Un`introduzione alla scienza e alle tecnologie dell`informazione e

DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Marco D. Santambrogio – [email protected]
Ver. aggiornata al 7 Marzo 2012
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Modello concettuale, funzionale e architetturale di un calcolatore
• Codifica delle istruzioni e dei dati per l’esecuzione automatica
• Architettura dei calcolatori
• Struttura e principi di funzionamento
▶ della CPU
▶ della memoria centrale
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Flessibilità nel calcolo,
▶ architettura non specializzata per un solo tipo di utilizzo ma adatta a svolgere diversi compiti;
• Modularità della struttura
▶ a ogni componente viene demandato lo svolgimento di una funzione specifica del sistema
complessivo;
• Scalabilità dei componenti
▶ ognuno dei quali può essere sostituito con uno funzionalmente equivalente ma in grado di
fornire prestazioni migliori;
• Standardizzazione dei componenti
▶ per facilitarne la sostituzione in caso di malfunzionamenti;
• Abbattimento dei costi
▶ grazie alla produzione su vasta scala dei componenti;
• Semplicità di installazione e di esercizio del sistema
• Disponibilità di applicazioni a basso prezzo di vendita
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
1.
Elaborazione
2.
Memorizzazione
Interconnessione
3.
Comunicazione
(interfaccia)
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
1.
Elaborazione
Unità Centrale di
Elaborazione
Collegamenti
(BUS/Cavi)
2.
Memoria
Memorizzazione
Memoria
Elettronica
Magnetica
Interconnessione
3.
Comunicazione
(interfaccia)
Periferiche
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Memoria di
massa
PC
Video/tastiera
(terminale)
ALU
Registri
CPU
Memoria
Interfaccia di I/O
Interfaccia di I/O
dati
BUS
indirizzi
controllo
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Connettori per
schede di I/O
aggiuntive
Socket per
la CPU
Connettori per la
memoria
Connettori per
dischi fissi
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
 Semplicità
▶
un’unica linea di connessione  costi ridotti di produzione
 Estendibilità
▶
aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice
 Standardizzabilità
▶
regole per la comunicazione da parte di dispositivi diversi
 Lentezza
▶
utilizzo in mutua esclusione del bus
 Limitatà capacità
▶
al crescere del numero di dispositivi collegati
 Sovraccarico del processore (CPU)
▶
perchè funge da master sul controllo del bus
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
RAM
CPU
Scheda madre
(motherboard)
Bus dati
Bus indirizzi
Bus di controllo
Interfacce
di I/O
Interfaccia di I/O
Tastiera e mouse
Altoparlanti
Interfacce
di I/O
Memoria di massa
Schermo
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Partecipa al progetto ENIAC
• Due intuizioni fondamentali:
▶ memorizzare i programmi in forma digitale nella stessa memoria dei dati
per rendere più semplice la programmazione
(rispetto all’utilizzo di cavi e interruttori)
▶ utilizzare l’aritmetica binaria invece di quella decimale
(due valvole per bit invece di dieci per cifra)
• Il suo progetto (macchina di von Neumann) è ancora oggi
alla base di quasi tutti i calcolatori digitali
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Inventato ai Bell Labs nel 1948 da John Bardeen, Walter Brattain e William
Shockley:
▶ nel giro di 10 anni rivoluziona la ricerca sui calcolatori;
▶ alla fine degli anni ’50 i calcolatori a valvole sono già obsoleti.
• Digital Equipment Corporation (DEC)
▶ fondata nel 1957 da Kenneth Olsen;
▶ nel 1961 realizza il PDP–1, il primo minicalcolatore.
• Sviluppo della tecnologia d’integrazione:
▶ decine (SSI), centinaia (MSI) e migliaia (LSI) di transistor sono integrati sullo stesso pezzo di
silicio (chip);
▶ possibilità di realizzare calcolatori più piccoli, più veloci e meno costosi dei loro predecessori.
• Due famiglie di calcolatori rappresentative:
▶ 360 di IBM
▶ PDP-11 di DEC
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• 105–107 transistor integrati per chip.
• Passaggio dai minicalcolatori, alle workstation, ai Personal
Computer (PC):
▶ usati per applicazioni fortemente interattive (elaborazione testi, fogli
elettronici, …);
▶ in origine proposti come kit da assemblare, senza software;
▶ due architetture principali:
 Apple (basato su CPU Motorola e PowerPC)
 primo PC, progettato da Steve Jobs e Steve Wozniak nel ’78,
 architettura proprietaria!
