FambHW1 - UniNa STiDuE

1
GLI AMBIENTI
DELL’ INFORMATICA:
HARDWARE
M.Hmeljak
Fondamenti di Informatica - Ambiente HW hardware
2
Architettura “classica” di un calcolatore:
la Macchina di Von Neumann
Unità
Logico
Aritmetica
Unità
di
Controllo
CPU
Istruzioni
Dati
Programmi
e
Dati
Unità
di
Ingresso
MEMORIA
PRINCIPALE
MEMORIA
SECONDARIA
Unità
di
Uscita
Risultati
della
Elaborazione
Ambiente HW hardware : i 4 componenti
3
i componenti elettronici (diodi, transistor, e porte
logiche) magnetici e meccanici di un calcolatore
elettronico sono raggruppabili in 4 “macro-elementi”:
Unità centrale di calcolo o in breve U.C.
(inglese: CPU - Central Processing Unit)
Memoria centrale MC e memorie periferiche:
MC = memoria principale (cache, RAM, ROM)
Mem.periferiche=memoria secondaria (dischi HD, e altro)
Periferiche di I/O (Input/Output)
Dispositivi per la lettura dati (da mondo->calcolatore, es: tastiera)
e per la scrittura dati (da calcolatore->mondo, es: schermo )
Bus di comunicazione
(via di trasmissione dati e comandi tra due dispositivi,
Bus Dati, Bus Indirizzi, Bus di Controllo
Ambiente hardware architettura del calcolatore: UC, MC
4
Struttura di un calcolatore, approssimata:
Unita’
Centrale
Schermo
Memoria
(Dispositivo
Centrale
(ram e rom) di uscita)
Disco HD
(memoria
periferica)
Dischetto
(memoria
periferica)
vie (“bus”) di
trasmissione
segnali e dati
Tastiera
(dispositivo
di ingresso)
la parte “fisica” = insieme dei componenti = “hardware”
Ambiente hardware architettura del calcolatore: UC, MC
l’ U.C. esegue le istruzioni,
al ritmo di N istruz/secondo,
con N dell'ordine di 100
..1000 milioni (2004); tutta
l'elaborazione avviene in UC
Unita’
Centrale
Schermo
(dispositivo
di uscita)
5
la MC contiene i programmi
“attivi” (istruzioni e dati) in
un dato momento (l'UC puo'
eseguire solo istruzioni che
stanno in MC !)
memoria rom = memoria in
sola lettura, indelebile;
Memoria
memoria ram = memoria
Centrale
volatile,
si
cancella
se
manca
(ram e rom)
l'alimentazione
Disco HD
(memoria
periferica)
Tastiera
(dispositivo
di ingresso)
altre
memorie
periferiche
Ambiente hardware architettura del calcolatore: uscita: schermo
6
sullo schermo sono visualizzati le informazioni (stato)
del sistema e i risultati dei programmi, in genere tutte
le informazioni di interesse e/o richieste dall'utente
il calcolatore
legge da tastiera i
Schermo
comandi e i dati
Memoria
Unita’
(Dispositivo inseriti da chi lo
Centrale
Centrale
(ram e rom) di uscita) usa
Disco CD /
DVD / ..
Disco HD
(memoria
periferica)
Dischetto
(memoria
periferica)
Tastiera
(dispositivo
di ingresso)
architettura del calcolatore: memorie periferiche
Unita’
Centrale
7
Schermo
Memoria
Tastiera
(Dispositivo (dispositivo
Centrale
di ingresso)
(ram e rom) di uscita)
Disco HD
(memoria
periferica)
Dischetto
(memoria
periferica)
sul HD hard disk sono memorizzati
programmi e dati in modo
persistente, disponibili anche dopo
alcuni anni (con o senza
alimentazione) capacita' 1G..200G
memoria
periferica
esterna ..
i dischetti (<2003)
piu’piccoli, estraibili,
meno affidabili,
capacita' 1.4 M byte
architettura del calcolatore: il bus
memoria
centrale
(ram,rom)
Tastiera
(dispositivo
di ingresso)
Disco HD
(memoria
periferica)
Dischetto
(memoria
periferica)
Ingresso/
Uscita
parallela
Modem
I/U rete
8
Schermo
(Dispositivo
di uscita)
Ingresso/
Uscita
seriale
Ethernet
I/U rete
bus trasmissione
segnali e dati
I/Usegnale
video
Ethernet
I/U
audio
...
architettura del calcolatore: il bus
memoria
centrale
(ram,rom)
Disco HD
(memoria
periferica)
Tastiera
(dispositivo
di ingresso)
Disco HD
9
Schermo
(Dispositivo
di uscita)
Ingresso/
Uscita
seriale
I/U segnale
video
sul bus di trasmissione dati tra le varie unita' devono viaggiare anche i
segnali di attivazione e di selezione: la comunicazione tra due componenti
(trasmissione dati) avviene seguendo delle regole di un protocollo di
trasmissione: richiesta dell'uso del bus, selezione dell'altro componente
(ogni componente ha un indirizzo), trasmissione, verifica dell'esito,
rilascio del bus ...
unita' centrale o processore o CPU
UNITA' CENTRALE
MEMORIA CENTRALE
10
HW: unita' centrale, memoria centrale e istruzioni macchina
11
la parte centrale del calcolatore sono i 2 componenti base,
la memoria centrale, MC, dove e' memorizzato il
programma da eseguire (cioe' l'insieme delle istruzioni
macchina da eseguire e i dati elaborati dal programma)
- sara' esaminata dopo l'U.C.
l'unita'centrale, UC, dispositivo elettronico progettato
per interpretare ed eseguire un insieme di istruzioni
detto "linguaggio macchina", LM, per contrasto ai vari
linguaggi di programmazione, LP,(come il C++)
ogni UC "capisce" solo il suo LM, e non altro: in
particolare, non puo' eseguire programmi scritti in altri
LM oppure in altri LP
HW: unita' centrale, memoria centrale e istruzioni macchina
12
nessuna UC puo'eseguire un programma scritto in C++ (o
in altro linguaggio di progr.) - per il semplice motivo
che l' UC capisce solo il suo LM linguaggio macchina :
un modello di un'UC in genere NON e'in grado di eseguire
le istruzioni di un altro modello: un Pentium non puo'
eseguire le istruzioni di un PowerPC e viceversa...
OGNI programma scritto in un linguaggio di
programmazione (ad esempio C++) diverso dal LM
DEVE essere tradotto in LM per poter essere eseguito;
i linguaggi di programmazione LP sono definiti in modo che
il procedimento di traduzione di un programma da un LP
in un LM possa essere descritto con un programma e poi
svolto dal calcolatore stesso!
HW: unita' centrale
13
l'unita' centrale o processore
interpreta ed esegue le istruzioni macchina
di tutti i programmi in esecuzione;
il repertorio delle "istruzioni macchina" e'
limitato, circa un centinaio di istruzioni:
il numero di istruzioni macchina diverse che
un unita' centrale sa interpretare di un unita'
va da
circa 50 (macchine RISC o reduced instruction set)
a
circa 200 (CISC o complex instruction set)
Ambiente hardware - l' UC
Unità Centrale di elaborazione o
CPU (Central Processing Unit):
è il nucleo del calcolatore
dove sono eseguite le istruzioni dei programmi
(in versione "linguaggio macchina")
e che controlla (governa, dirige)
tutte le attività del computer
14
Ambiente hardware - l' Unita' Centrale: registri,ALU,CU
15
La CPU è oggi (*) realizzata con un singolo circuito integrato
(chip) (tranne su macchine molto grandi)
ed è costituita (composta) internamente da diversi elementi:
un insieme di registri di lavoro e di altri tipi,
unità logico-aritmetica ALU (Arithmetic and Logic Unit)
unita' aritmetica in virgola mobile
FPU (Floating Point Unit) per i calcoli in virgola mobile
CU (Control Unit, Unità di Governo), gestisce l'esecuzione
delle istruzioni
___________
(*) primo processore integrato in un unico circuito e' dell' inizio
anni 70, il Intel 4004, con meno di 20k componenti
Struttura interna di un' unita' centrale
16
BUS DATI (da e per la memoria e altri dispositivi)
Registro
accumulatore
Instruction Reg.
