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Prof.Ing.S.Cavalieri1 Università degli Studi di Catania Facoltà di Ingegneria Architettura del Calcolatore.

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Presentazione sul tema: "Prof.Ing.S.Cavalieri1 Università degli Studi di Catania Facoltà di Ingegneria Architettura del Calcolatore."— Transcript della presentazione:

1 Prof.Ing.S.Cavalieri1 Università degli Studi di Catania Facoltà di Ingegneria Architettura del Calcolatore

2 Prof.Ing.S.Cavalieri2 Indice Evoluzione del Computer Il modello di Von Neumann Descrizione dell'Architettura da Studiare Circuiti di Temporizzazioni (Clock) Memorie RAM, ROM, Cache Unità centrale di processo (CPU) Direct Memory Access (DMA) Circuiti di Interrupt Chipset BIOS Bus di comunicazione Controllore di periferiche (Controller) Periferiche e Memorie di Massa

3 Prof.Ing.S.Cavalieri3 Evoluzione: tecnologia Sistemi Meccanici Sistemi Meccanici/Elettrici Sistemi Elettronici basati su Valvole Sistemi Elettronici basati su Transistor Sistemi Elettronici basati su Circuiti Integrati Sistemi Elettronici basati su Microprocessori

4 Prof.Ing.S.Cavalieri4 Evoluzione: tipi di calcolatori 1950 – Mainframe locale: batch (prima), time sharing (dopo) 1960 – Mainframe remoto: linee di telecomunicazioni – Mini Computers: ambienti meno restrittivi, costi accessibili, time sharing, Unix, Linguaggio C 1980 – Personal Computers: uso "domestico", applicativi per compiti comuni (es.videoscrittura) – PC connessi in Reti di Calcolatori: PC con capacità elaborative ed interfacce ad alte prestazioni, LAN, Internet – Internet: reti a larga banda Futuro Prossimo - Griglie Computazionali

5 Prof.Ing.S.Cavalieri5 Il modello di Von Neumann CPU INTERFACCIA I/O PERIFERICHE MEMORIA CENTRALE

6 Prof.Ing.S.Cavalieri6 Architettura Studiata RAM ROM CPU Bus di controllo Bus di I/O Bus di dati Bus di indirizzi Clock Interrupt BIOS DMA Controller dischi, CD-ROM,etc. Connettori Periferiche I/O

7 Prof.Ing.S.Cavalieri7 Circuiti di Temporizzazione (Clock) tempo T Il megahertz (MHz) è l'unità di misura della frequenza alla quale il processore funziona; indica quanti milioni di oscillazioni al secondo (1 oscillazione al secondo = 1 hertz [Hz]) sono generate dal clock. f=1/T Hz.

8 Prof.Ing.S.Cavalieri8 Circuiti di Temporizzazione (Clock) In generale il clock é prodotto da un apposito circuito integrato, la cui oscillazione é controllata da un cristallo di quarzo. Il cristallo di quarzo garantisce una elevata stabilita nel tempo e con il variare della temperatura ed una grande precisione nel valore della frequenza prodotta, quanto meno possibile influenzato dalla temperatura e dall' invecchiamento. In generale il quarzo di partenza é il MHz Scelta legata alla diffusione e economicità

9 Prof.Ing.S.Cavalieri9 Circuiti di Temporizzazione (Clock)

10 Prof.Ing.S.Cavalieri10 Circuiti di Temporizzazione (Clock) Partendo dal quarzo a MHz, vengono generate frequenze più elevate (50, 60, 66, 100MHz). Ogni area del PC che contiene un processore o un microcontrollore, necessita di un clock, che puó essere generato in loco o dipendere dal clock principale. Giá a partire dalle architetture basate sulla CPU 80486, é diventato comune avere per il processore un clock piú elevato di quello generale del sistema.

11 Prof.Ing.S.Cavalieri11 Memorie Interne RAM, ROM e Cache Misura della Memoria Classificazione della Memoria: Interna ed Esterna Memoria Interna: Caratteristiche Generali RAM Statica RAM Dinamica ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory Memoria Cache

12 Prof.Ing.S.Cavalieri12 Misura della Memoria Informazione di base = bit Raggruppamenti utilizzati: 1 byte = 8 bit 1 word = N byte Multipli (bit/byte) K (Kilo) = 2 10 (=1024) circa 10 3 M (Mega) = 2 20 (=1024*1024= ) circa 10 6 G (Giga) = 2 30 circa 10 9 T (Tera) = 2 40 circa P (Peta) = 2 50 circa 10 15

13 Prof.Ing.S.Cavalieri13 Alcuni Valori da Ricordare 2 4 = = = = 64 K (65536/1024)

14 Prof.Ing.S.Cavalieri14 Memoria Interna o Centrale memorizza programmi e dati su cui lavora la CPU a cui è collegata tramite il bus principale: si accede al singolo bit/byte/word tempi di accesso bassi (<70 ns); dimensioni tipiche sono 256Mbytes/512Mbytes realizzata con circuiti elettronici

15 Prof.Ing.S.Cavalieri15 Memoria Esterna o di Massa memorizza dati e programmi sotto forma di file. Per lelaborazione, si devono trasferire programmi e dati in memoria centrale: Si accede a blocchi (cluster/settori) Non è possible leggere/scrivere singoli bit/byte tempi di accesso elevati (msec) capacità elevate (decine/centinaia di Gbytes) Può essere: Memoria di Massa on-line, normalmente realizzata con dischi magnetici fissi Memoria di Massa off-line, normalmente realizzata con supporti (magnetici/ottici/elettronici) rimovibili

16 Prof.Ing.S.Cavalieri16 Memoria Interna: Caratteristiche Generali 1 bit bus dei dati bus degli indirizzi n fili bus di controllo read/write (strobe) 0 1 m-1 2

17 Prof.Ing.S.Cavalieri17 Indirizzi e valori: Con n bit di indirizzo si possono selezionare 2 n caselle (m=2 n ). Strobe: sono segnali generalmente impulsivi che vengono inviati dopo il posizionamento dellindirizzo per discriminare tra operazione di letture e scrittura Memoria Interna: Caratteristiche Generali