 IBM e compatibili (CPU Intel e SW Microsoft – “Wintel”)
 realizzato utilizzando componenti “off the shelf”,
 architettura di dominio pubblico, quindi replicabile da altri (cloni)!
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Algoritmo
▶ descrizione della soluzione di problema scritta in modo da poter essere
eseguita da un esecutore (eventualmente diverso dall’autore dell’algoritmo)
▶ sequenza di istruzioni che operano su dati.
• Programma
▶ algoritmo scritto in modo da poter essere eseguito da un calcolatore
(esecutore automatico)
• Per scrivere un programma è necessario rappresentare istruzioni e
dati in un formato tale che l’esecutore automatico sia capace di
memorizzare e manipolare.
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Alfabeto dei simboli
▶ cifre “0”, “1”, …, “9”, separatore decimale (“,”), separatore delle migliaia (“.”) e segni
positivo (“+”) o negativo (“–”).
• Regole di composizione (sintassi), che definiscono le successioni “ben formate”
▶ “1.234,5” è la rappresentazione di un numero;
▶ “1,23,45” non lo è.
• Codice (semantica)
▶ “1.234,5” = 1×103 + 2×102 + 3×101 + 4×100 + 5×10–1
▶ “1,23,45” = ??
• Lo stesso alfabeto può essere utilizzato con codici diversi:
▶ “123,456” = 1×102 + 2×101 + 3×100 + 4×10–1 + 5×10–2 + 6×10–3, [IT]
▶ “123,456” = 1×105 + 2×104 + 3×103 + 4×102 + 5×101 + 6×100, [UK]
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Chi ha “inventato” il bit?
Claude Shannon nel 1948 nel paper:
“A Mathematical Theory of Communication”
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Alfabeto binario: usiamo dispositivi con solo due stati
• Problema: assegnare un codice univoco a tutti gli oggetti compresi in un insieme
predefinito (e.g. studenti)
• Quanti oggetti posso codificare con k bit:
▶
▶
▶
▶
▶
1 bit  2 stati (0, 1)  2 oggetti (e.g. Vero/Falso)
2 bit  4 stati (00, 01, 10, 11)  4 oggetti
3 bit  8 stati (000, 001, …, 111)  8 oggetti
…
k bit  2k stati  2k oggetti
• Quanti bit mi servono per codificare N oggetti:
▶ N ≤ 2k  k ≥ log2N  k = log2N
(intero superiore)
• Attenzione:
ipotesi implicita che i codici abbiano tutti la stessa lunghezza
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Problema:
assegnare un codice binario univoco a tutti i giorni della settimana
• Giorni della settimana: N = 7  k ≥ log27  k = 3
• Con 3 bit possiamo ottenere 8 diverse configurazioni:
▶ Ne servono 7, quali utilizziamo?
▶ Quale configurazione associamo a quale giorno?
• Attenzione:
ipotesi che i codici abbiano tutti la stessa lunghezza
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Lunedì
Lunedì
Martedì
Domenica
Sabato
Venerdì
Mercoledì
Lunedì
Giovedì
Mercoledì
Martedì
Sabato
Domenica
Martedì
Lunedì
Giovedì
Mercoledì
Sabato
Venerdì
Martedì
Mercoledì
Giovedì
Venerdì
Sabato
Venerdì
Giovedì
Domenica
1 bit
2 “gruppi”
2 bit
4 “gruppi”
Domenica
3 bit
8 “gruppi”
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Lunedì
Martedì
Domenica
Giovedì
Giovedì
Giovedì
Sabato
Sabato
Martedì
Sabato
Martedì
Venerdì
Domenica
Mercoledì
Giovedì
Mercoledì
Sabato
Domenica
Mercoledì
Martedì
Domenica
Mercoledì
Venerdì
Venerdì
Lunedì
Venerdì
Lunedì
Lunedì
1 bit
2 “gruppi”
2 bit
4 “gruppi”
3 bit
8 “gruppi”
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Quanti sono gli oggetti compresi nell’insieme?