Altri
Registri
di
lavoro
(in totale
da uno
a 64 …)
ALU
QuickTime™ and a
decompressor
are needed to see this picture.
Interprete
istruzione
Logica di
controllo
ALT RI REGISTRI SPECIA
LI/ DI STATO/
AU SILIA RI
[ +MEMO RIA
CACHE ]
CU
Segnali di Controllo
BUS IND IRIZZ I (verso la memoria e altri dispositivi)
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
17
registri dell'unita' centrale:
ogni calcolatore ha piu' registri (32 o 64)
sono dispositivi di memoria (di pochi byte) molto veloci
istruzioni di spostamento dati da/a registro macchina
sono molto veloci (dell'ordine del nano secondo o
frazione);
*copiare un dato in un registro
(scrivere in un registro, o "caricare" dati nel registro)
*trasmettere un dato da un registro (a un altro, o al bus)
(leggere un dato da un registro)
- operazioni che scrivono/leggono tutti i bit
in parallelo allo stesso istante
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
18
nei registri sono tenuti i dati in uso corrente dalle istruzioni del
programma;
ogni calcolatore ha istruzioni macchina per copiare un dato in
un registro (scrivere un dato in un registro) e per trasmettere un
dato da un registro (leggere un dato da un registro)
la trasmissione dati da/a registro sono sempre operazioni che
scrivono/leggono tutti i bit in parallelo allo stesso istante:
questo tipo di parallelismo e' presente in tutti i calcolatori;
0 1 1 0 1 1 1 1
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
19
OGNI calcolatore ha piu' registri (almeno due, oggi 32 o 64);
nei registri sono tenuti i dati in uso corrente dalle istruzioni del
programma; i primi calcolatori avevano un registro RA
(reg.accumulatore) usato per la somma, per fare
c diventa a piu' b
si esegue la sequenza tipica di 3 istruzioni:
1) metti a in RA
(copia dato da Mem[a]=mem.centrale di indirizzo a nel RA)
2) aggiungi b a RA
(somma: passa dato a (sta in RA) e dato b (sta in Mem[b])
alla ALU, il risultato a+b va in RA)
3) memorizza il risultato da RA in c
(copia il dato a+b (risultato della somma) da RA in c ovvero in
Mem[c]=memoria centrale di indirizzo c)
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
20
le operazioni aritmetiche e logiche sono svolte dalle
unita' funzionali [ALU = arithmetic and logic unit] =
dispositivi elettronici che sanno fare le operazioni
aritmetiche e logiche su uno o due dati (uno sta nel
registro RA e uno sta in memoria centrale)
esempio per le operazioni logiche:
prodotto logico (and) tra due dati
ad es: 8 bit ciascuno, dato A
dato B
risultato,
dato C
somma logica (or) tra due dati
ad es: 8 bit ciascuno, dato A
dato B
risultato,
dato C
00110011
00001111
00000011
00110011
00001111
00111111
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
21
le operazioni aritmetiche e logiche sono svolte dalle
unita' funzionali [ALU = arithmetic and logic unit] =
dispositivi elettronici che sanno fare le operazioni
aritmetiche e logiche su uno o due dati (uno sta nel
registro RA e uno sta in memoria centrale)
esempio per le operazioni logiche:
complemento (not) di un dato
ad es: 8 bit ciascuno, dato A 0 0 1 1 0 0 1 1
risultato,
dato C 1 1 0 0 1 1 0 0
scorrimento a destra (shift) di dato per una posizione:
ad es: 8 bit ciascuno, dato A 0 0 1 1 0 0 1 1
risultato,
dato C 0 0 0 1 1 0 0 1
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
22
le operazioni aritmetiche e logiche sono svolte dalle
unita' funzionali [ALU = arithmetic and logic unit] =
dispositivi elettronici che sanno fare le operazioni
aritmetiche e logiche su uno o due dati;
per l'aritmetica servono uno o due registri:
somma intera di due numeri interi con segno
ad es: 8 bit ciascuno, dato A 0 0 1 1 0 0 1 1
dato B 1 0 0 1 1 0 0 1
risultato,
dato C 1 1 0 0 1 1 0 0
ancora: 8 bit ciascuno, dato A 0 1 1 1 1 1 1 1
dato B 0 0 0 0 0 0 0 1
risultato,
dato C 1 0 0 0 0 0 0 0
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
23
nota: per il prodotto o la divisione servono due registri:
prodotto intero di due numeri interi con segno:
caso di operandi "piccoli", risultato ancora a 8 bit:
8 bit ciascuno, dato A 0 0 0 0 1 1 1 0 (14)
dato B 0 0 0 1 0 0 0 1 (17)
risultato, dato C 1 1 1 0 1 1 1 0 (238)
prodotto di due numeri spesso NON sta in un registro:
8 bit ciascuno, dato A
0 1 0 0 1 0 0 1 (73)
dato B
0 1 0 0 1 0 0 1 (73)
il risultato
0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 (5329)
richiede piu' di 8 bit (in genere 2n bit, qui 16 bit!) =>
il risultato sta in DUE registri
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
24
divisione intera di due numeri interi con segno
in genere produce un quoziente ed un resto:
8 bit ciascuno, dato A 0 1 0 0 1 0 0 1 (73)
dato B 0 0 0 1 0 1 0 0 (10)
risultato, quoziente C 0 0 0 0 0 1 1 1
(7)
resto:
D 00000011
(3)
il risultato ric hiede anche qui due registri ...
vi sono due unita' aritmetiche separate, una per dati
interi ALU e una per dati floating FPU;
l'unita' aritmetica floating fa l'aritmetica sui numeri in
virgola mobile; si noti che le operazioni aritmetiche
in virgola mobile richiedono operazioni piu' complesse,
e quindi piu'tempo ...
vie dati e vie segnali
25
un conduttore puo' portare un segnale di controllo
- un bit - (ad esempio un segnale di "apri una porta
logica e fa passare un dato da un registro all'altro")
graficamente:
un fascio di conduttori puo' portare in parallelo un
insieme di dati - di bit - da un circuito all'altro, ad
esempio
- 32 bit per un indirizzo - 64 bit per un dato graficamente:
oppure:
bus = un insieme di conduttori che trasmette sia segnali
di controllo che segnali di indirizzi e dati
Struttura interna di un' unita' centrale
26
BUS DATI (da e per la memoria e altri dispositivi)
Registro
accumulatore
Instruction Reg.
Altri
Registri
di
lavoro
(in totale
da uno
a 64 …)
ALU
QuickTime™ and a
decompressor
are needed to see this picture.
Interprete
istruzione
Logica di
controllo
ALT RI REGISTRI SPECIA
LI/ DI STATO/
AU SILIA RI
[ +MEMO RIA
CACHE ]
CU
Segnali di Controllo
BUS IND IRIZZ I (verso la memoria e altri dispositivi)
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware - l' UC
27
Unità Centrale di elaborazione o CPU (Central Processing Unit):
è il nucleo del calcolatore che controlla tutte le attività del computer.
La CPU è oggi realizzata con un singolo circuito integrato (chip) (tranne su
macchine molto grandi) ed è costituita internamente da diversi elementi:
un insieme di registri di lavoro e di altri tipi,
(ogni registro e' una piccola memoria veloce per contenere dati,
istruzioni e informazioni sullo stato dell'esecuzione dei programmi)
unità logico-aritmetiche ALU (Arithmetic and Logic Unit)
per i calcoli su numeri interi e le operazioni logiche ...
