GLI AMBIENTI DELL’ INFORMATICA: HARDWARE M.Hmeljak

GLI AMBIENTI DELL’ INFORMATICA: HARDWARE M.Hmeljak
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Fondamenti di Informatica - Ambiente HW hardware
Architettura “classica” di un calcolatore: la Macchina di Von Neumann

Fondamenti di Informatica - Ambiente HW hardware
i componenti elettronici (milioni di 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 (mondo->calcolatore, es: tastiera) e per la scrittura dati (calcolatore->mondo, es: schermo ) Bus di comunicazione (di dati e comandi tra due dispositivi, Bus Dati, Bus Indirizzi, Bus di Controllo

Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware
Struttura di un calcolatore, approssimata: Memoria Centrale (ram e rom) Schermo (Dispositivo di uscita) vie (“bus”) di trasmissione segnali e dati Unita’ Centrale Disco HD (memoria periferica) Dischetto (memoria periferica) Tastiera (dispositivo di ingresso) la parte “fisica” = insieme dei componenti = “hardware” 12

la MC contiene i programmi “attivi” (istruzioni e dati) in un dato momento (l'UC puo' eseguire solo istruzioni che stanno in MC !) l’ U.C. esegue le istruzioni, al ritmo di N istruz/secondo, con N dell'ordine di 100 milioni (2004); tutta l'elaborazione avviene in UC memoria rom = memoria in sola lettura, indelebile; memoria ram = memoria volatile, si cancella se manca l'alimentazione Memoria Centrale (ram e rom) Unita’ Centrale Disco HD (memoria periferica) Tastiera (dispositivo di ingresso) altre memorie periferiche Schermo (dispositivo di uscita) 13

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 comandi e i dati inseriti da chi lo usa Memoria Centrale (ram e rom) Schermo (Dispositivo di uscita) Unita’ Centrale Disco HD (memoria periferica) Dischetto (memoria periferica) Tastiera (dispositivo di ingresso) Disco CD / DVD / .. 13

Memoria Centrale (ram e rom) Schermo (Dispositivo di uscita) Unita’ Centrale Tastiera (dispositivo di ingresso) 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 i dischetti: piu’ piccoli, estraibili, meno affidabili, capacita' 1.4 M byte 14

memoria centrale (ram,rom) Tastiera (dispositivo di ingresso) Schermo (Dispositivo di uscita) bus trasmissione segnali e dati Disco HD (memoria periferica) Dischetto (memoria periferica) Ingresso/ Uscita seriale I/U segnale video Ingresso/ Uscita parallela Modem I/U rete Ethernet I/U rete Ethernet . . . I/U audio 14

memoria centrale (ram,rom) Tastiera (dispositivo di ingresso) Schermo (Dispositivo di uscita) Disco HD (memoria periferica) Disco HD 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: richiedere l'uso del bus, selezionare l'altro componente (ogni componente ha un indirizzo), trasmettere, verificare l'esito, rilasciare il bus ... 14

unita' centrale o processore o CPU
MEMORIA CENTRALE

HW: unita' centrale, memoria centrale e istruzioni macchina
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) 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
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 PPC 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 puo' essere descritto con un programma e poi svolto dal calcolatore stesso!

l'unita' centrale o processore
HW: unita' centrale 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 di un unita' va da circa 50 (macchine RISC o reduced instruction set) a circa 200 (CISC o complex instruction set)

Fondamenti di Informatica - 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 e 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, unità logico-aritmetiche ALU (Arithmetic and Logic Unit) FPU (Floating Point Unit) per i calcoli matematici in virgola mobile CU (Control Unit, Unità di Governo), gestisce l'esecuz.delle istruzioni (*) il primo processore integrato in un unico circuito inizio anni 70