▶ 26 lettere maiuscole + 26 minuscole  52
▶ 10 cifre
▶ Circa 30 segni d’interpunzione
▶ Circa 30 caratteri di controllo (EOF, CR, LF, …)
circa 120 oggetti complessivi  k = log2120 = 7
• Codice ASCII: utilizza 7 bit e quindi può rappresentare al massimo
27=128 caratteri
▶ Con 8 bit (= byte) rappresento 256 caratteri (ASCII esteso)
▶ Si stanno diffondendo codici più estesi (e.g. UNICODE) per rappresentare
anche i caratteri delle lingue orientali
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0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
010 sp
011 0
100 @
101 P
110 `
111 p
!
1
A
Q
a
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F
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W
g
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8
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I
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j
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K
[
k
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<
L
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]
m
}
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?
N O
^
_
n o
~ canc
1111
0000
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
23
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
bit = solo due stati, “0” oppure “1”.
Byte = 8 bit, quindi 28 = 256 stati
KiloByte [KB]
= 210 Byte = 1024 Byte ~ 103 Byte
MegaByte [MB] = 220 Byte = 1'048'576 Byte ~ 106 Byte
GigaByte [GB] = 230 Byte ~ 109 Byte
TeraByte [TB] = 240 Byte ~ 1012 Byte
PetaByte [PB] = 250 Byte ~ 1015 Byte
ExaByte [EB]
= 260 Byte ~ 1018 Byte
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Si segue lo schema presentato per i caratteri alfanumerici:
▶ quali e quante sono le istruzioni da codificare?
▶ qual è la lunghezza delle successioni di bit da utilizzare ?
▶ qual è la corrispondenza tra istruzioni e successioni di bit ?
Istruzione
Codice
Istruzione
Codice
Istruzione
Codice
ADD
0111 1100
LOAD
1110 1000
IF_EQ
0100 1001
SUB
0111 1101
STORE
1111 1000
GOTO
0100 1000
AND
0111 1110
………
………
RETURN
0100 1100
………
………
………
………
………
………
Istruzioni
aritmetico-logiche
Istruzioni per il
trasferimento dati
Istruzioni di
controllo
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• … è necessario far riferimento ai dati necessari per completare
l’esecuzione dell’istruzione,
▶ e.g. addizione: è necessario che sia specificato (anche implicitamente) dove leggere
i due operandi da sommare e dove scrivere il risultato;
• il numero dei dati da specificare è variabile, in funzione delle
istruzioni.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
Codice Operativo
Destinazione
Sorgente 1
Codice Operativo
Destinazione
Sorgente 1
Codice Operativo
5
6
7
8
9
0
1
Sorgente 2
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
Estensione del codice operativo
Operando (immediato)
Operando (immediato)
26
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più
rapidamente possibile
• Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi
garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati
periodi di tempo
• Diverse esigenze:
▶ velocità per il supporto alla CPU
▶ non volatilità ed elevate dimensioni per l’archivio
• Diverse tecnologie
▶ elettronica: veloce, ma costosa e volatile
▶ magnetica e ottica: non volatile ed economica, ma molto lenta
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Velocità
▶ tempo di accesso (access time)
(quanto passa tra una richiesta e la relativa risposta)
▶ velocità di trasferimento (transfer rate)
(quanti byte al secondo si possono trasferire)
• Volatilità
▶ cosa succede quando la memoria non è alimentata?
▶ per quanto tempo i dati vi rimangono immagazzinati?
• Capacità
▶ quanti byte può contenere? qual è la dimensione massima?
• Costo (per bit)
• Modalità di accesso
▶
▶
▶
▶
diretta (o casuale): il tempo di accesso è indipendente dalla posizione
sequenziale: il tempo di accesso dipende dalla posizione
mista: combinazione dei due casi precedenti
associativa: indicato il dato, la memoria risponde indicando l’eventuale posizione che il dato
occupa in memoria.
29
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Mantiene al proprio interno i dati e
le istruzioni dei programmi in esecuzione
• Memoria ad accesso “casuale”
• Tecnologia elettronica
▶ veloce ma volatile e costosa
• Due “eccezioni”
▶ ROM: elettronica ma permanente e di sola lettura
▶ Flash: elettronica ma non volatile e riscrivibile
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• I bit nelle memorie sono raggruppati in celle:
▶ tutte le celle sono formate dallo stesso numero di bit;
▶ una cella composta da k bit, è in grado di contenere una qualunque tra le 2k
combinazioni diverse di bit.
