduli che devono
scambiarsi informazioni.
In un sistema di calcolo le prestazioni, l’affidabilità e il costo delle
interconnessioni hanno un ruolo fondamentale.
Tipo: la connessione può essere di tipo serie (una sola
connessione fisica) o parallelo (più connessioni fisiche).
Prestazioni: si misurano in (M,K)Bytes o (M,K)bit al secondo
trasferiti.
Affidabiltà: dipende principalmente dal connettore.
Costo: legato al tipo di connessione e alla standardizzazione.
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Bus di sistema
Internamente ad un sistema digitale la principale struttura di
interconnessione è il bus.
Il bus è un insieme di conduttori che trasferiscono le informazioni da
un elemento sorgente a un elemento destinazione.
• bus dedicato: collega in modo esclusivo due moduli
• bus condiviso: collega tra loro più moduli (collegamenti fra
elementi diversi avvengono in tempi diversi - time multiplexing)
Il bus di sistema,
sotto-bus:
• bus
• bus
• bus
anche se condiviso, in genere si compone di tre
dei controlli
degli indirizzi
dei dati
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Bus di sistema
Usando bus dedicati, per collegare N moduli ne servono N(N-1).
Questa soluzione consente di effettuare contemporaneamente più
operazioni di trasferimento dati.
L'uso di una struttura di interconnessione condivisa e
standardizzata consente di ridurre i costi e di ottenere una
struttura modulare scalabile, a scapito delle prestazioni. Questa
soluzione è comunque la più utilizzata nei moderni sistemi di
elaborazione.
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Bus di sistema
ISA (Industrial Standard Architecture)
Ci sono due versioni del bus ISA: quella a 8 bit con una frequenza di clock di 4.77
MHz e quella a 16 bit, con frequenza pari a 8.3 MHz.
Il throughput varia dai 4 ai 5 MB/s.
EISA (Extended Industry Standard Architecture)
Prima evoluzione di questo standard usata sui computer IBM dal 1988. EISA aumentò
il Bus ISA da 16 a 32 Bit e permise a più di una CPU di usare questo Bus in
contemporanea. Venne usata principalmente come interfaccia per schede SCSI.
Questo slot fu abbandonato con l'arrivo del VESA e del successivo PCI.
VESA Local Bus
Successore dell'EISA, fu usato prevalentemente nei computer basati sul processore
Intel 80486 e fu studiato per eliminare il problema della bassa larghezza di banda
dello slot ISA. Lavorava sul Bus ISA ma, a differenza di quest'ultimo, aveva un
accesso diretto alla memoria di sistema che lo rendeva molto più veloce. Per
controparte aveva però alcune importanti limitazioni (compatibilità, limite al numero di
slot, corruzione dei dati).
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Bus di sistema
PCI (Peripheral Component Interconnect)
Sviluppato dalla Intel nel 1992 (in sostituzione del bus ISA). Diverse versioni: PCI,
PCI 2.0, PCI 2.1, PCI 2.2, PCI 3.0, PCI-X. Linee dati-indirizzi (sovrapposte)
(multiplexed). Clock a 33 – 66 – 133 – 266 MHz. Alimentazione 5 – 3,3 Volt. Il
trasferimento che avviene attraverso un bus PCI è un "burst", composto da una fase
di indirizzamento e da una o più fasi di dato. Bassa latenza ed elevato throughput.
PCI Express (PCIe)
Il PCI Express è il successore (seriale) del bus di espansione PCI (parallelo) e sarà
destinato a sostituire il bus AGP fino ad ora in uso per le schede grafiche.
L'architettura è completamente differente dal bus PCI classico.
La sua caratteristica seriale aiuta a semplificare il layout delle schede madri ed è
costituito da una serie di canali. Tali canali possono essere aggregati secondo le
esigenze rendendo di fatto il sistema molto flessibile. La banda a disposizione di
ciascun canale (FULL DUPLEX) è dedicata e quindi non condivisa con gli altri.