Unita' Centrale: registri, unita'funzionali, governo
registri dell'unita' centrale: sono dispositivi di memoria di uno o pochi byte molto veloci: copiare un dato in un registro (scrivere in un registro, o "caricare" dati nel registro) o trasmettere un dato da un registro ad un altro (o al bus di sistema) (leggere un dato da un registro) sono operazioni (istruzioni macchina) molto veloci: dell'ordine del nano secondo o frazione

unita' funzionali sono dispositivi elettronici per eseguire una particolare funzione, ad es. le operazioni aritmetiche e logiche su uno o due dati (presenti in registri dell'UC), [ALU = arithmetic and logic unit] esempio: prodotto logico tra due dati ad esempio 8 bit ciascuno, dato A dato B risultato, dato C somma di due numeri interi con segno e altre (operazioni logiche ed aritmetiche, ( in particolare in genere due unita' aritmetiche, una per dati interi ALU e una per dati floating FPU)

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 - in genere le istruzioni hanno un formato fisso (uno o due o pochi formati) dalla memoria centrale unita' di governo (control unit) registro istruzioni segnali di controllo

l'unita' di governo interpreta ed esegue le istruzioni macchina ogni istruzione deve essere decodificata e poi eseguita; il procedimento di decodifica e di esecuzione e' scandito da un ritmo dato da un orologio interno dalla memoria centrale segnali da altri registri unita' di governo (control unit) segnale di orologio registro istruzioni segnali di controllo

un conduttore puo' portare un segnale di controllo
vie dati e vie segnali 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: un insieme di conduttori che trasmette sia segnali di controllo che segnali di dati e' detto un bus

Struttura interna di un' unita' centrale

Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware - l' UC
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)

Ambiente hardware - l' UC : bus dati / bus indirizzi
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; oggi usualmente N = 32 bit, che permette di indirizzare 4 miliardi (giga) celle di memoria). infine 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

Ambiente hardware - l' UC: ciclo istruzione
L' unita' centarle esegue le istruzioni del programma (solo istruzioni macchina!!) - per essere eseguite le istruzioni devono essere disponibili velocemente all'unita' centrale - per tale motivo le istruzioni stanno in memoria centrale (nota: 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 - i registri PC, IR, Rk
registri dell' Unita' Centrale (schema semplificato) sono piccole 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) - dice dove sta l'istruzione da eseguire in memoria centrale 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,
Altri registri dell'unita' centrale, (oltre ai citati PC, IR, Registri di lavoro) SR registri di stato (dove sono memorizzate informazioni sull'esecuzione, ad es. il segno del risultato dell'ultima operazione aritmetica, una particolare situazione di errore ecc) RI registro per il controllo di interruzioni (segnali di richiesta di attenzione da dispositivi di I/U) Registri con indirizzi particolari, ...) e altri

unita' centrale UC o Central Processing Unit CPU: l'unita'governo
DATA ADDRESS Program Counter ALU Instruction Register General Register 0 General Register 1 UNITA' DI GOVERNO (CONTROL UNIT) General Register 2 General Register 3 Status Register OROLOGIO

Ambiente Hardware - la CPU: l' unita' di governo
nota la parte meno visibile ma piu' importante e' l'unita' di governo (control unit) che e' un insieme di circuiti logici dove avviene la decodifica e dove viene realizzata l'esecuzione delle istruzioni : l'unita' di governo controlla tutti i passaggi dati e/o indirizzi all'interno dell'unita' centrale (registri - ALU - bus esterno) via uno o piu' bus interni; la sequenza di micro-azioni da eseguire per eseguire un'istruzione macchina avviene in tempi molto brevi scanditi da un "orologio" . L'unita' di governo interpreta ed esegue le istruzioni, ogni istruzione e' eseguita mediante una sequenza di micro-istruzioni, che sono a loro volta realizzate da un micro programma (UC microprogrammate) oppure con circuiti logici ad hoc (UC cablate)

Ambiente Hardware - l' UC: ciclo istruzione
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.