• Ogni cella ha un indirizzo:
▶ serve come accesso all’informazione;
▶ in una memoria con N celle gli indirizzi vanno da 0 a N–1.
• La cella è l’unità indirizzabile più piccola.
In quasi tutti i calcolatori è di 8 bit (un byte).
• I byte vengono raggruppati in parole (che oggi sono di 32/64 bit),
su cui la CPU esegue le operazioni.
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Anche gli indirizzi della memoria sono rappresentati come numeri
binari:
▶ un indirizzo di M bit consente di indirizzare 2M celle;
▶ per 6 o 8 celle bastano 3 bit, per 12 celle ne servono 4;
▶ il numero di bit nell’indirizzo determina il numero massimo di celle indirizzabili
nella memoria ed è indipendente dal numero di bit per cella
(una memoria con 212 celle richiede sempre 12 bit di indirizzo, quale che sia la
dimensione di una cella).
• Una memoria può essere organizzata in diversi modi:
▶ per esempio, con 96 bit possiamo avere
 6 celle di 16 bit (6*16=96),
 8 celle di 12 bit (8*12=96)
 12 celle di 8 bit (12*8=96).
▶ In genere si considerano celle di 8 bit (1 byte).
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
0
0
0
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
6
6
7
7
8 parole da 12 bit
8
6 parole da 16 bit
9
10
12 parole da 8 bit
11
34
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
linee di
selezione parola
indirizzo 0110due
• il contenuto è 01101100;
• l’operazione è di lettura (load) o
di scrittura (store) a seconda dei
comandi presenti sul bus di
controllo
0110
Bus indirizzi
DECODIFICATORE
• Viene selezionata la parola di
linea 0
0
linea 1
0
linea 2
0
linea 3
0
linea 4
0
linea 5
0
linea 6
1
linea 7
0
linea 8
0
linea 9
0
linea 10
0
linea 11
0
linea 12
0
linea 13
0
linea 14
0
linea 15
0
16 celle di memoria
di 8 bit ciascuna
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
parola
selezionata
leggi/scrivi
Bus di
controllo
Dato
(letto o da scrivere)
Bus dati
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie
▶ l’aumento di integrazione ha consentito di realizzare CPU pipeline e super
scalari, molto efficienti e veloci;
▶ nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità.
• L’accesso alla memoria passa attraverso il bus
▶ la frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa di quella della CPU;
▶ il bus può essere impegnato ad effettuare trasferimenti controllati da
dispositivi di I/O “autonomi” (e.g. DMA).
• È difficile riordinare le istruzioni in modo da poter sfruttare i tempi
di attesa della memoria.
• È possibile fare memorie molto veloci se stanno nel chip della CPU,
ma sono piccole e costose.
36
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Memorie di gran capacità, relativamente lente, economiche ed
accessibili tramite il bus:
▶ MGL ovvero Memoria Grossa e Lenta;
▶ dimensioni pari a circa 10 unità;
▶ tempo di accesso (TA) di circa 10 unità.
• Memorie veloci, integrate nello stesso chip della CPU, ma costose:
▶ MPV ovvero Memoria Piccola e Veloce;
▶ dimensioni pari a circa 1 unità;
▶ tempo di accesso pari a circa 1 unità.
• Obiettivo: realizzare una memoria grossa e veloce
▶ dimensioni pari a circa quelle della memoria grossa;
▶ prestazioni pari a circa quelle della memoria veloce.
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Sistema di
memoria
CPU
Memoria piccola
e veloce
Livello 1
Trasferimento
di dati
Livello 2
Memoria grande
e lenta
38
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Località spaziale:
quando si accede all’indirizzo A, è molto probabile che gli accessi
successivi richiedano celle vicine ad A.
▶ le istruzioni del codice vengono in genere lette da locazioni consecutive della
memoria;
▶ gli accessi ad array o a strutture dati sono “vicini”.
• Località temporale:
quando si accede all’indirizzo A, è molto probabile negli accessi
successivi si richieda di nuovo la cella A.
▶ cicli di istruzioni accedono ripetutamente alle stesse locazioni di memoria;
▶ istruzioni vicine tendono ad utilizzare le stesse variabili.
