Modello Architetturale di un SdE

Prof. V. Catania
Modello Architetturale di un SdE
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Laboratorio di Calcolatori
A.A. 2003/2004
Sistema di elaborazione
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Modello architetturale di un sistema di
elaborazione
Sistema di
Elaborazione
MACCHINA
PROGRAMMA
entità attiva
entità passiva
LINGUAGGIO
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Esempio: leggere e sommare K numeri
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Vedi animazione
Macchine e Linguaggi
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• Una istruzione definisce una trasformazione atomica
• Concetto di stato
Modello FUNZIONALE:
Descrive la macchina come puro esecutore del
proprio linguaggio
TUTTE LE MACCHINE PASCAL SONO
FUNZIONALMENTE IDENTICHE
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Macchine e Linguaggi
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Modello REALIZZATIVO:
Descrive come la macchina è realizzata
Mf = Mf '
Mr = Mr '
DETERMINISMO
EVOLUZ.
degli
STATI
Programma in esecuzione
Stato iniziale
DATI in ingresso
Macchine e Linguaggi
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DATI
P(L)
L
M
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Macchine e Linguaggi
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DATI
P(Pascal)
Pascal
Macchina Pascal
Modelli organizzativi e gerarchie di
macchine
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DATI
P(L2)
L2
P12(L1)
L1
M1
M2
La realizzazione della
macchina M2 attraverso M1
(per estensione di M1)
avviene mediante P12(L1).
Il programma che realizza
M2 a partire da M1 è un
compilatore (traduttore) o
un interprete.
Problemi:
– Efficienza
– Virtualizzazione
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Gerarchie di macchine
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Un sistema di elaborazione è costituito da una
gerarchia di macchine realizzate a partire da una
macchina estremamente elementare
Gerarchie di macchine
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perché realizzare una gerarchia?
Ln
P(n-1)n
L2
P(n-1)n
L1
M1
M2
Mn
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Gerarchie di macchine
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ASTRAZIONE
PRESTAZIONI
FACILITA’ DI
PROGRAMMAZ.
TRADE-OFF
Il numero e le caratteristiche generali dei livelli di
macchine che costituiscono un sistema di elaborazione
sono ormai consolidati nella maggior partedei sistemi di
elaborazione
La macchina processo
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È la macchina che esegue il programma prodotto dai
compilatori
Linguaggio:
binario,
dipende dal sistema di elaborazione
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Elementi comuni a tutti i processi
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•
•
•
•
•
Memoria del processo
Programma in esecuzione in memoria
Presenza di un registro Program Counter
Meccanismo di esecuzione (ESECUTORE)
Stato del processo: contenuto di memoria +
contenuto dei registri
Istruzioni:
codice operativo + operandi
Memoria
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Consente di immagazzinare informazioni in formato digitale
ORGANIZZAZIONE
bit
0 1 2
•
K-1
WORD 0
WORD 1
indirizzi
dati
porte dei
dati
porte degli
indirizzi
WORD N-1
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Memoria
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E’ costituita da un insieme di locazioni, ciascuna in grado di
memorizzare una parola (word) di K bit {K = 1, 8, 16, 32, 64}
La capacità di memoria esprime la quantità di informazioni
massima in essa memorizzabile.
Ad es. 1 Mbyte = 2 20 byte, ovvero 2 20 word di 1 byte
Memoria
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COSA CONSENTE:
LA SCRITTURA: consente di memorizzare una parola in
una determinata posizione (indirizzo)
LA LETTURA:
consente
di
memorizzata
posizione
leggere
in
una
una
parola
determinata
La scrittura di una parola sovrascrive il contenuto precedente.
La lettura di una parola non altera il contenuto memorizzato.
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Memoria - Scrittura
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IN SCRITTURA:
• sulla porta degli indirizzi si deve fornire l’indirizzo (la
posizione) della locazione su cui memorizzare la parola
• sulla porta dei dati si deve fornire la parola
(configurazione di bit) da scrivere
10010011
dati
indirizzi
10010011
Memoria - Lettura
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IN LETTURA:
• sulla porta degli indirizzi si deve fornire l’indirizzo (la
posizione) della locazione da leggere
• sulla porta dei dati si ottiene la parola (configurazione di
bit) memorizzata in quell’indirizzo
01011001
dati
indirizzi
01011001
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Memoria - Numero di bit per indirizzo
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Un indirizzo è costituito da un insieme di bit che codifica la
posizione di una parola
Ad es.: Se la memoria è di 1 Kbyte (210 byte) occorrono 10 bit
(lg2 210 = 10) per specificare un indirizzo.
Unità centrale di processo (CPU)
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Sovrintende all’esecuzione di un programma immagazzinato
nella memoria di processo (mem. Centrale) e coordina il
funzionamento dei vari blocchi costituenti il computer.
Una data CPU è caratterizzata da un proprio set di istruzioni,
ovvero dall’insieme di istruzioni che essa è in grado di
eseguire
Ciascuna istruzione è codificata in binario, in modo che sia
riconoscibile dalla CPU.
Un programma è eseguibile dalla CPU se:
Ø È costituito da istruzioni appartenenti al set di istruzioni
della CPU
Ø Tutte le istruzioni sono codificate in binario e
memorizzate sequenzialmente nella memoria centrale
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Unità centrale di processo (CPU)
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istruzione 1
istruzione 2
istruzione 3
.
.