Un canale PCIe (detto x1) ha una banda disponibile di 266 MByte/sec. Pertanto, nelle
moderne schede video che utilizzano 16 canali PCIe la banda a disposizione è di
circa 4 GByte/sec (il doppio del bus AGP 8x).
Architettura dei calcolatori elettronici
Prof. M. Amoretti
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PARMA
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale
Fondamenti di Informatica
Bus di sistema
ATA (Advanced Technology Attachment)
Consiste in un'interfaccia standard per la connessione di dispositivi di
memorizzazione quali hard disk e unità CD-ROM all'interno dei personal computer.
Sono molti i termini utilizzati per designare tale standard, comprese abbreviazioni e
acronimi quali IDE, EIDE, ATAPI, UDMA ed il più recente PATA (Parallel-ATA) per
differenziarsi dal SATA (Serial-ATA) che è altra cosa. Gli standard ATA permettono
collegamenti con lunghezze di cavo comprese tra 45 e 90 cm, quindi l'utilizzo
prevalente per tale tecnologia è per le memorie di massa all'interno dei personal
computer.
I cavi Parallel ATA permettono il trasferimento di dati con 16 o 32 bit per volta.
UDMA0 16.7 MB/s
UDMA1 25 MB/s
UDMA2 33.3 MB/s
UDMA3 44.4 MB/s
UDMA4 66.7 MB/s
UDMA5 100 MB/s
UDMA6 133 MB/s
Architettura dei calcolatori elettronici
Prof. M. Amoretti
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Fondamenti di Informatica
Bus di sistema
SCSI (Small Computer System Interface)
L'interfaccia SCSI viene per lo più usata per la comunicazione con unità hard disk e
unità nastro di memorizzazione di massa, ma anche per connettere una vasta gamma
di dispositivi, come scanner d'immagini, lettori e scrittori di CD (CD-R e CD-RW),
lettori DVD. In effetti lo standard SCSI è stato ideato per favorire l'intercambiabiltà e la
compatibilità dei dispositivi (tutti, almeno in teoria). Esistono anche stampanti SCSI.
In passato l'interfaccia SCSI era molto diffusa in ogni tipologia di computer, mentre
attualmente trova un vasto impiego solamente in workstation, server e periferiche di
fascia alta (cioè con elevate prestazioni). I computer desktop e portatili sono invece di
solito equipaggiati con l'interfaccia ATA/IDE (acronimi rispettivamente di Advanced
Technology Attachment e Integrated Drive Electronics) per gli hard disk e con
l'interfaccia USB (Universal Serial Bus) per altre periferiche di uso comune.
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Fondamenti di Informatica
Bus di sistema
USB (Universal Serial Bus)
Standard di comunicazione seriale per il collegamento di periferiche (lente).
Consiste in un singolo gestore e molte periferiche collegate da una struttura simile ad
un albero attraverso dei dispositivi chiamati hub (concentratori). Supporta fino ad un
massimo di 127 periferiche per gestore, nel computo vanno inclusi anche gli hub e il
gestore stesso quindi in realtà il numero totale di dispositivi collegabili è sensibilmente
inferiore.
Le porte USB sono dotate del supporto del Plug and Play e supportano i dispositivi
hot swap quindi se il sistema operativo lo consente supportano la rimozione a caldo e
il reinserimento delle periferiche senza dover riavviare il computer.
All'interno del computer, l'USB non ha rimpiazzato lo standard ATA o SCSI per via
della sua lentezza. Il nuovo standard serial ATA per esempio consente trasferimenti
dell'ordine di 150 Mbyte per secondo, una velocità molto più elevata dello standard
USB, che nella versione 2.0 raggiunge un massimo di 60 Mbyte per secondo (480
Mbits/s). L'USB viene molto usato negli hard disk esterni dove si preferisce
privilegiare la praticità di poter collegare e scollegare a caldo il componente rispetto
alla velocità di una connessione tipo ATA.
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Prof. M. Amoretti