3) esegui l'istruzione ... ad es. : ADD R4,R9,R10
Ambiente Hardware - l' UC: ciclo istruzione 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 ...

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 istruzione PC

ciclo istruzione inizia con la fase di recupero o fetch:
Fondamenti di Informatica - Ambiente hardware 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 istruzione PC

l'istruzione che si trova nel registro IR viene decodificata dall'unita' di governo, e quindi eseguita istruzione PC

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) istruzione 1 PC istruzione 2 istruzione 3

la memoria centrale "sa" eseguire due comandi:
controllo memoria 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 : bus dati X bus indirizzi I I X celle di memoria ...

indirizzo contenuto commento di memoria della cella 097 000022 dato 22
Ciclo istruzione un programma in linguaggio macchina istruzioni (qui solo quattro istruzioni, codici 3,4,7,9) e dati (qui tre dati) indirizzo contenuto commento di memoria della cella dato 22 dato 33 risultato R1 istruzione 3 preleva (load) in R1 R2 istr. 3 preleva da MC in R2 R1,R2,R3 istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3 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/assembl.
indirizz contenuto istruzione ; commento di mem della cella assembler x dec ; dato 22, indirizzo MC x=97 y dec ; dato 33, indirizzo MC y=98 z bss ; cella per il risultato indir.z R1 L R1,x ; 3=preleva (load) in R1 R2 L R2,y ; 3=preleva da MC in R2 R1,R2,R3 A R1,R2,R3; 7=somma R1+R2 ->R3 R 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.

101 3 097 R1 istr. 3 preleva (load) in R1
Ciclo istruzione dato 22 dato 33 risultato R1 istr. 3 preleva (load) in R1 R2 istr. 3 preleva da MC[98] in R2 R1,R2,R3 istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3 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 dato 22 dato 33 risultato R1 istr. 3 preleva (load) in R1 R2 istr. 3 preleva da MC[98] in R2 R1,R2,R3 istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3 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 dato 22 dato 33 risultato R1 istr. 3 preleva (load) in R1 R2 istr. 3 preleva da MC[98] in R2 R1,R2,R3 istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3 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';

Ciclo istruzione dato 22 dato 33 risultato R1 istr. 3 preleva (load) in R1 R2 istr. 3 preleva da MC[98] in R2 R1,R2,R3 istr. 7 somma R1 e R2, ris in R3 R3 istr. 4 scrivi da R3 in MC[99] istr 9 stop (*) oggi non esiste piu' 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: PC<-101, { R1}-> IR, esegui quindi l'istruzione 3, ... (*) 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

Ogni istruzione e' composta da una o piu' informazioni:
formato istruzione 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: R1 ;"preleva (load) in R1 da mem.di indirizzo 091)" (con due operandi) potrebbe avere il formato: 8 bit bit bit istruz 3 indirizzo memoria indirizzo registro 01 in totale 29 bit ...

formato istruzione abbiamo visto che l'istruzione "preleva (load) in R1 da mem.di indirizzo 091)" : R1 potrebbe avere il formato (in totale 29 bit) 8 bit bit bit istruz indirizzo memoria indirizzo registro MA 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 - formato istruzione: 8 bit bit bit in totale 45 bit ...

formati di altre istruzioni:
formato istruzione 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
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 (+,-,*,/, 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: volte di meno)

famiglie di istruzioni macchina - istruzioni logiche
nota: le istruzioni logiche fanno eseguire alla ALU (unita' aritmetico-logica) le operazioni booleane bit per bit; es: se il registro R1 = se il registro R2 = allora R1 and R2 = e R1 or R2 = e R1 xor R

2) istruzioni di spostamento (move) dati:
formato istruzione 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;

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 ...