39
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Tecnologia elettronica (veloce ma volatile)
• Gerarchia di memoria:
ai livelli più alti corrispondono le tecnologie più veloci ma anche più
costose
▶ cache interna (Static RAM – SRAM)
▶ cache esterna (SRAM)
▶ memoria RAM
(Dynamic RAM – DRAM e sue varianti)
▶ area di swap su memoria di massa
40
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Ottenuta per “generalizzazione” dell’applicazione del principio di
località e tipicamente costituita da
1.
2.
3.
4.
5.
registri contenuti nella CPU (qualche KB)
cache (da circa 32KB a circa 4096KB)
memoria principale (da circa 512MB a qualche GB)
dischi fissi (da qualche centinaio di GB a qualche TB)
nastri magnetici e dischi ottici (da qualche centinaio di GB a qualche TB
per ogni supporto)
Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il
valore dei parametri fondamentali:
▶
▶
▶
aumenta il tempo di accesso;
aumenta la capacità di memorizzazione;
ma diminuisce il costo per bit.
41
RAM
Supporti esterni
tecnologia tecnologia
magnetica
ottica
(HD esterni) (CD, DVD)
tecnologia
elettronica
(flash disk)
Involucro esterno del calcolatore (case)
Cache II liv
Scheda madre (motherboard)
Cache I liv
Circuito Integrato (chip)
Registri
CPU
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Disco fisso (hard disk)
tecnologia magnetica
42
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Livello
Capacità
Tempo di accesso
Transfer rate (GB/s)
Registri
~ 1 KB
~ 0.2 ns (1 ciclo di clock)
–
Cache I livello
~ 32 KB
~ 0.4 ns (2/4 cicli di clock)
–
Cache II livello
~ 1/2 MB
~ 1/2 ns (5/10 cicli di clock)
~ 100
Cache III livello
~ 2/8 MB
~ 5 ns
~ 50
Memoria centrale
~ 2/8 GB
~ 50 ns (1ª parola richiesta)
~ 10 ns (parole successive)
~ 5/10
Dischi interni
> 300 GB
~ 10 ms
0.15/0.6
Dischi esterni
> 300 GB
~ 10 ms
~ 0.05
43
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Unità Centrale di Elaborazione
44
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
CPU
Dispositivi di I/O
Unità di
controllo
Unità
aritmetico
logica (ALU)
Terminale
Stampante
Registri
CPU
Memoria
centrale
Unità
disco
Bus
45
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Un calcolatore basato sull’architettura di Von Neumann esegue un programma sulla base
dei seguenti principi:
▶ dati e istruzioni sono memorizzati in una memoria unica che permette sia la scrittura che la lettura;
▶ i contenuti della memoria sono indirizzati in base alla loro posizione, indipendentemente dal tipo di
dato o istruzione contenuto;
▶ le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale.
• Il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore è detto linguaggio macchina. Le
istruzioni scritte in linguaggio macchina sono piuttosto rudimentali:
▶ il concetto di tipo di dato è quasi assente,
▶ il numero di operandi è limitato (in genere non più di due),
▶ il numero di operazioni previste è ridotto.
Struttura istruzione
codice operativo
dest
src1
src2
Linguaggio assemblatore
add
R01
R02
R03
Linguaggio macchina
25/06/2017
000000 00000 100000 00001 00010 00011
Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione
46
46
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Fetch
Decode
Execute
47
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Tempo
Istruzione 1
Lettura
Istruzione 2
Istruzione 3
Decodifica
Esecuzione
Lettura
Decodifica
Esecuzione
Lettura
Decodifica
Esecuzione
Ordine di esecuzione
delle istruzioni
48
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Data path (o percorso dei dati)
▶ è la parte che si occupa dell’effettiva elaborazione dei dati;
▶ comprende dispositivi diversi
 una o più unità aritmetico-logiche, dette ALU (Arithmetic Logic Unit);
 alcune unità di memorizzazione temporanea, i registri, memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei
e informazioni di controllo (il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del
registro).