18 Prof.Ing.S.Cavalieri18 Tempi di servizio: accesso, ciclo (misurati in clock). Accesso. E' il tempo necessario affinché la memoria ponga in uscita il valore richiesto (o possa registrare il valore in ingresso), dopo aver posizionato l'indirizzo e lo strobe. Ciclo. E' il tempo minimo che deve intercorrere tra due posizionamenti validi dellindirizzo e dello strobe. Modificabilità: Memoria a Sola Lettura/Riscrivibile. Qualsiasi memoria deve essere scritta almeno una volta. Le memorie che non possono essere riscritte si dicono a sola lettura; altrimenti sono riscrivibili. Memoria Interna: Caratteristiche Generali

19 Prof.Ing.S.Cavalieri19 Persistenza: permanenti/volatili. Sono permanenti le memorie che mantengono i dati senza bisogno di alimentazione elettrica; altrimenti si dicono volatili. Accessibilità: casuale /sequenziale. Se non esiste alcun vincolo sulla sequenza degli indirizzamenti effettuati, si parla di memoria ad accesso casuale; quando invece il successivo indirizzo è lattuale incrementato di uno si parla di memorie ad accesso sequenziale. Memoria Interna: Caratteristiche Generali

20 Prof.Ing.S.Cavalieri20 bus dei dati bus degli indirizzi n fili bus di controllo read/write 1 bit Memoria Interna: Caratteristiche Generali

21 Prof.Ing.S.Cavalieri21 Possiamo identificare diversi livelli funzionali di memoria: Random Access Memory (RAM) Read Only Memory (ROM) Memoria Cache Memoria Interna: Caratteristiche Generali

22 Prof.Ing.S.Cavalieri22 RAM - Random Access Memory Il termine RAM deriva da Random Access Memory Memoria Volatile oLa mancanza di tensione provoca la perdita di tutte le informazioni contenute. oIn presenza di tensione, ciascuna informazione memorizzata rimane fino alla successiva scrittura. Memoria ad accesso casuale Attualmente assumono valori tipici di centinaia/migliaia di MBytes.

23 Prof.Ing.S.Cavalieri23 RAM - Random Access Memory La RAM vengono utilizzate per i seguenti scopi: memorizzare il Sistema Operativo (ad esempio Windows). memorizzare i programmi utenti prima della loro esecuzione. memorizzare i dati utenti provenienti dalle periferiche o quelli intermedi. La RAM può essere realizzata in differenti modi, ma quella più comune è: RAM dinamica (DRAM)

24 Prof.Ing.S.Cavalieri24 RAM DINAMICHE (DRAM) La DRAM usa delle capacità (condensatore) interne per memorizzare i dati. Le capacità perdono la loro carica dopo un certo intervallo di tempo. Queste capacità necessitano di un costante rinfresco per mantenere inalterata l'informazione memorizzata. Il risultato finale è che tra due accessi consecutivi alla memoria, una carica elettrica viene mandata a rinfrescare la capacità del chip di memoria affinché il dato venga mantenuto nello stato logico corretto. Durante il rinfresco della memoria non è possibile accedere ad essa, rallentando, dunque, le sue prestazioni in termini di accessi in lettura/scrittura.

25 Prof.Ing.S.Cavalieri25 Utilizzano un condensatore per memorizzare 1 Bit Necessitano di un circuito di Refresh Consumano poco Sono abbastanza veloci (da 10 a 70 ns) Tipi di DRAM obsolete: FP DRAM (fast page) EDRAM (DRAM Evoluta) EDO RAM (extended data output RAM). RAM DINAMICHE (DRAM)

26 Prof.Ing.S.Cavalieri26 SDRAM. Quando sono apparsi i Bus con clock a 100 MHZ, si sono affermate le memorie dinamiche di tipo sincrono SDRAM. La Intel ha definito le specifiche PC100 (PC 133). RAM BUS (o RDRAM) hanno un canale da 16 bit a 800 Mhz Le DDR (double data rate) sono un tipo di SDRAM che lavorano sui due fronti del clock. Sono chiamate: DDR 300 (riferendosi al doppio del clock effettivo, 150 MHz) PC 2400 (riferendosi alla banda 8 byte * 2 * 150 MHz) o PC 2100 (8*2*133 Mhz) RAM DINAMICHE (DRAM)

27 Prof.Ing.S.Cavalieri27 Attualmente esistono le DDR-II Sono caratterizzate da più elevate velocità di clock rispetto a DDR (circa il doppio), che a sua volta raddoppiò la velocità della SDRAM. La maggiore velocità è legata alla presenza di buffer di I/O con clock doppio del bus interno rispetto quello di funzionamento di ogni cella di memoria Si raddoppia il numero di bit letti ad ogni ciclo ed inviati al bus interno Esempi di Chip DDR2-400: chip di memoria con frequenza di 100 MHz, buffer di I/O con frequenza di 200 MHz. DDR2-533: frequenza di 133 MHz, buffer di I/O a 266 MHz. DDR2-667: frequenza di 166 MHz, buffer di I/O a 333 MHz. DDR2-800: frequenza di 200 MHz, buffer di I/O a 400 MHz. DDR2-1066: frequenza di 266 MHz, buffer di I/O a 533 MHz. RAM DINAMICHE (DRAM)

28 Prof.Ing.S.Cavalieri28 SIMM (30 pin) single in line module; hanno una doppia fila di contatti ma connessi a coppie, quindi è come se avessero la metà dei contatti attivi; ogni modulo ha parallelismo 1 byte (un 486 usa 4 banchi) SIMM (72 PIN); i pin sono sempre organizzati a coppie; ogni modulo supporta 4 byte (il 486 usa un solo banco); montano le EDO RAM DIMM (168 PIN) Dual Inline Memory Module; tutti i pin sono indipendenti; gestisce 8 byte (un P6 usa un banco); Montano le SDRAM DIMM (184 PIN); montano le DDR; sono uguali come geometria alle DIMM 168 PIN, ma si differenziano per il fatto di avere una sola tacca DIMM con dissipatore per RDRAM RAM DINAMICHE (DRAM) Sono montate su moduli (schedine):

