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1 Informatica Generale Susanna Pelagatti Ricevimento: Mercoledì ore 14.30-17.30 presso Dipartimento di Informatica, Via Buonarroti,

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1 1 Informatica Generale Susanna Pelagatti Ricevimento: Mercoledì ore presso Dipartimento di Informatica, Via Buonarroti, 2 stanza 346 DE Tel o per posta elettronica Pagina web del corso: /

2 2 La struttura hardware

3 3 Ritorniamo alla …. struttura generale di un calcolatore Il calcolatore di Von Neumann Memoria (RAM,dischi, etc) Mantiene Dati e Programmi Processore (CPU) E un esecutore capace di interpretare i singoli passi richiesti dai programmi (istruzioni elementari) Sottosistema di Interfaccia Permette di comunicare dati e programmi alla macchina e di ottenere i risultati (tastiera, micr., stampante, schermo, )

4 4 Struttura di un calcolatore (2) RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

5 5 Struttura di un calcolatore (3) RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem indirizzi Sequenza di parole (un array …)

6 6 Struttura di un calcolatore (4) RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem indirizzi Sequenza di parole (un array …) Valore da trasferire Dove trasferirlo Direzione di trasferimento, unità coinvolte etc.

7 7 Struttura di un calcolatore (5) RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

8 8 Operazioni elementari eseguibili da un processore Dati numerici (binari) : –operazioni matematiche : +,-,divisione e moltiplicazione per potenze di due –confronti con 0 –operazioni logiche o booleane: AND, OR, XOR, NOT Dati numerici e non –letture/scritture nella memoria, letture e scritture nei registri di controllo dei dispositivi –uguaglianza e disuguaglianza di due rappresentazioni

9 9 Operazioni elementari eseguibili da un processore (2) Operazioni di controllo di flusso : –salti condizionati (corrispondono alla combinazione di istruzioni di controllo se ( …) vai al passo X ) –salti incondizionati (corrispondono alla istruzioni di controllo vai al passo X ) –chiamate di un sottoprogramma (CALL) –terminazione del programma (RETURN)

10 10 Operazioni elementari eseguibili da un processore (3) Abbiamo elencato le funzionalità tipiche, i loro nomi ed il funzionamento specifico variano da macchina a macchina Esistono sul mercato processori compatibili cioè in grado di eseguire lo stesso insieme di istruzioni (facilita la portabilità dei programmi in linguaggio macchina) –es : Intel Pentium, IBM-Cyrix, AMD

11 11 Operazioni booleane Sono operazioni che lavorano su variabili che assumono valori di verità o boolani (vero, falso) : –es : se fuori piove e mi sposto a piedi allora apro lombrello –La due sotto-condizioni (fuori piove, mi sposto a piedi) avranno un valore vero/falso che dipende dalla situzione in cui mi trovo –loperatore booleano e permette di combinare fra loro due valori booleani –il risultato delloperazione e è il valore vero se entrambi gli operando sono veri e falso altrimenti

12 12 Operazioni booleane (2) Con le operazioni booleane è possibile complicare arbitrariamente le condizioni delle strutture se…allora…altrimenti e finchè...ripeti Anche i valori booleani si possono rappresentare in codifica binaria: generalmente –1 rappresenta VERO –0 rappresenta FALSO La definizione di ciascuna operazione booleana si può dare sotto forma di tabellina (la tabella di verità)

13 13 Operazioni booleane (3) Le operazioni boolane più comuni sono : Operazione di and ( ) : –A and B : combina i valori di A e B in modo che il risultato sia vero solo se sono veri sia A che B Operazione di or ( ) : –A or B : combina i valori di A e B in modo che il risultato sia vero solo almeno uno fra A e B è vero Operazione di not ( ) : –not A : restituisce falso se A e vero e viceversa

14 14 Tabelle di verità delle operazioni and, or e not

15 15 Operazioni logiche/booleane : perché sono importanti Sono facili da realizzare utilizzando circuiti elementari È possibile dimostrare che tutte le funzioni interessanti possono essere calcolate utilizzando una opportuna combinazione delle funzioni logiche Esiste un procedimento automatico per trovare questa combinazione, che viene utilizzato per realizzare le funzioni disponibili nellhw