• Unità di controllo
▶ coordina le operazioni di tutto il processore (anche quelle del data path!);
▶ regola il flusso dei dati e indica quali registri debbano essere collegati agli ingressi e all’uscita dell’ALU;
▶ invia all’ALU il codice dell’operazione da eseguire;
▶ riceve indicazioni sull’esito dell’operazione appena eseguita dall’ALU e gestisce opportunamente queste
informazioni;
▶ comprende alcuni registri di uso specifico




Program Counter (PC) – qual è l’istruzione successiva;
Instruction Register (IR) – istruzione in corso d’esecuzione;
Program Status Word (PSW)
…
49
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Istruzione
(e.g. add)
Registri
R00
R01
R02
X
R03
Y
…
…
…
…
Registri
ingresso ALU
Registro
uscita ALU
X
A
L
U
X
+
Y
esito
X
+
Y
Y
50
Bus indirizzi
Data path
Unità di
controllo
Bus dati
CPU
Bus controllo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Collegamenti per il
trasferimento dati
PSW
Collegamenti per il
trasferimento
istruzioni
ALU
IR
Registri
PC
Memoria
Collegamenti di
controllo
51
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ipotizziamo che
▶ si debba eseguire l’istruzione A ⟵ A + B + C (assegna alla variabile A la somma del
contenuto delle variabili A, B e C);
▶ le corrispondenti istruzioni in linguaggio macchina si trovino all’indirizzo 789, 790, 791,
… (come riportato nella tabella sottostante);
▶ le variabili A, B e C si trovino rispettivamente nelle celle di memoria 4000 (A), 4004 (B) e
4008 (C).
Num
Istruzione
Commento
…
… … …
789
load
R02,4000
trasferisce il contenuto della cella 4000 (A) nel registro R02
790
load
R03,4004
trasferisce il contenuto della cella 4004 (B) nel registro R03
791
add
R01,R02,R03
somma il contenuto dei registri R02 e R03 e scrive il risultato in R01
792
load
R02,4008
trasferisce il contenuto della cella 4008 (C) nel registro R02
793
add
R01,R01,R02
somma il contenuto dei registri R01 e R02 e scrive il risultato in R01
794
store R01,4000
…
trasferisce il contenuto del registro R01 nella cella 4000 (A)
… … …
52
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
R02
4004
1918
R01
4008
2006
… …
… … …
ALU
PSW
Registri
IR
…
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
0789
Bus indirizzi
Collegamenti per il
trasferimento istruzioni
Bus dati
Collegamenti per il
trasferimento dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
Collegamenti
di controllo
53
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
… …
… … …
0789
load R02,4000
R02,4000
load
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
R02
4004
1918
R01
4008
2006
… …
… … …
lettura
ALU
Registri
PSW
IR
…
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
PC
0789 +1
0790
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
R04
54
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
1492
R02
4004
1918
R01
4008
2006
… …
… … …
lettura
ALU
PSW
Registri
…
IR
load
R02,4000
4000
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
0790
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
55
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Memoria
Data path
Unità di controllo
lettura
ALU
PSW
Registri
…
IR
load
R02,4000
… …
… … …
0789
load
0790
load R03,4004
R03,4004
load
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
R02,4000
Istruzioni
CPU
R05
R03
R02
0790
0791 +1
1492
R01
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
56
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
lettura
ALU
PSW
Registri
…
IR
load
R03,4004
4004
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
1918
4008
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
R02
0791
1492
R01
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
57
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
lettura
ALU
PSW
Registri
…
IR
load
R03,4004
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
addadd R01,R02,R03
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
R02
1918
0792
0791 +1
1492
R01
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
58
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
esito
3410
ALU
Registri
…
PSW
add
IR
add R01,R02,R03
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
R02
1918
0792
1492
R01
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
59
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
lettura
ALU
Registri
…
PSW
IR
add R01,R02,R03
… …
… … …
0789
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R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load R02,4008
R02,4008
load
0793
add
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
R01,R01,R02
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
1918
1492
R02
R01
0793
0792 +1
3410
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
60
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
lettura
ALU
PSW
Registri
…
IR
load