29 Prof.Ing.S.Cavalieri29 RAM DINAMICHE (DRAM) DIMM per DDR2. I moduli di memoria DDR2 hanno 240 Pin, e sono quindi incompatibili con quelli DDR che hanno 184 pin. PC2-3200: modulo di memoria con frequenza di clock di 200 MHz, transfer rate di 400 MT/s, chip DDR2-400, e 3,200 GB/s per canale. PC2-4200: modulo di memoria con frequenza di clock di 266 MHz, transfer rate di 533 MT/s, chip DDR2-533, e 4,267 GB/s per canale. PC2-5300: modulo di memoria con frequenza di clock di 333 MHz, transfer rate di 667 MT/s, chip DDR2-667, e 5,333 GB/s per canale. PC2-6400: modulo di memoria con frequenza di clock di 400 MHz, transfer rate di 800 MT/s, chip DDR2-800, e 6,400 GB/s per canale. PC2-8500: modulo di memoria con frequenza di clock di 533 MHz, transfer rate di 1066 MT/s, chip DDR2-1066, e 8,533 GB/s per canale.

30 Prof.Ing.S.Cavalieri30 Parametri Prestazionali Esistono alcuni parametri di funzionamento, tipicamente raccolti sotto il nome di timings Alcune volte è possibile intervenire manualmente a variare i timings, così da ottenere prestazioni superiori Tra i vari timings: CAS (Column Address Strobe) Latency (CL): indica il numero di periodi di clock richiesti dalla memoria per processare una richiesta. A valori inferiori della latenza corrispondono prestazioni superiori.

31 Prof.Ing.S.Cavalieri31 Soluzioni Innovative per Incrementare le Prestazioni Velocità dei processori sempre più elevata, crea dei colli di bottiglia sullaccesso in memoria Da un pò di anni è stata sviluppata la tecnologia dual-channel La quantità di dati traferibile dalla CPU alla RAM viene duplicata, utilizzando due bus di dati a 64 bits Sia Intel sia AMD la usano, con differenti implementazioni Gli slot di memoria sulla scheda madre si riconoscono perchè colorati

32 Prof.Ing.S.Cavalieri32 ROM - Read Only Memory Il termine ROM significa Read Only Memory. Indicava originariamente il fatto che l'unico tipo di accesso in queste memorie è la lettura (ovviamente la prima scrittura deve essere possibile). Lattuale ROM è: Memoria Permanente oNella ROM l'informazione in essa contenuta rimane anche quando manca la corrente. oNella ROM l'informazione rimane fino alla successiva scrittura. Memoria ad accesso casuale

33 Prof.Ing.S.Cavalieri33 ROM - Read Only Memory Le ROM vengono in genere utilizzate per memorizzare programmi e dati di configurazione essenziali per il funzionamento del computer che devono essere memorizzati anche quando il computer è spento. Bios Esistono differenti tipi di ROM: ROM non programmabili PROM. ROM Programmabili EPROM. Erasable Programmable ROM EEPROM. Electrical Erasable Programmable ROM Flash Memory

34 Prof.Ing.S.Cavalieri34 ROM: sono delle reti combinatorie già predisposte in fabbrica (tramite il processo di mascheratura). Hanno alte capacità bassi costi. PROM: sono delle reti combinatorie programmabili con un dispositivo da laboratorio. Molto utili per prototipi, possono essere programmate una sola volta. EPROM: sono programmabili con un dispositivo da laboratorio. Hanno una finestra di quarzo tramite cui è possibile esporre il chip ai raggi U.V. e cancellare il contenuto. ROM - Read Only Memory

35 Prof.Ing.S.Cavalieri35 EEPROM: come le EPROM, ma cancellabili con particolari cicli di segnalazione senza togliere dalla piastra il chip. I tempi di cancellazione sono di norma molto più lunghi di quelli di lettura. Flash Memory: come le EPROM, ma la scrittura avviene per blocchi e non per byte, molto velocemente. Non può essere usata come la RAM per via della scrittura a blocchi Si chiama flash perché il microchip è organizzato in sezioni di celle cancellabili in un colpo solo (flash). ROM - Read Only Memory

36 Prof.Ing.S.Cavalieri36 Memoria Cache La memoria cache è generalmente gestita direttamente dalla CPU tramite bus privati. Lo scopo della memoria cache è quello di reperire informazioni utilizzate recentemente senza doverle nuovamente prelevare dalla RAM. L'utilizzo della memoria cache rispetto la RAM è più vantaggioso perché: il bus di indirizzi e dati è locale e non deve essere utilizzato quello comune, che potrebbe essere occupato da altri dispositivi (ad esempio DMA), ritardando l'accesso alla RAM il tempo di accesso alla cache per lettura/scrittura è molto più basso di quello della RAM (generalmente il tempo di accesso medio alla RAM è 50-70ns, mentre si può arrivare a valori inferiori a 10ns per accedere alla memoria cache).

37 Prof.Ing.S.Cavalieri37 Memoria Cache L'uso della memoria cache prevede, però, opportuni accorgimenti dovuti al fatto che la dimensione di una cache è notevolmente inferiore a quella di una RAM la dimensione tipica della RAM è di centinaia di MBytes, mentre la cache ha dimensioni dell'ordine di alcune centinaia di KBytes. è impensabile poter memorizzare nella cache tutti i dati letti dalla RAM, ma sarà necessario sovrascrivere alcuni dati contenuti nella cache, per far spazio a nuovi dati da memorizzare.

38 Prof.Ing.S.Cavalieri38 Memoria Cache In particolare, si adotta la politica di sovrascrivere i dati più vecchi, ossia quelli non utilizzati da più tempo. La gestione della cache, può essere formalizzata nella seguente maniera: la CPU necessita di un particolare dato la CPU ricerca il dato nella cache se lo trova, lo legge e lo utilizza se non lo trova, lo reperisce nella RAM e lo trasferisce nella cache nella locazione più "vecchia", ossia da più tempo non utilizzata.