5) istruzioni di conteggio, di ciclo, di ripetizione ...
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 ... 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...

ciclo istruzioni macchina
; dato 11 ; dato 1 ; risultato R ; metti 11 in R1 R ; metti 1 in R2 R2,R2,R2 ; somma R2 e R2, ris in R2 R1, ; decrementa R1 di uno R1, ; salta in 103 se R1 >= 0 R ; 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)

6) istruzioni di salto a sottoprogramma
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 ritorno all' istruzione seguente il salto

7) istruzioni di gestione di interruzioni, cambio stato
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

l'UC puo' essere in uno di due stati diversi:
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, 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

la gestione dell' accesso alla memoria,
microcodice l'unita' di governo (che interpreta ed esegue le istruzioni macchina) puo' a sua volta essere realizzata come una micro unita' centrale; in tal caso un'istruzione macchina corrisponde a un micro-programma dell'unita' di governo: firmware nella UC = microcodice con cui vengono gestite le funzioni hardware da parte della UC, come ad es. l’esecuzione delle istruzioni macchina: la gestione dell' accesso alla memoria, il prelevamento delle istruzioni (fetch) e la decodifica delle istruzioni da eseguire. I microprogrammi sono generalmente cablati (fissati) all'interno dei chip, e gestiscono le problematiche più vicine all'hardware; i microprogrammi sono parte essenziale dell’unita' di governo che gestisce l'unita' centrale.

memoria centrale MEMORIA CENTRALE

ambiente hardware : memoria centrale
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)

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!)

scrivi un dato in memoria = store leggi un dato dalla memoria = fetch
Memoria Centrale ... 0FFFFF8 0FFFFF9 0FFFFFA 0FFFFFB 0FFFFFC 0FFFFFD 0FFFFFE 0FFFFFF 07 10 FF 00 bus di controllo bus indirizzi bus dati operazioni sulla MC: scrivi un dato in memoria = store leggi un dato dalla memoria = fetch

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 ...

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 :-(

registri dell’UC (circa 1 nano secondo)
Livelli di memoria 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 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 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)

se scendo di livello (mi allontano dall'UC),
livelli di memoria 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: 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 (in binario, ovvero: = 2a riga, 5a colonna) e verra' scritto o letto il dato di tale cella (in figura, la cella più scura)

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)

l'informazione rimane anche in assenza di corrente:
memoria centrale 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.

MEMORIE DI MASSA O DISCHI

floppy disk (dal 1975 circa) hard disk (dal 1965 circa)
Memorie di massa 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
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
La dimensione di un disco si calcola pertanto così: dim = nun_head * num_trac * num_sect * dim_sect Esempio (floppy disk 1985): 1.44 Mb = 2 heads * 80 tracks * 18 sect * 512 bytes Esempio (hard disk 1995): 540 Mb = 32 heads * 532 cyl *63 sect * 512 bytes (dati di 4 anni fa ;-) "oggi" (2002) sono in commercio dischi da 160Gb e +

reperire su rete le prestazioni di un disco fisso corrente
dischi 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,...)

un record = una registrazione di un singolo dato utente
Dischi 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)

il numero dei file su disco e' molto alto:
Dischi 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
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)

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 ...

schermo=dispositivo principale di uscita informazioni;
ambiente HW - schermo 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

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 1983) 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 ... )

display LCD ... (Liquid Crystal Display)
scermo tecnologia: primi schermi grafici erano vettoriali, la "penna" luminosa tracciava direttamente una linea (un punto) sullo schermo ( , 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 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
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) € .... 27

hardware - riassumendo l'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,

"Scheda Madre o Mother Board" e' un supporto fisico
hardware: cheda madre "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
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, ;-)

hardware - architetture - macchine Von Neumann
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
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
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)

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...

Architetture Non-Von Neumann

parallelismo delle macchine Von Neumann
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, ...)

il tutto al fine di velocizzare
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)

misura delle prestazioni
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 ...

elaborazione parallela
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
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;

della parte relativa all'ambiente
hardware fine presentazione della parte relativa all'ambiente HARDWARE

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