R02,4008
4008
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
1918
1492
R02
R01
0793
3410
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
61
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
lettura
ALU
PSW
Registri
…
IR
load
R02,4008
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
R01,R01,R02
addadd R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
1918
2006
R02
R01
0793 +1
0794
3410
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
62
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
5416
Unità di controllo
esito
ALU
Registri
…
PSW
add
IR
add R01,R01,R02
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
1918
2006
R02
R01
0794
3410
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
63
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
lettura
ALU
Registri
…
PSW
IR
add R01,R01,R02
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
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load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
R01,4000
store
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
1918
2006
R02
R01
0795
0794 +1
5416
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
64
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Data path
Unità di controllo
scrittura
ALU
PSW
Registri
…
IR
store R01,4000
4000
… …
… … …
0789
load
R02,4000
0790
load
R03,4004
0791
add
R01,R02,R03
0792
load
R02,4008
0793
add
R01,R01,R02
0794
store R01,4000
… …
… … …
… …
… … …
4000
1492
4004
1918
4008
2006
… …
… … …
Istruzioni
Memoria
CPU
R05
R03
1918
2006
R02
R01
0795
5416
5416
Bus indirizzi
Bus dati
Bus
controllo
R00
Dati
PC
R04
65
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Famiglia di CPU
Anno
Frequenza
CPU (MHz)
Registri/bus
dati (bit)
Frequenza
bus (MT/s)
Numero di
transistor
8086
1978
4.77  12
8/16
4  12
29 000
80286
1982
8  16
16/16
8  16
134 000
80386
1986
16  33
32/32
16  33
275 000
80486
1989
16  50
32/32
16  33
1 200 000
Pentium
1993
60  200
32/64
60  66
3 100 000
Pentium II
1997
233  400
32/64
66  100
7 500 000
Pentium III
1999
450  1133
32/64
100  133
24 000 000
(Willamette)
2000
1300  2000
32/64
400  533
42 000 000
(Northwood)
2002
2000  3400
32/64
400  533
55 000 000
(Prescott)
2004
2800  3800
32/64
533  800
125 000 000
(Smithfield)
2005
2800  3200
64/64
533  800
230 000 000
(Presler)
2006
2800  3600
64/64
800  1066
376 000 000
(Conroe)
2006
2400  3200
64/64
1066
291 000 000
(Merom)
2006
1666  2333
64/64
667
291 000 000
Pentium 4
Pentium D
Core 2 Duo
66
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Osservazione fatta da Gordon Moore nel 1965:
il numero dei transistor per cm2
raddoppia ogni X mesi
In origine X era 12/18. Correzioni successive hanno portato a fissare X=18/24. Questo
vuol dire che c’è un incremento di circa il 40/60% all’anno.
67
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Numero di transistor integrati
1'000'000'000
100'000'000
10'000'000
1'000'000
Andamento previsto dalla legge di Moore: il
numero di transistor integrati in un chip
raddoppia ogni 24 mesi
100'000
Anno
10'000
1978
1982
1986
1990
1994
1998
2002
2006
68
• SISD: Single Instruction Single Data
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• MISD: Multiple Instruction Single Data
• SIMD: Single Instruction Multiple Data
• MIMD: Multiple Instruction Multiple Data
69
69
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
N Cores
#Cores
1000 cores
64 cores
32
Sun IBM Cell Larrabee
8-24
cores
Intel
4
Quad
core
2
Il mondo
dell’informatica è
pronto per una
rivoluzione
Dual
core
1
2005
70
2006
2007
2014 Time
70
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Il progresso della tecnologia provoca un aumento del numero di
•
•
•
•
transistor per cm2 e quindi per chip.
Un maggior numero di transistor per chip permette di produrre
prodotti migliori (sia in termini di prestazioni che di funzionalità) a
prezzi ridotti.
I prezzi bassi stimolano la nascita di nuove applicazioni (e.g. non si
fanno video game per computer da milioni di €).
Nuove applicazioni aprono nuovi mercati e fanno nascere nuove
aziende.
L’esistenza di tante aziende fa crescere la competitività che, a sua
volta, stimola il progresso della tecnologia e lo sviluppo di nuove
tecnologie.
71
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Fonti per lo studio
▶ Informatica arte e mestiere, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, McGrawHill
 Capitolo 2
▶ Introduzione ai sistemi informatici, D. Sciuto, G. Buonanno, L. Mari, 4a Ed,
McGrawHill
 Capitolo 1, 2, 5
▶ The Art & Craft of Computing, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, Addison-Wesley
 Capitolo 2
• Approfondimenti
▶ Struttura e progetto dei calcolatori, D. A. Patterson, J. Hennessy, 3a Ed, Zanichelli
 Capitolo 1, 2
• Credits
▶ Prof. G. Buonanno e D. Sciuto, LIUC
72