39 Prof.Ing.S.Cavalieri39 Attualmente le memorie cache hanno dimensioni medie di 256Kbyte, con picchi di 512Kbyte fino ad arrivare a valori di alcuni Mbytes. Potrebbe sembrare che quanto più grande è la cache, tanto più conveniente sia per le prestazioni della CPU. Questa affermazione è vera relativamente, in quanto, aumentando la cache oltre certi limiti, il rapporto prezzo/prestazioni diventa non conveniente. Memoria Cache

40 Prof.Ing.S.Cavalieri40 Per aumentare ulteriormente le prestazioni, si può: Frammentare la cache Trasferire una parte della cache all'interno della CPU Esistono, dunque, Cache Multi-livello: L1, di dimensioni minori (8KB...64KB): è in genere contenuta all'interno del Core del processore e opera alla frequenza di clock CPU; L2 (nelle CPU correnti compresa tra 128KB e 1MB): a seconda del tipo di architettura è posta o all'interno del Core del processore oppure sulla motherboard; opera a frequenze differenti a seconda del tipo di architettura, variabili tra la frequenza di bus e quella di clock. L3: generalmente è un'estensione della L2 (2 MB nel Pentium IV Extreme Edition 3.2 GHz) Il processore cerca prima nella cache interna L1 e poi in quelle esterne L2, L3. Memoria Cache

41 Prof.Ing.S.Cavalieri41 Memorie STATICHE Generalmente le memorie cache sono realizzate da memorie statiche La memoria statica è la memoria più veloce disponibile attualmente Sono caratterizzate da tempi di accesso dell'ordine delle decine di nanosecondi (da 6 ns a 25 ns). Sono costose e possono memorizzare solo 1/4 dei dati rispetto le memorie dinamiche (DRAM). A differenza delle DRAM, non occorre il rinfresco periodico.

42 Prof.Ing.S.Cavalieri42 Utilizzano per ogni bit un flip flop. Il singolo bit occupa molto spazio (8 transistors). Consuma molta energia. E molto veloce (< 10 ns). Ha un elevato costo per bit. Memorie STATICHE

43 Prof.Ing.S.Cavalieri43 CPU Principi di Base Blocchi Fondamentali: Memoria Cache, Registri, ALU, Istruction Decoder and Control Esempio di Funzionamento Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la microelettronica Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la meccanica Road map dei microprocessori Indicatori di prestazione

44 Prof.Ing.S.Cavalieri44 CPU-Principi di Base STRUTTURA DELLA ISTRUZIONE MACCHINA: Si tratta di una stringa binaria che identifica il codice della operazione da eseguire e le modalità per indirizzare gli operandi Opcode o codici operativi Un programma scritto in Opcode è assai difficile, si utilizza lAssembly ESECUZIONE DI UNA ISTRUZIONE MACCHINA: lesecuzione di unistruzione avviene con una sequenza di microistruzioni a livello circuitale associate all'istruzione FASI CPU: Ricerca (Fetch) e Esecuzione (Execute)

45 Prof.Ing.S.Cavalieri45 CPU-Memoria Cache La memoria, a rigore, non dovrebbe far parte dell'unità centrale ma attualmente una tendenza che si va consolidando e quella di fornire CPU che presentino al loro interno banchi di memoria allo scopo di reperire velocemente informazioni, senza dover accedere alla memoria centrale. Cache di Primo Livello L1 (alcune volte anche la L2)

46 Prof.Ing.S.Cavalieri46 CPU-Registri Interni Di numero e di caratteristica molto differenziate, i registri interni di lavoro permettono all'unità centrale lo spostamento, la manipolazione ed il deposito temporaneo dei dati senza dover ricorrere alla memoria esterna. I tipi di registri, le modalità di interconnessione e di comunicazione fra i vari registi sono una caratteristica del processore Possiamo tuttavia individuare un set di registri essenziali per il funzionamento di un qualunque processore, e che, dunque, possono essere ritrovati in una qualunque architettura.

47 Prof.Ing.S.Cavalieri47 CPU-Registri Interni Memory Address Register (MAR). E' il registro specializzato per indirizzare la memoria. Durante l'esecuzione di un programma il MAR contiene l'indirizzo della locazione di memoria centrale (esterna alla CPU) alla quale si vuole accedere in quell'istante. Program Counter (PC). E' il registro specializzato per contenere l'indirizzo dell'istruzione che deve essere eseguita. Memory Data Register (MDR). E' il registro da cui transitano tutti i dati scambiati con la memoria esterna prima di venire smistati, in base al loro significato, presso gli altri registri interni. Instruction Register (IR). E' il registro che contiene la parte codice operativo di un'istruzione, vale a dire quella sequenza di bit che opportunamente decodificati determineranno le azioni che la CPU deve eseguire.

48 Prof.Ing.S.Cavalieri48 CPU-Registri Interni Accumulatore. E' il principale registro di calcolo dell'unità centrale: contiene sempre uno degli operandi e il risultato dell'operazione Pointer Registers (PRs). Sono registi specializzati per contenere indirizzi, solitamente di quei sotto programmi ricorrenti con particolare frequenza. Alcuni di essi possono venire specializzati a funzioni particolari. Uno di essi è lo stack pointer, che indirizza la zona di RAM in cui è stato costruito lo stack. Lo stack e' definita come una porzione di memoria gestita secondo una politica LIFO (Last In First Out). Risulta estremamente comodo per il salvataggio del program counter in caso di interruzione (interrupt) o subroutine;

49 Prof.Ing.S.Cavalieri49 CPU-Registri Interni Status Register. Con registro di stato si intende un registro il cui contenuto è costituito da un insieme di flag aventi un significato individuale, anche se può essere manovrato ed elaborato in parallelo. Il significato dei vari flags costituenti il registro può differire a seconda del microprocessore, ma avremo sempre alcuni flags fondamentali: CARRY. Viene manipolato dalle operazioni aritmetiche; viene settato o resettato nel corso di un'istruzione di somma se si è avuto o no un riporto. OVERFLOW. Risente anch'esso dell'esito delle operazioni aritmetiche; viene settato a uno se nel corso di una somma o sottrazione si è avuto un trabocco della capacità dei registi.