16 16 Operazioni logiche : perché sono importanti (2) Quando si scrivono programmi che parlano con lhw spesso dobbiamo manipolare sequenze binarie direttamente Usando le funzioni logiche è sempre possibile costruire la manipolazione che ci interessa –es: mettere a 0 il terzo bit di una rappresentazione consideriamo la rappr mi costruisco la maschera e poi calcolo AND bit a bit AND

17 17 Linguaggio macchina e assembler Linguaggio macchina : linguaggio comprensibile direttamente dal processore della macchina (binario) Assembler : versione simbolica del linguaggio macchina in cui i nomi delle operazioni e degli operandi sono indicati con codici simbolici

18 18 Linguaggio macchina e assembler (2) Per parlare direttamente con la macchina si usa lassembler Assemblatori : programmi che traducono il codice simbolico in sequenze di 0 e 1 Nei prossimi lucidi vediamo un esempio di un tipico programma assembler e i passi necessari per la sua traduzione in binario

19 19 Linguaggio macchina e assembler (3) Esempio: come si realizza in assembler loperazione x=y+2 : LOAD Y, R1 ADD 2, R1 STORE R1, X Y X Indirizzi di due parole di memoria che rappresentano le variabili intere x e y 17 R1 Registro interno del processore (variabile temporanea su cui lavorare) Legge il valore in Y e lo scrive in R1 memoria

20 20 Linguaggio macchina e assembler (4) Esempio x=y+2 (assembler) LOAD Y, R1 ADD 2, R1 STORE R1, X Y X Indirizzi di due parole di memoria che rappresentano interi 34 R1 Registro interno del processore (variabile temporanea su cui lavorare) Aggiunge 2 a R1 memoria

21 21 Linguaggio macchina e assembler (5) Esempio x=y+2 (assembler) LOAD Y, R1 ADD 2, R1 STORE R1, X Y X Indirizzi di due parole di memoria che rappresentano interi 36 R1 Registro interno del processore (variabile temporanea su cui lavorare) Scrive il contenuto di R1 nella parola di indirizzo X memoria

22 22 Linguaggio macchina e assembler (6) Esempio x=y+2 (assembler) LOAD Y, R1 ADD 2, R1 STORE R1, X Y X Situazione finale della memoria 36 R1 memoria

23 23 Linguaggio macchina e assembler (7) Traduzione binaria (in linguaggio macchina) di LOAD Y, R1 ADD 2, R1 STORE R1, X Prima di tutto dobbiamo decidere quale è il vero indirizzo di X e Y memoria Y X

24 24 Linguaggio macchina e assembler (8) Codifica binaria di LOAD 01101, R1 ADD 2, R1 STORE R1, Ogni operazione si codifica secondo un formato stabilito da chi costruisce lhw –un formato semplificato è Codice operativoModo 1Op1Modo 2Op2

25 25 Linguaggio macchina e assembler (9) Vediamo i vari campi del formato : Codice operativoModo1Op1Modo2Op2 È la codifica delloperazione da eseguire es: ADD 0001 LOAD 0110 STORE 0111

26 26 Linguaggio macchina e assembler (9) Vediamo i vari campi del formato : Codice operativoModo1Op1Modo2Op2 È la codifica primo operando, MODO1 dice a cosa si riferisce OP1 es: se MODO1 = 00 loperando è nel registro interno del processore (e OP1 è il numero del registro) se MODO1 = 01 loperando è in memoria (e OP1 è lindirizzo) se MODO1 = 10 loperando è immediato, cioè OP1 è direttamente il valore delloperando Lo stesso vale per il secondo operando!