FPU (Floating Point Unit) per i calcoli matematici in virgola mobile
operazioni standard: +, -, *, /, and, or, xor, shift, ecc
CU (Control Unit, Unità di Controllo), che gestisce (attiva e controlla)
l'esecuzione delle istruzioni.
Al giorno d'oggi il termine microprocessore è sinonimo di CPU,
la maggior parte delle unita’ centrali o processori
sono realizzate in un unico circuito integrato (con milioni di componenti)
HW: bus di sistema
28
l'unita' centrale interagisce con il resto attraverso un
insieme di conduttori detto bus di sistema,
composto da 3 parti:
un insieme di conduttori che porta un dato
(bus dati)
un insieme di conduttori che porta un indirizzo
(bus indirizzi)
un insieme di conduttori che porta i segnali di controllo
per governare, coordinare e sincronizzare le varie parti
(bus controllo)
Ambiente hardware - l' UC : bus dati / bus indirizzi
29
I microprocessori si possono classificare sulla base del num. di
bit utilizzati in parallelo per i dati (calcoli/elaborazioni), ossia
parola (word) usata dalla CPU (8, 16, 32, 64 bit del BUS DATI),
sulla base del numero di locazioni (celle) di memoria primaria
indirizzabili (num. locazioni = 2N, dove N è il numero di linee
parallele del BUS INDIRIZZI; usualmente (2004) N = 32 bit,
che permette di indirizzare 4 miliardi (giga) celle di memoria).
(2006: molte macchine hanno un bus indirizzi a 64bit -> indirizzabili fino a (10 alla 20) celle di memoria centrale !)
tra i vari dispositivi collegati tra loro dal bus viaggiano
dei segnali di comando, di controllo, di sicronizzazione ecc:
BUS CONTROLLO ;
i tre componenti assieme sono il
bus di sistema
registri
30
registri dell' unita' centrale
contengono i valori dei dati correnti in uso =
stato dell' U.C. in ogni istante
Ambiente hardware - l' UC - i registri PC, IR, Rk
31
registri dell' Unita' Centrale (schema semplificato)
sono memorie molto veloci (meno di nano secondi per
registrare/leggere un dato); durante l' esecuzione di
un' istruzione i dati sono spesso spostati (scritti, letti,
copiati) tra i registri dell' UC (vi sono dei bus interni
per tale fine)
PC (Program Counter) - qui sta l'indirizzo (di memoria
centrale) dell' istruzione da eseguire
IR (Instruction register) - contiene il codice
dell'istruzione in corso
Registri di lavoro (ad es. 32 registri da 32 bit
ciascuno), numerati (ad es.: R0, R1, .. R31)
Ambiente hardware - l' UC - registri SR, RI,
32
Altri registri dell'unita' centrale,
(oltre ai citati PC, IR, Registri di lavoro)
SR registro di stato (status register)
(dove sono memorizzate informazioni sull'esecuzione,
ad es. il segno del risultato dell'ultima operazione
aritmetica, una particolare situazione di errore ecc)
TR registro per il controllo di interruzioni
(segnali di richiesta di attenzione da dispositivi di I/U)
Registri con indirizzi / con valori particolari,
e altri (SP stack pointer, SR1 stato utente/supervisore)
unita' centrale UC o Central Processing Unit CPU: l'unita'governo
DATA
ADDRESS
Program Counter
Instruction Register
ALU
General Register 0
General Register 1
General Register 2
General Register 3
Status Register
UNITA' DI
GOVERNO
(CONTROL
UNIT)
OROLOGIO
33
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
34
l'unita' di governo (inglese "control unit") interpreta ed
esegue le istruzioni macchina (da essa escono tutti i
segnali di controllo necessari per l'esecuzione istruzioni)
per eseguire un'istruzione macchina essa DEVE essere
presente nel registro istruzioni - le istruzioni hanno un
formato fisso, oppure uno o due o pochi formati.
dalla memoria centrale
registro istruzioni
segnali di controllo
unita' di
governo
(control
unit)
Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
35
l'unita' di governo interpreta ed esegue le istruzioni:
la decodifica e l' esecuzione sono scandite dal ritmo base
dato dall' orologio interno (clock); si noti che
l'esecuzione di un' istruzione richiede piu' cicli base
dalla
memoria
centrale
segnali da altri registri
segnale di orologio
registro istruzioni
segnali di controllo
unita' di
governo
(control
unit)
Ambiente Hardware - la CPU: l' unita' di governo
36
unita' di governo (control unit)
e' la parte meno visibile ma piu' importante dell' unita'centrale,
e' un insieme di circuiti logici dove avviene la decodifica e dove
viene realizzata/gestita l'esecuzione delle istruzioni : l'unita' di
governo interpreta ed esegue le istruzioni, a tal fine controlla
tutti i passaggi dati e/o indirizzi all'interno dell'unita' centrale
(registri - ALU - bus esterno) via uno o piu' bus interni - sono le
micro-azioni necessarie per eseguire un'istruzione:
la sequenza di micro-azioni da eseguire (per eseguire un'
istruzione macchina ) avviene in tempi molto brevi scanditi da
un "micro orologio interno":
l'esecuzione di un'istruzione e' una sequenza di microistruzioni
queste sequenze possono a loro volta essere realizzate come un
micro programma (UC microprogrammate) oppure con circuiti
logici ad hoc (UC cablate) ... firmware
ciclo istruzione
37
il ciclo istruzione:
1) prendi un'istruzione del programma
(sta in memoria centrale)
2) interpreta questa istruzione (decodifica)
(il numero istruzioni diverse da 50 a 200)
3) esegui l'istruzione (le azioni relative
dipendono da che istruzione devo fare)
4) modifica (incrementa) il PC per la prossima istr.,
poi ripeti da inizio passo 1) (senza fermarti mai)
Ambiente hardware - l' UC: ciclo istruzione
38
L' unita' centarle esegue le istruzioni del programma
(sono sempre e solo istruzioni macchina!!) per essere eseguite le istruzioni devono essere
disponibili velocemente all' unita' centrale per tale motivo le istruzioni stanno in memoria centrale
(sia le istruzioni, sia i dati di queste)
ogni istruzione macchina e' eseguita in un
"ciclo istruzione", che e':
1) prendi l'istruzione dalla memoria centrale (fetch)
2) decodifica l'istruzione (decode)
3) esegui l'istruzione con gli operandi previsti (execute)
4) prepara a prendere la prossima istruzione
per fare questo, l'U.C. ha molti registri
Ambiente Hardware - l' UC: ciclo istruzione
39
1) prendi l'istruzione dalla memoria centrale, che sta
nella cella di indirizzo PC (program counter dato dal
registro PC) e metti l'istruzione nel RI registro
istruzione, schematicamente: MC[PC] -> IR
2) decodifica l'istruzione: ovvero "interpreta"
l'istruzione, e vedi cosa si deve fare
3) esegui l'istruzione ... ad es. : somma due valori
contenuti in dei registri di lavoro dell'UC e metti il
risultato in un altro registro di lavoro (* pagina dopo)
4) prepara per la prossima istruzione: cambia il valore
del registro PC in modo che esso ora dica dove sta la
prossima istruzione; se ad es. ogni istruzione e' lunga 4
byte, allora ad ogni passo si incrementa il PC di 4.
Ambiente Hardware - l' UC: ciclo istruzione
40
3) esegui l'istruzione ... ad es. :
ADD R4,R9,R10
somma due valori contenuti nei registri di lavoro
dell'UC R4 e R9 e metti il risultato in un altro registro
di lavoro R10
l'esecuzione di un' istruzione implica sempre una
sequenza (prefissata) di azioni "semplici" da fare:
l'istruzione di sopra implica ad esempio: fa passare il
dato dal R4 all'unita ALU, fa passare il dato da R9
all'ALU, attiva l'ALU con somma, preleva il risultato
dall'ALU e copialo in R10...
ciascuna di queste operazioni implica varie operazioni
elementari a livello di "porte logiche" o circuiti
elettronici che realizzano queste operazioni ...