50 Prof.Ing.S.Cavalieri50 CPU-Unità Aritmetico Logica ALU Operazioni Aritmetiche: Somma in Complemento a 2 Operazioni Logiche: AND, OR e NOT Operazioni sui Bit: Shift e Rotazione Dati in Ingresso: il Contenuto dell'Accumulatore (sempre) e dei registri interni della CPU (operandi residenti in memoria centrale vengono trasferiti su registri temporanei) Risultato dell'Operazione: Accumulatore Uscite Collaterali: è fondamentale registrare alcune condizioni di fine esecuzione delle operazioni di ALU al fine di determinare se procedere con la successiva istruzione in memoria o con unaltra opportunamente specificata. risultato zero, negativo, riporto, overflow …… registro di stato

51 Prof.Ing.S.Cavalieri51 CPU-Instruction Decoder and Control E' il cuore del processore Riceve come dato in ingresso il codice operativo dell'istruzione presente nell'instruction register (IR). Questo codice può essere pensato come l'indirizzo di partenza di un microprogramma interno che agisce a livello circuitale minimo componendo insieme, in modo opportuno, gruppi di microistruzioni. Queste ultime consistono in definitiva nell'emissione di una serie di segnali e stati logici di controllo che servono: a predisporre la ALU a compiere una particolare funzione aritmetico logica a smistare attraverso i bus interni i contenuti dei registri interessati a svolgere i necessari test e gli eventuali scambi di dati con l'esterno.

52 Prof.Ing.S.Cavalieri52 CPU-Instruction Decoder and Control Esempio di Microprogramma associato all'istruzione di Somma del contenuto dell'accumulatore con il contenuto del MDR. Questa operazione può essere scomposta in sette passi elementari: 1.Trasferimento del contenuto dell'accumulatore sul bus dati interno alla CPU. 2.Trasferimento del contenuto del bus dati nella ALU. 3.Trasferimento del contenuto del MDR sul bus dati interno alla CPU. 4.Trasferimento del contenuto del bus dati nella ALU. 5.Attivazione della logica di somma. 6.Trasferimento del contenuto della ALU (risultato della somma) sul bus dati. 7.Trasferimento del contenuto della data bus nell'accumulatore (che conterrà il risultato della somma).

53 Prof.Ing.S.Cavalieri53 CPU - Fasi di Fetch e Execute In qualunque processore l'esecuzione di una generica istruzione avviene in due fasi differenti: la fase di ricerca (FETCH): consiste nel prelievo dalla memoria centrale dell'istruzione la fase di esecuzione (EXECUTE), caratterizzata dalla decodifica dell'istruzione e dall'attivazione del microprogramma ad essa associato.

54 Prof.Ing.S.Cavalieri54 CPU - Fasi di Fetch e Execute Esempio: Supponiamo che l'istruzione sia di somma fra il contenuto dell'accumulatore e il contenuto di una cella di memoria il cui indirizzo sia dato direttamente dalla parte operando dall'istruzione stessa. Supponiamo cioè che la cella di memoria contenente l'istruzione da eseguire sia strutturata come segue: codice istruzione indirizzo RAM del secondo operando

55 Prof.Ing.S.Cavalieri55 CPU - Fasi di Fetch e Execute Fase di ricerca (FETCH): 1.Il contenuto del Program Counter (PC) è relativo allindirizzo di memoria che contiene listruzione. 2.Il contenuto del Program Counter è inviato al MAR (Memory Address Register) per operare il prelevamento dell'istruzione all'indirizzo di memoria contenuto nel MAR. 3.Il dato prelevato dalla memoria è riposto nel MDR (Memory Data Register). 4.Il contenuto del MDR, ossia listruzione, è messa nel Instruction Register per essere decodificata. 5.Il Program Counter viene incrementato per puntare all'istruzione successiva.

56 Prof.Ing.S.Cavalieri56 CPU - Fasi di Fetch e Execute Ha inizio a questo punto la fase di esecuzione (EXECUTE): 1.viene compreso che il secondo operando risiede in memoria 2.la parte dellistruzione relativa allindirizzo del secondo operando viene trasferita nel MAR 3.L'effettivo operando, prelevato dalla memoria è posto nel MDR. 4.Loperando viene presentato ad un ingresso della ALU. 5.All'altro ingresso dellALU viene presentato il contenuto dell'accumulatore. 6.L'ALU, predisposta dall'Instruction Register ad eseguire la somma, pone il suo risultato nell'accumulatore. La fase di esecuzione è terminata ed il processore prosegue con la fase di ricerca dell'istruzione successiva.

57 Prof.Ing.S.Cavalieri57 Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la microelettronica Il Canale (0,065μ/0,09μ/0,13μ/0,18μ): indica il più piccolo spessore di silicio nel transistor che si riesce a trattare con procedimenti fotochimici e quindi concorre a determinare la densità di transistor che si può ottenere 0,065μ(micron)=65 nm (nanometri) LArea Chip (140mmq-300mmq): aumentando larea del chip si aumentano le funzioni logiche implementabili Numero Transistor/Chip > Centinaia di Milioni - 1 Miliardo

58 Prof.Ing.S.Cavalieri58 Tecnologie di fabbricazione dei microprocessori: la meccanica Il Packaging: il contenitore in cui è incapsulato il chip della CPU deve avere ottime caratteristiche meccaniche e termiche; si usano ceramiche particolari. La Piedinatura: laumento della memoria indirizzabile, del parallelismo di trasferimento con la memoria centrale, delle funzionalità avanzate hanno determinato un crescente numero di punti esterni di connessione (pin). Il Socket: il socket è lelemento meccanico di interconnessione tra il chip e la scheda madre. Il Raffreddamento: le sempre maggiori potenze impegnate richiedono ventole montate su CPU e su chassis più potenti e controlli automatici di temperatura

59 Prof.Ing.S.Cavalieri59 Tabella dei socket Socket 5 Socket 7 SuperSocket 7 Socket 8 Slot 1 Slot A Socket A Socket 423/478 Socket 940 Socket T (LGA 775) Socket M (µPGA478) Socket P (µPGA478)

60 Prof.Ing.S.Cavalieri60 Road map dei microprocessori SocketCanaleMilioni Transistor Cache L1 Cache L2 Clock CPU FSB AMD K6Socket 7 0,35 64KB0KB2,33GHz66MHz K6 - IISocket 7 0,25 64KB0KB3,00GHz66MHz K6-IIISuper Socket 7 0,25 64KB256KB4,50GHz100MHz DURONSOCKET A 0,18μ25Mtr128KB64KB1,2GHz200Mhz ATHLONSOCKET A 0,18μ37Mtr128KB256KB1,4GHz266Mhz ATHLON XP SOCKET A 0,18μ37,5Mtr128KB256KB1,6GHz266Mhz ATHLON MP SOCKET A 0,18μ37,5Mtr128KB256KB1,6GHz266Mhz