27 27 Linguaggio macchina e assembler (10) Tipicamente la codifica di una istruzione lunga come una parola o multipli della parola per poterla leggere dalla memoria in modo più efficiente : –es : con parole di 4 byte (32 bit) Codice operativoModo1Op1Modo2Op2 2bit 4bit 12bit

28 28 Linguaggio macchina e assembler (11) Problema ….. –es : con 12 bit posso indirizzare solo 2 12 parole di memoria centrale (RAM) ! Cioè posso avere al massimo una RAM di 4K parole … se ne ho di più (oggi si arriva tranquillamente a 512K e siamo sempre in aumento …) devo inventarmi codifiche diverse…. Codice operativoModo1Op1Modo2Op2 2bit 4bit 12bit

29 29 Linguaggio macchina e assembler (12) Codifica binaria di LOAD 01101, R1 ADD 2, R1 STORE R1, Codice operativoModo1Op1Modo2Op2 MODI 00 registro 01 memoria 10 immediato CODICI OPERATIVI ADD 0001 LOAD 0110 STORE bit 4bit 12bit load add store

30 30 Il processore Come è strutturato il processore per riuscire ad eseguire i programmi in linguaggio macchina che abbiamo appena visto …. Dati e programmi sono codificati in binario e risiedono in Memoria Centrale (RAM) ad opportuni indirizzi

31 31 Il processore (2) Esegue il seguente ciclo ininterrottamente : 1. (fetch) legge una nuova istruzione da eseguire dalla memoria centrale 2. (decode) risale alla operazione richiesta decodificando la rappresentazione binaria 3. (execute) porta a termine loperazione richiesta

32 32 Il processore: struttura base Processore Parte controllo PC IR PSW R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Operazione Esegui Esito MARMAR MDRMDR MemoriacentraleMemoriacentrale Bus dati Bus indirizzo Bus controllo Registro/i coinvolti

33 33 Il processore struttura base (2) PC (program counter) indica lindirizzo di memoria della prossima istruzione da eseguire IR (Instruction register) contiene copia della codifica dellistruzione da eseguire MAR, MDR (Memory Address Register, Memory Data Register) contengono lindirizzo della cella di memoria che vogliamo leggere/scrivere (MAR) ed i dati da/per la memoria (MDR)

34 34 Il processore struttura base (3) PSW (program status word) contiene informazioni, opportunamente codificate, sullesito di operazioni aritmetico logiche o sullesito di operazioni di confronto e informazioni sul funzionamento della macchina (le vedremo qundo parleremo dei sistemi operativi) ALU (Arithmetic-Logic Unit) effettua operazioni di tipo aritmetico e logico- booleano (+,-,and,or …)

35 35 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 1) Processore Parte controllo 40 IC PSW R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Operazione Esegui Esito MARMAR MDRMDR Bus dati Bus indirizzo Bus controllo Registro/i coinvolti memoria Indirizzo della istruzione codifica PC

36 36 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 2) Processore Parte controllo 41 IC PSW R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Operazione Esegui Esito MDRMDR Bus dati Bus indirizzo Registro/i coinvolti memoria Indirizzo della istruzione codifica PC 40 MAR Leggi!

37 37 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 3) Processore Parte controllo PSW R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU Operazione Esegui Esito Bus dati Bus indirizzo Registro/i coinvolti memoria PC MAR MDR IC

38 38 Un esempio : ADD 2, R1 (dec) Processore Parte controllo PSW R0 R1 R2... R16 Registri generali ALU add Esegui Esito Bus dati Bus indirizzo Registro/i coinvolti memoria PC MAR MDR IC

39 39 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 1) Processore Parte controllo PSW R1 R2... R16 Registri generali ALU add Esegui Esito Bus dati Bus indirizzo Registro/i coinvolti memoria PC MAR MDR IC

40 40 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 2) Processore Parte controllo PSW R2... R16 Registri generali ALU add Esegui Esito Bus dati Bus indirizzo Registro/i coinvolti memoria PC MAR MDR IC

41 41 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 3) Processore Parte controllo PSW R2... R16 Registri generali ALU Esito Bus dati Bus indirizzo Registro/i coinvolti memoria PC MAR MDR IC

42 42 Il processore : il clock ed i GHz I vari sotto-passi che compongono lesecuzione di una istruzione seguono algoritmi cablati nei circuiti della macchina Lesecuzione è sincrona, –cioè esiste un segnale di inizio della sottooperazione (detto tick, in quanto generato da un clock) riconosciuto da tutti i componenti La frequenza con cui viene inviato il tick è misurata in numero di tick al secondo (Hz) –nei computer attuali 1Ghz (giga hertz), ovvero uno al nanosecondo, o più


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