41
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware
MC - memoria
centrale:
istruzioni e dati
sono prelevati
dalla MC, i
risultati vanno
in MC - c'e'
una continua
interazione tra
UC e MC !
vedremo in
seguito di piu'
sulla MC
memoria
centrale
unita'
centrale
RL0
RLk
istruzione
PC
bus
interno
(dati,
segnali)
RS
IR
PC
bus (dati,indir.,controllo)
altri dispositivi
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware
memoria
centrale
unita'
centrale
RL0
RLk
istruzione
PC
bus
interno
(dati,
segnali)
RS
IR
PC
bus (dati,indir.,controllo)
altri dispositivi
42
ciclo istruzione
inizia con la fase di
recupero o fetch:
l'UC chiede alla
MC di leggere il
contenuto della
cella di memoria di
indirizzo PC
(program counter)
-> questo e' l'
istruzione da
eseguire ! essa va
messa nel registro
IR
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware
memoria
centrale
unita'
centrale
RL0
RLk
istruzione
PC
bus
interno
(dati,
segnali)
RS
IR
PC
bus (dati,indir.,controllo)
altri dispositivi
43
l'istruzione che si
trova nel registro
IR viene
decodificata
dall'unita' di
governo, e quindi
eseguita
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware
memoria
centrale
unita'
centrale
RL0
RLk
istruzione 1
PC
istruzione 2
istruzione 3
bus
interno
(dati,
segnali)
RS
IR
PC
bus (dati,indir.,controllo)
altri dispositivi
44
finite le fasi di
recupero+decodifica
+esecuzione si passa
alla prossima
istruzione: cambia il
PC in modo che
corrisponda all'
indirizzo della pros
sima istruzione : e
fine ciclo istruzione
e inizio del prossimo
ciclo istruzione (con
un nuovo PC, e con i
registri dell'UC
cambiati)
memoria centrale
la memoria centrale "sa"
eseguire due comandi:
scrivi un dato X in
memoria all'indirizzo I,
cioe' copia un insieme di
bit X (da 8 a 64) dal bus
dati (X fornito dall' UC)
in una cella di indirizzo I
leggi un dato X dalla
memoria dall'indirizzo I
cioe' copia un insieme di
bit X da una cella di
memoria di indirizzo I sul
bus dati :
45
controllo memoria
bus dati
X
bus indirizzi
I
I
X
celle di
memoria
...
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware
memoria
centrale
unita'
centrale
RL0
RLk
bus
interno
(dati,
segnali)
RS
IR
PC
bus (dati,indir.,controllo)
altri dispositivi
46
Ciclo istruzione
47
un programma in linguaggio macchina: istruzioni (qui solo
quattro istruzioni, codici 3,4,7,9) e dati (qui tre dati, 22,33,55)
indirizzo
di memoria
097
098
099
101
102
103
104
105
contenuto
della cella
000022
000033
000000
3 097 R1
3 098 R2
7 R1,R2,R3
4 099 R3
9 00
commento
dato 22
dato 33
risultato sara' 55
istruzione 3 preleva (load) in R1
istr. 3 preleva da MC in R2
istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3
istr. 4 memorizza da R3 in MC
istr 9 stop (oggi non esiste piu')
Il "programma" esegue una somma di due numeri, prelevati
dalla MC agli indirizzi 97 e 98, e poi memorizza il risultato in
MC all'indirizzo 99, dove alla fine troveremo il valore 55.
un frammento programma in linguaggio macchina/assembly.48
indirizz
di mem
097
098
099
101
102
103
104
105
contenuto
della cella
000022
000033
000000
3 097 R1
3 098 R2
7 R1,R2,R3
4 099 R3
9
istruzione ; commento
assembler
x dec 22
; dato 22, indirizzo MC x=97
y dec 33
; dato 33, indirizzo MC y=98
z bss 1
; cella per il risultato indir.z
L R1,x
; 3=preleva (load) in R1
L R2,y
; 3=preleva da MC in R2
A R1,R2,R3; 7=somma R1+R2 ->R3
St R3,z
; 4=memorizza R3 in MC
Stop
; 9=stop (non esiste piu')
Il "programma" esegue una somma di due numeri, prelevati
dalla MC agli indirizzi 97 e 98, e poi memorizza il risultato in
MC all'indirizzo 99, dove alla fine troveremo il valore 55.
Nota che le istruz.macchina 3 e 4 hanno due operandi, la 7 ha tre
operandi (addendi e risultato), la 9 non ha alcun operando.
Ciclo istruzione
097
098
099
101
102
103
104
105
000022
000033
000000
3 097 R1
3 098 R2
7 R1,R2,R3
4 099 R3
9 00
49
dato 22
dato 33
risultato
istr. 3 preleva (load) in R1
istr. 3 preleva da MC[98] in R2
istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3
istr. 4 scrivi da R3 in MC[99]
istr 9 stop (oggi non esiste piu')
vediamo piu' in dettaglio l'esecuzione:
*) fase fetch o prelievo istruzione: all'inizio il registro PC
contiene l'indirizzo della prima istr. da eseguire (qui PC=101); il
valore del PC viene trasmesso alla MC (bus indirizzi) assieme al
comando leggi, la MC legge dalla cella di memoria di indirizzo
101 il suo contenuto e lo passa attraverso il bus dati all'UC, che
lo scrive (lo memorizza) nel registro IR
Ciclo istruzione
097
098
099
101
102
103
104
105
000022
000033
000000
3 097 R1
3 098 R2
7 R1,R2,R3
4 099 R3
9 00
50
dato 22
dato 33
risultato
istr. 3 preleva (load) in R1
istr. 3 preleva da MC[98] in R2
istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3
istr. 4 scrivi da R3 in MC[99]
istr 9 stop (oggi non esiste piu')
[ continua esecuzione ]:
*) terminato il prelievo l'istruzione sta in IR; inizia ora la
**) fase di esecuzione dell'istruzione: l'istruzione deve essere
decodificata (in base al codice che sta in una parte fissa
dell'istruzione) e quindi eseguita (e qui l'esecuzione dipende
dalla particolare istruzione: l'istruzione 0 = NO-Operation
(istruzione vuota) non fa nulla, l'istruz. FD R1,R2,R3 floating
divide puo' richiedere molti cicli base della macchina
Ciclo istruzione
097
098
099
101
102
103
104
105
000022
000033
000000
3 097 R1
3 098 R2
7 R1,R2,R3
4 099 R3
9 00
51
dato 22
dato 33
risultato
istr. 3 preleva (load) in R1
istr. 3 preleva da MC[98] in R2
istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3
istr. 4 scrivi da R3 in MC[99]
istr 9 stop (oggi non esiste piu')
ciclo istruzione:
*) fetch: metti in IR l'istruzione che sta in M.C. all'indir.PC
**) l'istruzione e' decodificata nell'U.di Governo e poi eseguita
***) il PC viene messo all'indirizzo della prossima istruzione:
se l'istruz.corrente e'lunga 1,2,k celle, allora si incrementa il PC
di 1,2,k unita';
097
098
099
101
102
103
104
105
000022
000033
000000
3 097 R1
3 098 R2
7 R1,R2,R3
4 099 R3
9 00
Ciclo istruzione
dato 22
dato 33
risultato
istr. 3 preleva (load) in R1
istr. 3 preleva da MC[98] in R2
istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3
istr. 4 scrivi da R3 in MC[99]
istr 9 stop (*) oggi non esiste piu'
52
il ciclo istruzione :
recupera istruzione, decodifica, esegue, aggiorna il PC (all'indirizzo della
prossima istruzione)
Questo ciclo e' ripetuto per ogni istruzione eseguita dalla
macchina, nel nostro caso, per cinque istruzioni, dalla 101 alla 105:
PC<-101, {3 097 R1}-> IR, esegui quindi l'istruzione 3 all'indir. 106...