61 Prof.Ing.S.Cavalieri61 Road map dei microprocessori SocketCanaleMilioni Transistor Cache L1 Cache L2 Clock CPU FSB INTEL CELERON Coppermine SOCKET 370 0,18μ19Mtr 32KB 128KB 1,1GHz 100Mhz CELERON TUALATIN SOCKET 370 0,13μ28,5Mtr 32KB 256KB 1,2GHz 100Mhz PENTIUM III Coppermine SOCKET 370 0,18μ28Mtr 32KB 256KB 1,1GHz 133MHz PENTIUM III TUALATIN Slot1/ SOCKET 370 0,13μ28Mtr32KB256KB/ 512KB 1,4GHz133MHz PENTIUM IV SOCKET 423 0,18 μ42Mtr 8KB 256KB 2GHz PENTIUM IV SOCKET 478 0,13 μ42Mtr 8KB 512KB 2,8GHz Pentium IV EE Socket 4780,13 μ169Mtr8KB512KB+ 2MB (L3) 3,2GHz200MHz

62 Prof.Ing.S.Cavalieri62 Ultime Soluzioni per Incremento di Prestazioni Soluzione DUAL CORE: unione di due processori indipendenti Aumento di potenza di calcolo senza aumentare la frequenza di clock Motivo: aumento della frequenza di clock comporta consumi più alti e problemi di riscaldamento Si punta al parallelismo delle istruzioni eseguite in ogni ciclo di clock Esempi in casa Intel: Core 2 Duo E6850 (Luglio 2007): Socket 775, 3GHz, 65nm, L1=2x64KB, L2=4MB (la L2 è condivisa)

63 Prof.Ing.S.Cavalieri63 Ultime Soluzioni per Incremento di Prestazioni Soluzione QUAD CORE: unione di 4 processori indipendenti Esempi in casa Intel: Core 2 Quad Q6700 (Luglio 2007): Socket 775, 2,66GHz, 65nm, L1=4x64KB, L2=2x4MB (la L2 è condivisa tra ogni coppia di processori)

64 Prof.Ing.S.Cavalieri64 Indicatori di prestazione Un Benchmark è un programma che consente di valutare comparativamente le prestazione di due sistemi relativamente a: Tempo di risposta (secondi) Throughput (Numero di bit /secondo) Fotogrammi / secondo Alcuni programmi di Benchmark: Stream (misura la banda delle RAM in Mbytes/s) Video Giochi: 3D Mark, Mercedes Benz Truck Racing (fps) Applicativi: Sysmark 2000 (sec)

65 Prof.Ing.S.Cavalieri65 Sottosistema di I/O I Bus: Bus di I/O Interfacce: Seriali, Parallele, USB, FireWire Controller Schede Grafiche, Audio e di Acquisizione Video

66 Prof.Ing.S.Cavalieri66 Bus di I/O Il bus di I/O ha il compito di connettere la CPU alle periferiche di I/O Esistono diverse tipologie che si differenziano per: numero di bit e larghezza di banda (bit/sec) Considerando l'architettura Intel, esistono i seguenti tipi di bus I/O: ISA. Il termine ISA significa Industry Standard Architecture. La prima versione del bus ISA era a 8 bit, presente ad esempio negli IBM compatibili AT. Molto più recente ed utilizzato è il bus ISA a 16 bit MHz picco 16MByte/s EISA. Il termine significa Extended Industry Standard Architecture. EISA è un'evoluzione del bus ISA ed è teoricamente compatibile con questo. E' caratterizzato da prestazioni superiori rispetto il bus ISA, principalmente dovute alla doppia capacità del bus e all'uso di un proprio dispositivo DMA (Direct Memory Access).

67 Prof.Ing.S.Cavalieri67 Bus di I/O MCA. E' un bus proprietario IBM ed è derivato dal bus ISA. Il fatto di essere proprietario implica l'incompatibilità con altri bus di I/O. E' commercializzato in due versioni: a 16 e 32 bit. In termini pratici è capace di trasferire circa 20 Mbit/secondo. PCI (Peripheral Component Interconnect). I dati vengono trasferiti in blocchi di 32 bit (a differenza dell'ISA caratterizzato da trasferimenti a 16 bit) MHz => 132 MByte/sec MHz => 264 MByte/sec (bus PCI 2.1, che lavora ad una frequenza di 66 MHz) AGP (Accelerated Graphic Port). Viene utilizzata esclusivamente per la connessione a particolari schede video accelerate (ossia dotate di processore interno che elabora informazioni visive).

68 Prof.Ing.S.Cavalieri68 Interfacce Esistono differenti connettori che permettono il collegamento con le periferiche esterne (mouse, tastiera, stampante, etc.). Generalmente tali connettori si collegano al bus di I/O. I più noti e vecchi connettori sono: COM1, COM2: RS 232, 9 e 25 poli maschio. Porta Parallela. Sono connettori a 25 poli femmina.

69 Prof.Ing.S.Cavalieri69 Interfaccia USB E' l'acronimo di Universal Serial Bus; Fino a 127 periferiche in catena. L'USB è stato introdotto per fornire uno standard che superasse in prestazioni le ormai vetuste porte seriale e parallela; USB è quindi la soluzione ideale per le periferiche di media velocità quali modem esterni, webcam, lettori CD-Rom esterni ecc. E' possibile collegare le periferiche con PC acceso E' possibile fornire direttamente l'alimentazione ad alcuni tipi di periferiche. Due Versioni: USB 1.0: 12 Mbit/sec USB 2.0: 480 Mbit/sec

70 Prof.Ing.S.Cavalieri70 Interfaccia FireWire IEEE1394 Molti computer più recenti sono dotati di una porta per il collegamento delle periferiche FireWire. Si tratta di uno standard di comunicazione ideato da Apple e sviluppato insieme a IEEE (e quindi conosciuto anche come standard IEEE 1394).IEEE Bus digitale di comunicazione che permette un transfer rate massimo di 400 Mbit/secondo e di collegare 64 periferiche in cascata; Esiste la versione IEEE 1394b a 800 Mbps La porta FireWire consente di collegare al computer periferiche ad alta velocità, ad esempio videocamere digitali, riproduttori audio, unità Zip e altri dispositivi di memorizzazione esterni.