.
ultima istruzione
Formato delle istruzioni
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Istruzione:
codice operativo + operandi
codice operativo
operandi
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Unità Centrale di Processo (CPU)
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Una CPU è costituita da due componenti:
UNITÀ DI CONTROLLO: esegue le istruzioni dei programmi,
coordina le attività dei vari blocchi
che costituiscono la macchina,
controlla il flusso delle istruzioni tra
CPU e Memoria.
UNITÀ LOGICO-ARITMETICA: esegue
le
operazioni
artimetiche (somma, sottrazione,
prodotto, divisione) e le operazioni
logiche (ad es. verifica se un valore
è maggiore, minore o uguale ad un
altro valore)
Meccanismo di Esecuzione
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All’interno della CPU vi sono delle unità di memorizzazione, i
REGISTRI, su ciascuno dei quali è possibile memorizzare
una word.
La dimensione di tale word (in bit) determina il parallelismo
della CPU ovvero l’unità di informazione che la CPU può
processare in parallelo durante la propria attività
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Meccanismo di Esecuzione
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Fra i vari registri di una CPU, due hanno un ruolo particolare:
PC
(Program
Counter):
è
utilizzato
dalla
CPU
per
memorizzare l’indirizzo della memoria dove risiede la
prossima istruzione da eseguire. Ogni qualvolta la CPU
termina l’esecuzione di una istruzione usa il PC per
accedere alla prossima istruzione da eseguire.
IR
(Instruction Register): viene usato dalla CPU per
memorizzare l’istruzione appena letta dalla memoria
Meccanismo di Esecuzione
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Unità centrale e ALU (Arithmetic Logic Unit) collaborano con
la memoria in un processo distinto in quattro fasi che porta al
completamento di un CICLO MACCHINA
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Dentro il Computer
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La scheda madre
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Macchina ASSEMBLER
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Si realizza per eliminare la difficoltà di lavorare con il
linguaggio binario
Linguaggio ASSEMBLER
Programma assemblatore
Linguaggio binario del proc.
PROCESSO
Macchina ASSEMBLER
Macchina ASSEMBLER
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Alcune differenze tra L.B. e L.A.:
1. i codici operativi binari sono sostituiti da codici
simbolici
2. Presenza di direttive non rispondendi a istruzioni in
L.B.
3. Si possono usare simboli (labels) al posto di
indirizzi binari
Vedi esempio programma assembler
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Compilazione ASSEMBLER
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Il processo di traduzione ha come input il codice Assembler e
come output il codice in Linguaggio Binario.
Quest’ultimo deve fare riferimento alla memoria di processo
dove, in una fase successiva, dovrà essere caricato per potere
essere eseguito.
Il traduttore, oltre a generare il codice binario per ciascuna
istruzione Assembler, deve associare all’istruzione tradotta un
indirizzo della memoria di processo dove essa andrà caricata per
essere eseguita!
L’output del traduttore (Assemblatore), per ciascuna istruzione
È del tipo: <indirizzo> <codice binario istruzione>
ES.
0100001
1111000100001100
Esempio di compilazione
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Vedi animazione
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Macchina HW e SO
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Macchina HW:
è la macchina su cui è realizzato il processo
SO:
è il programma (in L.M.) che realizza il
processo sulla macchina hw
Gli N processi realizzati dal S.O. sono N macchine
complete, ognuna con la propria memoria (dove è
caricato il programma) e il proprio program counter.
Macchina HW e SO
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Più in generale:
PROG.1
PROG.2
PROG.N
PROC. 1
PROC. 2
PROC. N
SISTEMA OPERATIVO
Linguaggio Macchina
Macchina Hardware
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Macchina HW e SO
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PC
PC
PC
PROG.1
PROG.2
PROG.N
PROCESS 1
PROCESS 2
PROCESS 1
Motivazione: Migliore sfruttamento delle risorse della
macchina hw
Macchina HW e SO
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Requisiti della macchina hw:
• La macchina hw interpreta alcune istruzioni del
processo (LEGGI, SCRIVI, ecc.) come dei salti a
degli indirizzi prefissati corrispondenti ai SERVIZI di
Sistema
• SERVIZI DI SISTEMA: svolgono azioni richieste da
un processo garantendo che l’esecuzione del servizio
sia per il processo equivalente all’esecuzione di una
normale istruzione (anche quando il processo viene
momentaneamente sospeso)
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Macchina HW e SO
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Modello funzionale della macchina HW
Non deterministico a causa della
presenza di interruzioni
Il meccanismo delle interruz. porta la macchina ad
eseguire un salto ad un indirizzo prefissato ogni qual
volta si verificano particolari eventi
La presenza delle interruz. consente alla macchina HW
di passare dall’esecuzione di un processo a quella di un
altro processo o servizio che si sia reso eseguibile.
Realizzazione della macchina HW
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È costituita da sottosistemi funzionali collegati
dal sistema di comunicazione
SISTEMA DI COMUNICAZIONE
PROCESSORE
MEMORIA
PERIFERICA
MACCHINA HARDWARE
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Realizzazione della macchina HW
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Ciascun sottosistema è realizzato con dei
componenti elementari, le porte logiche, la cui
combinazione da luogo a circuiti più complessi,
quali reti combinatorie e sequenziali
Non si può comunque affermare che i livelli
inferiori alla macchina hw sono certamente hw
mentre i livelli superiori sono certamente sw.
Es: realizzazione di U.C. a microistruzioni
Modello architetturale di un computer
Prof. V.Catania
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Sistema di comunicazione
CPU
MEMORIA
CENTRALE
ADATTATORI
(CONTROLLER)
PERIFERICA
ADATTATORI
… (CONTROLLER)
PERIFERICA
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