(*) NOTA: nelle UC correnti NON esiste l'istruzione di arresto (stop),
l'UC esegue continuamente delle istruzioni
dal momento di accensione fino a che si spegne
formato istruzione
53
Ogni istruzione e' composta da una o piu' informazioni:
* operazione da fare o codice istruzione:
da 4 bit (al massimo 16 istruzioni) a
8 bit (al massimo 256 istruzioni)
qui assumo 8 bit per il codice istruzione;
* operandi (da zero a piu');
ad es. l'istruzione all'indirizzo 101:
3 097 R1 ;"preleva (load) in R1 da mem.di indirizzo 091)"
(con due operandi) potrebbe avere il formato:
8 bit
16 bit
istruz 3 indirizzo memoria 091
in totale 29 bit ...
5 bit
indirizzo registro 01
formato istruzione
54
l'istruzione di sposta dato da memoria centrale in registro
"preleva (load) in R1 da mem.di indirizzo 091)" :
3 097 R1 potrebbe avere il formato (in totale 29 bit)
8 bit
16 bit
5 bit
istruz indirizzo memoria
indirizzo registro
a 16 bit (in totale 64k) (max 32 registri)
se ho la memoria centrale con 4G di celle di memoria?
allora devo avere la possibilita' di indirizzare 4G
indirizzi, e quindi devo avere 32 bit per un indirizzo di
memoria centrale - cambia il formato istruzione:
8 bit 32 bit
5 bit
istruz indirizzo memoria indirizzo registro
in totale 45 bit ...
formato istruzione
55
formati di altre istruzioni:
somma due valori dati nei registri Rk e Rl e metti il
risultato nel registro Rm
-tre operandi "brevi" da 5 bit - 15 bit per operandi
salta all'indirizzo z (metti il valore z nel registro PC)
-un operando "lungo" = indirizzo di memoria (32 bit)
non fare nulla e passa alla prossima istruzione
-zero operandi (zero bit per operandi)
gruppi di istruzioni: istruzioni di aritmetica e logiche
56
non affrontiamo la codifica delle istruzioni macchina ...
ricordiamo solo alcuni gruppi principali di istruzioni
macchina, presenti in tutte le UC correnti:
1) istruzioni aritmetico/logiche gia' viste
(+,-,*,/, and,or,xor,complem, scorrimento,...),
con operandi nei registri oppure in memoria centrale
(oggi le UC tendono a avere istruzioni aritm./logiche
con operandi SOLO nei registri, e NON in memoria
centrale, perche' questo rallenta l'UC: l'accesso alla
MC e' sempre molto piu' lento dell'accesso ai registri
(ordine di grandezza: MC: circa 1/2..1/50 di micro
secondo, Registro: 10-100 volte di meno)
formato istruzione
57
1) istruzioni aritmetico/logiche
2) istruzioni di spostamento (move) dati:
Registro -> Registro, (esecuzione veloce)
memoria centrale -> registro (move o load),
registro -> memoria centrale (move o store) ...
le istruzioni Load e Store (o Move da/a MC)
richiedono un'accesso alla MC, che e' piu' lenta;
per rendere l'accesso alla MC piu' veloce si usa una
memoria intermedia di transito, detta cache memory,
dove stanno i dati (blocchi di MC) in uso corrente;
la cache puo' essere un dispositivo separato
o / e incorporata nell'UC; puo' essere a piu' livelli...
formato istruzione
58
cache memory:
piu' veloce della memoria centrale, meno veloce dei
registri, usata per far "vedere" (all' unita' centrale) la
memoria centrale piu' veloce, e quindi poter far
lavorare piu' veloce l'unita'centrale;
nella cache stanno i dati (blocchi di MC) in uso
corrente; se un dato o un'istruzione richiesta dall'u.c.
non sta nella cache, allora la cache richiede il blocco di
memoria interessato alla m.c., e l'u.c. aspetta...
la cache puo' essere un dispositivo separato
o / e incorporata nell'UC; puo' essere a piu' livelli...
gruppi di istruzioni
59
gruppi di istruzioni: 1) aritmetico/logiche
2) spostamento dati
3) controllo sequenza (flusso) di esecuzione:
salto (dalla istruzione corrente si salta ad altra
istruzione, di cui si specifica l'indirizzo di memoria)
4) salto condizionato (test) - salta se si verifica
qualcosa, ad es. se il valore in un registro e' zero...
oppure se il risultato dell'ultima operazione aritmetica e' negativo, oppure se c'era un overflow ...
gruppi di istruzioni
60
gruppi di istruzioni:
1) aritmetico/logiche
2) spostamento dati
3) salto non condizionato
4) salto condizionato
5) istruzioni di conteggio, di ciclo, di ripetizione ...
sono la realizzazione a livello di linguaggio macchina di
cicli di istruzioni da ripetere n volte, quindi con uso di
contatore (registro), test, salto condizionato ecc...
segue un esempio di frammento di programma in
linguaggio macchina con ciclo di ripetizione ...
ciclo istruzioni macchina
097
098
099
101
102
103
104
105
106
107
000011
000001
000000
3 097 R1
3 098 R2
7 R2,R2,R2
8 R1,-1
10 R1,103
4 099 R2
9 00
61
; dato 11
; dato 1
; risultato
; metti 11 in R1
; metti 1 in R2
; somma R2 e R2, ris in R2
; decrementa R1 di uno
; salta in 103 se R1 >= 0
; metti R3 in MC[99]
; istr 9 stop (non esiste piu')
e' un ciclo di istruzioni che viene eseguito 11 volte,
ad ogni passo viene raddoppiato il valore in R2 (1+1=2,
poi 2+2=4, poi 4+4=8, ecc)
gruppi di istruzioni
gruppi di istruzioni:
1) aritmetico/logiche
2) spostamento dati
3) salto non condizionato
4) salto condizionato
5) istruzioni di conteggio, di ciclo, di ripetizione ...
6) istruzioni di salto a sottoprogramma
consentono l'uso di gruppi di istruzioni
di uso frequente, con salto e conservazione dell'
indirizzo di ritorno all' istruzione seguente il salto
non si esaminano qui (vedi corso di architettura
dei calcolatori e programmazione in assembly)
62
63
gruppi di istruzioni
1) aritmetico/logiche
2) spostamento dati
3) salto non condizionato
4) salto condizionato
5) istruzioni di conteggio, di ciclo, di ripetizione ...
6) istruzioni di salto a sottoprogramma
7) istruzioni di gestione di interruzioni, cambio stato
istruzioni privilegiate (riservate a programmi eseguiti
in "stato privilegiato"), come controllo dei dispositivi di
ingresso e uscita ...
nota: ogni UC ha almeno un particolare registro dove sono
raccolte le informazioni sullo stato dell'unita' centrale ,
sull'ultimo risultato aritmetico, e altro e' lo STATUS REGISTER
gruppi di istruzioni
64
1) aritmetico/logiche
2) spostamento dati
3) salto non condizionato
4) salto condizionato
5) istruzioni di conteggio, di ciclo, di ripetizione ...
