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Lelaboratore elettronico PARTE A. input (dati) output (risultati) (elaborazione)

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Presentazione sul tema: "Lelaboratore elettronico PARTE A. input (dati) output (risultati) (elaborazione)"— Transcript della presentazione:

1 Lelaboratore elettronico PARTE A

2 input (dati) output (risultati) (elaborazione)

3 Evoluzione storica

4 Le generazioni informatiche ,1 a gen.= tubi a vuoto ,2 a gen.= transistori ,3 a gen.= circuiti integrati 1980-oggi,4 a gen.= circuiti VLSI (futuro)5 a gen. = ?

5 ENIAC (1943): Electronic Numerical Integrator And Calculator Primo eleboratore general-purpose Valvole, 1500 relay Uso per calcoli balistici Lunghezza 25m, altezza 3m, superficie 180m 2, peso 30ton, potenza assorbita 140KW Programmazione con interruttori manuali Aritmetica decimale, 5000 operazioni/sec MTBF = 8 ore

6 n transistori per chip anni Pentium III La potenza della sabbia (silicio)...ovvero: levoluzione dei microprocessori

7 n transistori per chip anni milione di addizioni al secondo transistor La potenza della sabbia (silicio)...ovvero: levoluzione dei microprocessori

8 n transistori per chip anni milione di addizioni 1 milione di addizioni al secondo al secondo transistor transistor PENTIUM III 2 miliardi di addizioni al secondo transistor. Pentium III La potenza della sabbia (silicio)...ovvero: levoluzione dei microprocessori

9 Microprocessori INTEL 80x /8086 MIPS: 0.33 (5 MHz) Transistors: MIPS: 3 (12 MHz) Transistors: MIPS: 11 (33 MHz) Transistors: MIPS: 41 (50 MHz) Transistors: Pentium MIPS: 100+ (66 MHz) Transistors:

10 Pentium 32 bit - (166 MHz) Transistors: Pentium II 64 bit MHz Transistors: Pentium PRO 64 bit MHz Transistors: Microprocessori INTEL 80x86 Pentium III 64 bit – 1.13 GHz Transistors:

11 Nozioni fondamentali

12 Hardware Definizione: linsieme delle apparecchiature (elettroniche, meccaniche, ecc.) che costituiscono fisicamente il sistema di elaborazione.

13 Software Definizione: linsieme dei programmi e dei dati che permettono lo svolgimento delle funzioni di elaborazione

14 Programmi e Istruzioni Un programma è un insieme ordinato di istruzioni Unistruzione è la specifica di una operazione che può essere svolta da un elaboratore.

15 I dati I dati numerici sono quelli più usati Tutti gli altri tipi di dato sono trasformati in dati numerici

16 Il sistema decimale 252 = = Sistema di numerazione del mondo occidentale (sistema arabo): decimale (base 10, cifre { 0, 9 }) posizionale

17 Il sistema binario base: 2 cifre: { 0, 1 } Esempio: = = = 5 10

18 Alcuni numeri binari

19 BIT (BInary digIT)01 BYTE = otto bit WORD = n byte Terminologia

20 LSB Least Significant Bit MSB Most Significant Bit

21 Multipli binari Si usano le potenze di due invece di quelle di dieci: chiloK2 10 ~ un migliaio megaM2 20 ~ un milione gigaG2 30 ~ un miliardo teraT2 40 ~ mille miliardi

22 La logica degli elaboratori elettronici Logica Booleana: 1847 George Boole logica formale enunciati di cui fosse possibile verificare in modo inequivocabile la verità o la falsità le variabili sono in grado di assumere solo due valori: VERO, FALSO.