71 Prof.Ing.S.Cavalieri71 Controller Esistono particolari periferiche, quali dischi fissi, CD-ROM, nastri magnetici (o unità di back-up), e scanner, che necessitano di particolari circuiti di interfaccia chiamati controller (controllori). Il compito principale di un controllore è quello di garantire il trasferimento dati tra il computer e la periferica, risolvendo alcuni problemi tra cui l'adattamento di segnali elettrici, l'adattamento di impedenza, il collegamento fisico tra il bus del computer e quello relativo alla periferica, ecc.. Dunque il suo ruolo è essenziale al fine di massimizzare il trasferimento dati. Controller IDE e SCSI Circuiti digitali ed analogici cavo Periferica Parte elettromeccanica

72 Prof.Ing.S.Cavalieri72 Schede Video Acceleratrici Le schede video permettono oggi di ottenere risoluzioni molto elevate ed effetti grafici sofisticati. Questi miglioramenti di grafica sono apprezzati dai giocatori di videogame e da importanti professionisti web-designer e no. Hanno memoria video DDR (circa 128MBytes) e un processore di immagini

73 Prof.Ing.S.Cavalieri73 Schede Audio Una serie di circuiti montati su una scheda di espansione per computer. Le schede audio permettono di produrre e analizzare suoni stereo di alta qualità utilizzando appositi programmi. Possono essere a 16 o a 24 bit a seconda delle capacità di campionamento e di elaborazioni che i circuiti utilizzati consentono. Effetti dolby sorround (Creative Multi-Speaker Surround-CMSS) tra le più diffuse vi è la famiglia di schede SoundBlaster.

74 Prof.Ing.S.Cavalieri74 Schede di Acquisizione Video Elabora i dati (analogici/digitali) che arrivano da telecamere (analogiche/digitali) e li trasforma in files in differenti formati selezionabili dall'utente (ad esempio AVI, MPEG). Il processore on-board permette di realizzare effetti di montaggio real-time.

75 Prof.Ing.S.Cavalieri75 Periferiche Stampanti Scanner Web Cam Macchine Fotografiche Digitali

76 Prof.Ing.S.Cavalieri76 Memorie di Massa Floppy Hard Disk PenDrive CD ROM CD RW DVD ROM DVD RW

77 Prof.Ing.S.Cavalieri77 ….per diventare esperti dei PC !! Metodi di I/O: Interrupt e DMA La Scheda Madre Il ChipSet Il BIOS

78 Prof.Ing.S.Cavalieri78 Metodi di I/O: Interrupt L'attività che svolge la CPU non è mai continua ma viene sempre interrotta da particolari segnali provenienti principalmente da dispositivi esterni alla CPU stessa. Tali interruzioni hanno lo scopo di comunicare alla CPU la necessità che essa esegua particolari programmi. Ad esempio uno dei più comuni interrupt è relativo all'aggiornamento dell'ora e della data interna al computer. La CPU riceve circa 18 volte al secondo un segnale di interruzione che la obbliga ad eseguire il programma associato di aggiornamento dell'ora e della data. In termini tecnici queste interruzioni prendono il nome di INTERRUPT. Ogni interrupt è caratterizzato da una sua priorità al fine di poter gestire la contesa nel caso in cui più interrupt arrivino contemporaneamente alla CPU. Ad ogni interrupt è poi associato sempre il programma che deve essere eseguito.

79 Prof.Ing.S.Cavalieri79 All'arrivo di un interrupt, la CPU deve eseguire le seguenti funzioni: 1.deve salvare nello stack lo stato corrente del programma che stava eseguendo fino a quel momento (lo stato è dunque rappresentato dal contenuto di alcuni registri quali il Program Counter) 2.deve identificare l'interrupt ed eseguire il programma di interrupt ad esso associato 3.alla fine dell'esecuzione del programma di interrupt, deve prelevare lo stato dallo stack e ripristinare lo stato corrente prima che venisse l'interrupt 4.continuare l'esecuzione dallo stato appena ripristinato Metodi di I/O: Interrupt

80 Prof.Ing.S.Cavalieri80 Metodi di I/O: Direct Memory Access (DMA) Il DMA è una tecnica di gestione del bus che conduce i dati nella memoria RAM, in base alla quale non è necessario l'intervento della CPU per tale trasferimento, ma è un particolare dispositivo DMA che si occupa di effettuare tale trasferimento, alleggerendo la CPU. Il DMA viene utilizzato quando si hanno periferiche veloci che devono accedere alla memoria. In tal caso l'accesso potrebbe essere rallentato dalla CPU, nel caso in cui essa non sia particolarmente veloce o sia occupata in altri lavori. CPU RAM DMA I/O bus

81 Prof.Ing.S.Cavalieri81 La Scheda Madre

82 Prof.Ing.S.Cavalieri82 Il Chip Set Viene detto "chipset" un gruppo di circuiti integrati (in gergo elettronico, chip) che sono direttamente saldati sulla scheda madre e si incaricano di tutte le operazioni di normale gestione, quali: attività sul bus: controllo e gestione del flusso di dati tra i vari componenti il risparmio energetico Dato che il chipset fa da intermediario tra la CPU e tutti (o quasi) i sottosistemi, la sua architettura influenza molto le prestazioni del sistema.

83 Prof.Ing.S.Cavalieri83 Il Chip Set Il chipset fa parte integrante della scheda madre, e non può essere aggiornato. In generale, un chipset è progettato per una famiglia di processori e per una tecnologia di RAM, quindi supporta le frequenze di CPU, le velocità di frontside bus (FSB) e le velocità del bus di memoria corrispondenti ai processori e ai moduli di memoria che entrano in commercio durante il periodo di vita del chipset.