6) istruzioni di salto a sottoprogramma
7) istruzioni di gestione di interruzioni, operazioni di
ingresso/uscita, di cambio dello stato
l'UC puo' essere in uno di due stati diversi:
* stato utente (in cui sono vietate alcune istruzioni
"pericolose") se si sta eseguendo un programma di un
utente normale
* stato supervisore (in cui l' UC puo'eseguire tutte le
istruzioni) se e' in esecuzione un programma del
sistema operativo
istruzioni
65
un es. di istruzioni pericolose:
cambia i limiti di memoria assegnata all'utente, ovvero
leggi o scrivi in zone di memoria che non appartengono
al programma:
in genere ogni programma ha a disposizione solo una
parte della memoria centrale, una zona istruzioni e una
zona dati; il programma NON puo' accedere alle altre
zone di memoria; solo i programmi del sistema
operativo possono accedere a tutte le zone di memoria
centrale (per necessita'!) - ma si suppone che tali
programmi siano corretti, e non distruggano parti di
memoria in uso da altri programmi ... (*)
_______
virus, programmi "malintenzionati" possono invadere tutte le zone di MC
memoria centrale
66
MEMORIA CENTRALE
ambiente hardware : memoria centrale
67
MC memoria centrale
o memoria principale (primary memory):
la memoria è il dispositivo che rende “programmabile” il
calcolatore stesso:
la memoria immagazzina e rende disponibili / modificabili
sia i programmi (le sequenze di istruzioni da eseguire) sia le
informazioni (i dati) relativi ad ogni elaborazione con tempi
di accesso molto piccoli (meno di 10E-7 =100 miliardesimi di
secondo= 100 nanosecondi) ma maggiori dei tempi dell'UC.
E' formata da cellette (locazioni di memoria), ognuna con un
indirizzo univoco (arriva dalla CPU mediante il BUS
INDIRIZZI) e ognuna contenente le informazioni (dati e/o
istruzioni) codificate in binario, con numero bit fisso (8..64)
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware
68
La memoria MC "sa" fare due cose:
memorizzare un dato - in risposta al comando:
" scrivi in memoria nella cella di indirizzo xxx
il dato zzz"
zzz -> MC[ xxx ]
"leggi dalla memoria il dato zzz che si trova nella
cella di indirizzo xxx"
MC[ xxx ] -> zzz
per farlo, si deve avere un collegamento con:
bus indirizzi (unidirezionale, in ingresso alla memoria)
bus dati (bidirezionale, scrivo in MC, leggo da MC)
bus di controllo (leggi/scrivi, lavora/non lavora..)
-->> bus indirizzi fissa quante celle ho al max in MC
-->> bus dati fissa il formato di ogni cella (unico!)
Memoria Centrale
00000001
00000002
00000003
00000004
00000005
00000006
00000007
...
0FFFFF8
0FFFFF9
0FFFFFA
0FFFFFB
0FFFFFC
0FFFFFD
0FFFFFE
0FFFFFF
07
10
FF
00
69
bus di controllo (leggi/scrivi)
bus indirizzi
bus dati
operazioni sulla MC:
scrivi un dato in memoria = store
leggi un dato dalla memoria = fetch
memoria centrale
alcune caratteristiche della memoria centrale :
tempo di accesso - costante o variabile?
durata della memorizzazione - limitata?
organizzazione - insieme di celle di memoria ...
tecnologia - elettronica / magnetica ...
controllo / correzione di errore
...
70
memoria centrale 71
la memoria centrale e' in gran parte memoria RAM:
(random access memory) =
memoria in scrittura e in lettura,
detta RAM perche' il tempo di accesso alle singole
celle e' costante con qualunque sequenza di accesso,
anche casuale; contiene i programmi in esecuzione
e in parte e' memoria ROM, (read only memory)
dove vengono preregistrati alcuni programmi
(di primo avvio, quelli piu' usati dal sistema ecc)
in maniera indelebile (nota: la rom e’ anche ram,
ma una ram di solito non e’ rom, si puo' solo leggere)
nota: la memoria RAM e' "volatile", nel senso che se
manca l'alimentazione elettrica si perdono tutti i dati
ivi memorizzati (e quindi si perde il lavoro corrente :-(
Livelli di memoria
72
Nei calcolatori la memoria M (per le istruzioni e i dati) è
strutturata in livelli a seconda del tempo di accesso e della
relativa “vicinanza” all’ unita’ centrale UC:
• registri dell’UC (circa 1 nano secondo)
• cache memory (memoria molto veloce 10-30 nanosec., spesso
integrata nell’ UC) bufferizza istruzioni e dati cioe'
e' un tampone [transito] tra CPU e Mem
• memoria principale (ad accesso diretto, RAM e ROM, veloce
40-80 nanosec., organizzata in “banchi”, chip ad altissima
integrazione) - comunica con l'UC attraverso il bus di sistema
•memoria di massa (tecnologie molteplici magnetiche, ottiche,
ecc.; tempi di accesso di qualche millisecondo, alta capacità di
memorizzazione – dell’ordine di centinaia di giga byte)
livelli di memoria
73
se scendo di livello (mi allontano dall'UC),
la capacita' di memoria aumenta
il costo per bit diminuisce
il sistema operativo che gestisce tutte le risorse
(componenti HW e SW) del calcolatore ha tra i suoi
compiti principali quello di far apparire al
programmatore la memoria in modo uniforme con
capacita' "quasi" uguale alla memoria di massa e
con prestazioni (velocita'di accesso) "quasi" uguali alla
memoria centrale
circuiti di selezione di una cella di memoria
circuiti di selezione di una
cella di memoria:
un esempio di memoria
composta da 64 celle (64=2^6,
in binario posso contare da 0
a 63 usando 6 bit, per cui
servono 6 linee di indirizzo):
sara' attivata la cella all’
indirizzo 010101 (in binario,
ovvero: 010 101 = 2a riga, 5a
colonna) e verra' scritto o
letto il dato di tale cella
(in figura, la cella più scura)
R
o
w
R
o
w
S
e
l
e
c
t
a
d
d
r
e
s
s
R/W
data
Address
bit
0
1
0
1
0
1
C
O
N
T
R
O
L
Read/write Circuitry
Column Select
Column address
74
memoria centrale
75
memoria centrale (RAM) tecnologia a semiconduttori,
e' volatile (perde le info se si spegne) circuiti integrati
di tipo SIMM (Single Inline Memory Module con il bus
dati a 32 bit) o DIMM (Dual Inline Mem Module con il
bus dati a 64 bit),
l'integrato (la schedina) si inserisce su uno zoccolo (socket)
presente sulla "scheda madre" , supporto dove sono messi i
componenti "centrali" collegati dal bus di sistema
DRAM: Dynamic RAM ogni bit e' rappresentato dallo
stato di un transistor, necessitano di un ripristino dello
stato (refresh) a ciclo molto stretto (circa 1 ms);
SRAM (Static RAM – piu' transistor per bit, non
occorre il refresh)
memoria centrale
76
esistono infine memorie "riscrivibili", con tempi di
lettura e di scrittura diversi (scrittura piu' lenta), dove
l'informazione rimane anche in assenza di corrente:
es.: memorie EPROM (Erasable Programmable ROM)
es.: le memorie periferiche "flash" usate per trasporto
informazioni
es.: un controller di impianti o di macchinari (una
lavatrice) dove un piccolo calcolatore (un integrato che
comprende sia l'unita' centrale sia le memorie ROM,
RAM e EPROM) gestisce dei segnali (sia in ingresso sia
in uscita) - in questi casi la memoria NON deve essere
volatile.
memoria centrale
77
solo un cenno al problema della gestione della memoria
centrale, in parte hw in parte sw (sistema operativo!):
ogni programma in esecuzione deve avere una zona di
memoria centrale assegnata solo a lui; la gestione della
memoria centrale e' compito del gestore della m.c., o
memory manager;
il memory manager
* gestisce le parti di memoria centrale libere/occupate
* accoglie le richieste di uso della mem. centrale
quando un programma deve andare in esecuzione,
* riprende in consegna la memoria quando un
programma termina l'esecuzione;
memoria centrale
78
* il programma in esecuzione puo' usare (leggi/scrivi)
solo la parte di mem.centrale che gli e' assegnata;
se un'istruzione del programma tenta di leggere o
scrivere in indirizzi fuori della zona di memoria
assegnata si ha un blocco immediato dell'esecuzione,
(evento di eccezione o trap o interrupt)
e il programma viene eliminato per errore di indirizzo
di memoria
non entriamo in dettaglio sui meccanismi hw di
protezione della memoria ...
dischi
79
MEMORIE DI MASSA
O
DISCHI
Memorie di massa
80
dischi magnetici : da 30 anni i principali dispositivi di
memorizzazione permanente nei calcolatori.
floppy disk (dal 1975 circa)
hard disk (dal 1965 circa)
sono organizzati in:
tracce (tracks) circolari in cui viene registrata
l’informazione letta/scritta da apposite testine (head) di
lettura/scrittura; si parla di cilindri (cylinder) sugli hard
disk, individuati dal numero di “piatti” sovrapposti con cui è
realizzato il disco (2 lati utilizzabili per piatto). ... ogni
traccia e' divisa in :
settori (sector) che suddividono le tracce in modo che
l’informazione sia organizzata “a blocchi” (512, 1024 byte,...)