84 Prof.Ing.S.Cavalieri84 Il Chip Set CPU NORTH BRIDGE LAN SOUTH BRIDGE AGP SCSI AGP BUS SRAM Memory Bus PCI Bus BIOS ISA USB Sono due i chip: Northbridge: scambio dati tra CPU, RAM, Comparto Grafico SouthBridge: I/O, slot PCI, porte

85 Prof.Ing.S.Cavalieri85 BIOS Il nome BIOS significa Basic Input Output System, ossia sistema di base per ingressi e uscite. Il BIOS è essenzialmente un "software", ossia un programma. Esso é contenuto in un chip di memoria non volatile EEPROM o le Flash Memory Le funzioni svolte dal BIOS sono essenzialmente: 1.Funzione di Avvio del Computer, Boot Funzione di POST (Power-On Self Test) Beep che codificano eventuali errori o anomalie Caricamento drivers (es.scheda video) Check memoria Caricamento S.O. (da disco di boot) 2.Funzione di Memorizzazione di Configurazione Hardware e di Parametri del ChipSet.

86 Prof.Ing.S.Cavalieri86 BIOS Avvio del Computer Quando si accende il PC, si inizializza l'alimentatore interno. Non appena la tensione si stabilizza il chipset invia un comando di reset del processore. Il comando reset richiede alla CPU di eseguire l'istruzione posta sempre in una locazione fissa prestabilita nella ROM del BIOS e denominata indirizzo di jump. La CPU esegue l'istruzione, che copia in memoria i programmi del BIOS e inizia l'esecuzione del BIOS.

87 Prof.Ing.S.Cavalieri87 La prima azione eseguita dal programma di BIOS è il POST (Power-On Self-Test): Il processo POST verifica e controlla la configurazione hardware memorizzata nelle informazioni di configurazione del BIOS. Nel caso in cui dovesse rilevare un problema invia indicazioni acustiche per mezzo di uno o più beep o beep code, attraverso l'altoparlante del sistema, per indicare la natura del problema o visualizzare un messaggio d'errore e il processo di boot si arresta. Se il POST non incontra problemi, il processo di boot continua. Il BIOS cerca il BIOS dell'adattatore video e lo attiva. Quasi tutti i dispositivi periferici di un PC dispongono di un proprio BIOS. Le informazioni sulla scheda video sono visualizzate sullo schermo del monitor. informazioni della scheda video, BIOS della scheda video, produttore e versione. BIOS Avvio del Computer

88 Prof.Ing.S.Cavalieri88 Vengono inizializzate la routine del BIOS delle periferiche presenti, oltre la scheda video. Il BIOS effettua poi una serie di test nel sistema, inclusa la dimensione della memoria rilevata. Un contatore progressivo visualizza nello schermo la memoria rilevata e verificata. Il BIOS verifica che i dispositivi elencati nei dati di configurazione siano presenti e funzionanti. viene visualizzato un messaggio che comunica che il dispositivo è stato trovato, configurato e verificato. Se il BIOS supporta la tecnologia PnP (Plug and Play), qualsiasi dispositivo PnP rilevato sarà configurato. vengono visualizzate sullo schermo tutte le informazioni dei dispositivi, tuttavia scorrono in modo troppo veloce per poter essere lette. BIOS Avvio del Computer

89 Prof.Ing.S.Cavalieri89 BIOS Avvio del Computer Alla fine della sequenza di test e configurazione, il BIOS visualizzerà una schermata che riassume i dettagli del PC verificati dal BIOS, per indicare che il sistema è pronto per l'uso. Il BIOS dovrà trovare il sistema operativo ed essere in grado di accedervi, per poterlo attivare. I dati di configurazione memorizzati nel BIOS contengono un parametro che indica le unità disco (floppy, hard disk o CD-ROM) e l'ordine di accesso per il caricamento del sistema operativo. Se il programma di boot non viene trovato nel primo dispositivo elencato, verrà ricercato nel dispositivo successivo e così via; se non si trova alcun dispositivo di boot la relativa sequenza si arresta e viene visualizzato un messaggio di errore: "Non è disponibile alcun dispositivo di boot".

90 Prof.Ing.S.Cavalieri90 BIOS Memorizzazione Configurazione Il BIOS memorizza la configurazione hardware del computer (periferiche non plug&play) e i parametri del chipset e ne permette allutente la modifica. Programma di Configurazione: tasto DEL all'avvio In genere ogni versione di BIOS permette di intervenire su taluni parametri del chipset ma non su altri. Esempio: alla voce Chipset Features Setup (o Advanced Chipset Setup) e possibile intervenire sui tempi di accesso alla memoria e su altri parametri del chipset, così da migliorare anche sensibilmente le prestazioni del computer; C'è il rischio di impostare alcuni parametri troppo performanti per l'hardware installato e il sistema si bloccherà durante il funzionamento: basterà rientrare nel Setup del BIOS (premendo, in genere, il tasto DEL all'avvio) e reimpostare i valori precedentemente usati.

91 Prof.Ing.S.Cavalieri91 L'hardware, cioè la parte elettronica del PC, può presentare notevoli differenza da costruttore a costruttore o da modello a modello. Se il S.O. deve ad esempio recuperare un file dal disco rigido, esegue tale lettura "chiedendo" al BIOS di leggere il file, senza occuparsene direttamente. Il BIOS contiene programmi usati dal sistema operativo e software applicativo per interagire con l'hardware. Visto che il BIOS è strettamente legato allhardware, è facile comprendere è che ogni diverso computer possiede un diverso BIOS. Non è possibile cioè utilizzare il BIOS del computer modello xyz nel computer modello hkw. BIOS Interfaccia Sistema Operativo

92 Prof.Ing.S.Cavalieri92 Produttori di BIOS Award, AMI (America Megatrends, Inc.) e Phoenix producono i BIOS più noti. Come la maggior parte dei produttori, forniscono le ROM del BIOS in licenza d'uso alle case costruttrici di schede madri, mentre il servizio di supporto del BIOS compete generalmente a produttori delle schede. In passato AMI era l'unico BIOS per Intel, il principale produttore di processori e schede madri. Attualmente, oltre l'60% delle schede madri sono Intel e adottano il BIOS Phoenix. Nel 1998 Phoenix ha acquistato Award e, pertanto, il BIOS Award viene distribuito con marchio Phoenix.


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