Fondamenti di Informatica - Dischi
81
Il disco ha le informazioni organizzate in blocchi di byte
singolarmente indirizzabili (leggibili/scrivibili)
dette settori:
un settore = parte di una traccia = parte di una
superficie = parte di una pila di dischi concentrici...)
questa organizzazione deve essere preregistrata (il disco
deve essere "formattato"),
ogni traccia ha un indirizzo,
ogni settore nella traccia ha un indirizzo:
il settore e' la minima unita' singolarmente indirizzabile
e singolarmente scrivibile / leggibile;
conviene (per vari motivi) considerare piu' settori come
un unico elemento singolarmente indirizzabile (leggibile
e scrivibile) detto blocco o cluster di settori
Fondamenti di Informatica - Dischi
82
La dimensione di un disco si calcola pertanto così:
dim = nun_head * num_trac * num_sect * dim_sect
hard disk 1975 (calcolatore facolta'): 5Mb per tutti
Esempio (floppy disk 1985):
1.44 Mb = 2 heads * 80 tracks * 18 sect * 512 bytes
1990: 10-50 M di HD
Esempio (hard disk 1995):
540 Mb = 32 heads * 532 cyl *63 sect * 512 bytes
2002: sono in commercio dischi da 160Gb e + capacita'
dischi nel 2006: da 50 a 350 Gb
dischi
83
esercizio:
reperire su rete le prestazioni di un disco fisso corrente
capacita' (in numero byte totali per un'unita'disco)
tempo di accesso (per iniziare un'operazione di I/U: minimo,
medio, massimo)
velocita' di rotazione (giri/minuto)
densita' di registrazione (bit/pollice)
numero testine (di un'unita')
costo
costo / byte
probabilita' di errore (num.errori/num.byte trasmessi)
cache (memoria tampone per aumentare le prestazioni)
interfaccia (SCSI,IDE,...)
Dischi
84
sul (sui) disco/i fisso sono registrati i dati e i programmi
degli utenti (uno o piu') della macchina:
(storicamente erano registrati su nastro magnetico)
un record = una registrazione di un singolo dato utente
un file = un insieme di record o dati correlati tra loro
file = archivio dati, programma, immagine, canzone ...
nota che un file puo' contenere zero o piu' record;
il numero dei file su disco varia, ma in genere e' molto
alto (un prodotto medio di software si compone oggi di
migliaia di pezzi):
abbiamo bisogno di un sistema di gestione dei dischi
(file system, fa parte del sistema operativo, e' SW)
Dischi
85
il numero dei file su disco e' molto alto:
abbiamo bisogno di un sistema di gestione dei dischi
file system,
il file system fa parte del sistema operativo, (e' SW)
mantiene su ogni disco le informazioni necessarie per
gestire tutto lo spazio di memoria su disco:
* spazio libero su disco,
* spazio occupato dagli archivi presenti su disco(file),
* zone con errori (ogni dato registrato su disco e'
sempre corredato di un controllo di errore)
e per gestire tutta la struttura gerarchica dei file (livelli
organizzati a "cartelle" di "cartelle" di ... ), a partire
dall'indice iniziale o radice del sistema fino ad ogni
singolo file utente / sistema ...
Fondamenti di Informatica: le Periferiche I/O
Periferiche I/O
Le unità di Ingresso/Uscita (Input/Output) sono
utilizzate per mettere in comunicazione il calcolatore
con il mondo esterno (quindi anche con l’utente)
• tastiera
• display
• mouse
• porte seriali e parallele
• connessioni audio / video
• connessioni di rete (di vario tipo)
• sensori (segnali di ingresso)
• attuatori (segnali di uscita)
86
Fondamenti di Informatica - Periferiche I/O
un dispositivo periferico in genere:
* esegue una ricodifica dei dati
(da rappresentazione esterna
a rappresentazione interna e viceversa)
* inpacca / dispacca i dati
* trasmette dati
* controlla i dati trasmessi
* mantiene l'informazione sul proprio stato
(pronto, err, spento..)
ed e' in genere composto da una parte elettronica
e una parte elettromeccanica ...
87
ambiente HW - schermo
88
schermo=dispositivo principale di uscita informazioni;
lo schermo e' (quasi sempre) formato da un reticolo di
elementi immagine (pixel = picture element), dove
appaioni le informazioni destinate all'utente; le
informazioni sono in forma di testo e in forma grafica;
le informazioni in forma grafica sono di vario tipo,
due categorie principali:
disegni vettoriali (risultato di una sequenza di comandi
di visualizzazione o di tracciamento di elementi grafici
elementari (punto, linea, poligono),
disegni a raster (matrice di num_righe x num_colonne)
ogni elemento e' un pixel, con associato il suo colore
schermo
89
precisione dello schermo:
dai primi schermi alfanumerici (anni 60-70) con
schermo di 24 righe per 80 colonne di caratteri, tipico
per un terminale di un sistema Unix, o di un PC, fu
mantenuto con il DOS fino a meta' anni 90;
"breve storia" (vedi internet) schermi grafici
(Apple II, 1977, (600$ nel 77=6000$ oggi) circa 300x190,
(4 AppleII erano "il" lab. didattico di calcolatori 1980
della facolta' di ingegneria di Trieste)
CGA (1981, 320x200,4 colori,Color Graphics Adapter)
VGA (1987, 640x480, 8 bit/pixel, Video Graphics Adap)
XGA(1990, 800x600, 24 bit/pixel,Extended Graphics A)
SVGA (1990, 1600x1200, 24 bit/pix,Super VGA)
AGP (1997, 2048x1536, 32bit/pix,AcceleratedGr.Port)
(vedi su rete, beginners computer history ... )
scermo
90
tecnologia:
primi schermi grafici erano vettoriali, la "penna"
luminosa tracciava direttamente una linea (un punto)
sullo schermo (1960..70, vedi Tektronix), era
l'equivalente elettronico dei plotter meccanici;
poi schede grafiche: memoria bit-map corrispondente
all'immagine schermo, riempita dal programma e usata
per visualizzare il reticolo di pixel sullo schermo (il ZX81
di Sinclair (costo 500.000 lire, tastiera di plastica, da connettere
al TV di casa, la stessa UC, un Z80, era usata meta' tempo per
l'esecuzione programmi e meta' per fornire l'immagine dal
bitmap al circuito RF per il TV)
display LCD ... (Liquid Crystal Display)
display a plasma ... (usato per la HighDefTV) ...
hardware - prestazioni
91
Prestazioni calcolatore (indicative) al 85/97/00/02/04 :
istruzioni al secondo: 10/50/800/1800/3000 milioni
(NB: istruzioni/sec - diverso dal ritmo base dell' UC, o clock di
sistema (piu' veloce), diverso dalle prestazioni del bus di sistema
(piu'lento) e dai tempi della MC
caratteri (byte) memoria centrale 4/32/128/500/1000
milioni (Mega) byte
caratteri di spazio su disco fisso 0,010/1/20/100/..
miliardi (Giga) byte
schermo (pixel): 640x480/ 1000x800 / 1600 x 1200, con
24/32 bit di informazione/colore per pixel ...
costo HW (un PC) 600 - 5000 € ....
hardware - riassumendo l'architettura del calcolatore
92
architettura del calcolatore:
l'Unita' Centrale,
la Memoria Centrale (RAM e ROM)
collegamento tra le unita' o bus di sistema
connettori per altre unita' (dischi ecc)
il tutto sta su un supporto fisico detto "scheda madre"
o motherboard,
hardware: cheda madre
93
"Scheda Madre o Mother Board"
e' un supporto fisico
dove sono fissati i componenti principali
ovvero unita' centrale
memoria centrale
connettori per gli altri componenti
ma anche alcuni componenti completi,
il tutto collegato con un "bus" di sistema,
ovvero con un insieme di conduttori per i segnali di
controllo e dati scambiati dai vari componenti...
ad una velocita' in genere abbastanza inferiore al ritmo
base dell'unita' centrale (1/4 e meno)
hardware - riassumendo le caratteristiche
Riassumendo:
Le caratteristiche importanti che differenziano i
calcolatori oggi sono:
• velocità di esecuzione delle istruzioni
• affidabilità e resistenza agli errori hardware
• costo complessivo in rapporto alle prestazioni
• organizzazione della memoria
(centrale e periferica)
• numero e varieta' di connettori ad altri dispositivi
e altre carateristiche come peso, tipo scatola, batterie, colore, marca, provenienza,
... ;-)
94
hardware - architetture - macchine Von Neumann
95
Architetture di calcolatori
l’architettura della maggior parte dei calcolatori
si basa ancora oggi sul modello di Von Neumann:
unita' centrale con registri PC (indirizzi istruzioni),
IR (instruction register), registri di lavoro/di stato,
programma da eseguire che sta in memoria centrale,
istruzioni e dati nella stessa memoria,
.. questa idea (di un gruppo di persone, tra cui Von
Neumann che firmo' un documento conoscitivo del
progetto ...) e' alla base di tutti i calcolatori dal 1948 in
poi, e differenzia il calcolatore di oggi dai tentativi
precedenti (l'idea risale al 1830 circa, di C.Babbage)
hardware - architetture - macchine Von Neumann
96
l’architettura dei calcolatori basata sul modello di Von
Neumann "resiste" a tutt'oggi fin dagli anni 1950 si era compreso che un modo per
accelerare i tempi di un'elaborazione era quello di
eseguire contemporaneamente (in parallelo nel tempo)
quante piu' operazioni possibile;
gia' agli inizi del 1960 alcuni dispositivi di I/U
potevano lavorare in parallelo all' UC (I/O channel)
il passo successivo era di eseguire gruppi di istruzioni
in parallelo, ovvero di avere piu'UC attive in parallelo
non esiste un prototipo comune per i calcolatori
paralleli ==>
hardware - architetture - macchine NON Von Neumann
97
Architetture di calcolatori
l’architettura dei calcolatori non si basa più sul solo
modello di Von Neumann, ma anche su piattaforme
più complesse (Non Von-Neumann, calcolatori
paralleli e distribuiti).
La classificazione proposta da Flynn (anni 70) si basa
sul concetto di flussi di informazioni, ossia su come le
informazioni “viaggiano” all’interno dei calcolatori e
sul ruolo distinto tra:
•flusso dei dati (data stream)
•flusso delle istruzioni (instruction stream)
hardware - architetture - macchine NON Von Neumann
98
L’elaborazione in un calcolatore si distingue in:
• seriale nel tempo (un' istruzione lavora su un dato, in ogni
istante viene eseguita 1 istruzione, le istruzioni sono eseguite in
sequenza nel tempo, una dopo l'altra, in serie (*), sono
macchine alla Von Neumann,
SISD = Single Instruction (stream) Single Data (stream)
• parallela nel tempo (*) : piu’ istruzioni e/o piu’ dati elaborati
contemporaneamente, macchine non Von Neumann,
SIMD = Single Instruction Multiple Data
MISD = Multiple Instruction Single Data
MIMD = Multiple Instruction Multiple Data
(*) in realta' c'e' sempre un parallelismo: un byte (8 bit) almeno, sono
(all'interno) sempre trattati in parallelo; solo nella porta seriale i bit
viaggiano uno alla volta...) oggi sono elaborati in parallelo 32 o 64 bit...
hardware - architetture - macchine NON Von Neumann
Architetture Non-Von Neumann
ELABORAZIONE
Seriale
SISD
SIMD
Macchina
di Von
Neumann
Array
processors,
Connection
Machine
Parallela
MISD
Pipeline
(struttura attuali
microprocessori)
MIMD
Architetture
multi-processors
e
multi-computer
99
parallelismo delle macchine Von Neumann
100
nei calcolatori correnti c'e' in genere una (o due) unita'
centrale che riesce a fare un gran numero di attivita'
contemporaneamente:
* vi sono 2 o piu' unita' aritmetiche separate, ciascuna
in grado di eseguire delle operazioni
indipendentemente,
* c'e' una "pipeline" o catena di montaggio dove le
istruzioni sono prelevate ed eseguite piu' di una alla
volta (mentre un'istruzione A e' gia' nella fase di
terminazione di esecuzione, l'istruzione B (che segue la
A) inizia l'esecuzione, l'istruzione C (che segue la B) e'
in fase di recupero, ...)
parallelismo
* le operazioni di I/U sono eseguite in parallelo
all'attivita' dell' UC
(canali di I/U "autonomi", sono dei calcolatori
specializzati alla trasmissione dati da dispositivo
periferico (disco) a memoria centrale e viceversa,
presenti dagli anni 60 nei mainframe)
il tutto al fine di velocizzare
> il tempo di esecuzione medio delle istruzioni (per
l'UC)
> e dell'elaborazione nel suo complesso (per il
calcolatore)
101
misura delle prestazioni
102
si noti che esistono varie
tecniche di misura delle prestazioni di un calcolatore
“benchmark"
ma sono spesso poco affidabili, perche' in genere
eseguite su insiemi di istruzioni e/o dati scelti in modo
da favorire il modello sotto misura ...
(vedere su rete...)
parallelismi
nota: gia' dagli anni sessanta si inizia a rendere
l'esecuzione dei programmi piu' veloce
sia facendo eseguire delle attivita' in parallelo
(tipicamente l'esecuzione delle istruzioni da parte
dell'unita' centrale e l'esecuzione di ingresso / uscita
dati da parte di dispositivi periferici;
sia con strutture con piu' unita' centrali indipendenti
che eseguono ciascuna delle istruzioni ... -> macchine
parallele, esecuzione parallela di programmi
ma l'evoluzione della tecnologia per una singola CPU
(modello Von Neumann) ha sempre raggiunto le
prestazioni di queste "super" macchine in genere
costosissime ...
103
elaborazione parallela
104
un'esempio di elaborazione parallela:
un procedimento di calcolo complesso viene scomposto
in parti eseguibili contemporaneamente, che sono poi
assegnate a molti calcolatori collegati in rete (internet);
un esempio dei problemi dell'elaborazione parallela:
vi sono alcune attivita' scomponibili in parti che
possono essere eseguite contemporaneamente,
esempio: costruzione di una casa prefabbricata (vi sono
perfino gare di velocita')
ma vi sono anche attivita' difficilmente scomponibili in
parti eseguibili contemporaneamente, es: scavo di un
fosso di diametro di un metro, profondo 20 metri ...
elaborazione parallela
105
per l'elaborazione sequenziale esistono modelli
"classici" da molto tempo, tuttora validi:
* formalismo: la macchina di Turing
* macchina reale: il modello di von Neumann;
per l'elaborazione parallela non esiste un unico
modello formale che possa essere usato per tutti i casi,
ne' esiste una macchina parallela reale che possa essere
usata convenientemente per tutti i problemi
parallelizzabili;
hardware
106
fine presentazione
della parte relativa all'ambiente
HARDWARE