23 Logica Booleana: un esempio Se domani ci sarà il sole, allora andrò a fare una gita.

24 Architettura degli elaboratori

25 Il transistore È lelemento base degli attuali elaboratori elettronici digitali: piccole dimensioni ( m ) basso consumo di energia ( W ) alta velocità di funzionamento (milioni di operazioni al secondo)

26 Chip Chip: circuito integrato, microcircuito, componente elettronico contenente al suo interno moltissimi transistor Da migliaia a milioni di TRANSISTOR

27 Il chip sta al calcolatore come il mattone sta alla casa Calcolatore

28 Blocchi funzionali (architettura di Von Neumann 1951) INPOUTMEMUOUC

29 Problematiche codifica dei dati (in un formato comprensibile allelaboratore) codifica degli ordini (sequenza di operazioni che compongono lelaborazione) decodifica dei risultati (in un formato comprensibile agli umani)

30 Flusso dei dati INPOUTUOMEMUC

31 Informazioni di stato INPOUTUOMEMUC

32 Ordini INPOUTUOMEMUC

33 Struttura a blocchi INPOUTUOMEMUC

34 Unità di input: schema funzionale T T ADC B B control logic dato ready get

35 Unità di output: schema funzionale T T DAC B B control logic dato ready put

36 Unità operativa: schema funzionale operandi operazione destinazione flag risultato dati registri ALU F F

37 Unità di controllo: schema funzionale PC IR logica di controllo M stato comandi

38 Il ciclo base di un elaboratore Preleva una istruzione dalla memoria RAM Interpreta listruzione Esegue listruzione Reset Fetch Decode Execute

39 Esecuzione di unistruzione Tre fasi distinte: fetchIR M [ PC ] PC PC + 1 decodeordini decode(IR) executeready? go!

40 CPU Central Processing Unit La CPU controlla tutte le operazioni di un elaboratore Le operazioni possono essere: interne alla CPU (ad es. somma) esterne: trasferimenti da/per memoria o I/O CPU Limperatore SONO IO !

41 Il clock Ogni elaboratore contiene un elemento di temporizzazione (detto clock ) che genera un riferimento temporale comune per tutti gli elementi costituenti il sistema di elaborazione.

42 Il clock T = periodo di clock f = frequenza di clock ( = 1 / T ) t T

43 Velocità di elaborazione MIPS ( Million Instructions Per Second ) f = frequenza di clock [ Hz = cicli/s ] T = periodo di clock = 1 / f [ s ] C = cicli macchina / istruzione IPS = f / C = 1 / ( T C ) MIPS = IPS / 10 6

44 Memoria centrale

45 Memoria: schema funzionale MEM indirizzo read/write dato ready

46 Memoria Memorizza i dati e le istruzioni necessarie allelaboratore per operare. Caratteristiche: indirizzamento parallelismo accesso (sequenziale o casuale) tipo (volatile-non volatile, lettura- lettura/scrittura, etc.)

47 Indirizzamento Ad ogni cella di memoria è associato un indirizzo (numerico) per identificarla univocamente.

48 Parallelismo Ogni cella di memoria contiene una quantità fissa di bit: identica per tutte le celle accessibile con ununica istruzione è un multiplo del byte minimo un byte

49 Memoria ad accesso casuale il tempo di accesso è costante (indipendente dalla cella scelta) T a = costante anche detta RAM (Random Access Memory)

50 Memoria ad accesso sequenziale il tempo di accesso dipende dalla cella a cui si accede spesso la dipendenza è lineare T a = K indirizzo

51 Memoria interna allinterno dellelaboratore è allo stato solido (chip) solitamente è volatile veloce (nanosecondi, s) quantità limitata (decina MB) non rimovibile costosa (5000 Lit / MB)

52 Memoria esterna allesterno dellelaboratore talvolta rimovibile non elettronica (es. magnetica) permanente lenta (millisecondi, s) grande quantità (qualche GB) economica (500 Lit / MB)

53 La memoria centrale Sistema Operativo Programmi Memoria Video Programma davvio (boot program) RAM RAM Video ROM

54 Memoria Tecnologia: RAM: memorie a lettura e scrittura (Random Access Memory) ROM: memorie a sola lettura (Read Only Memory)

55 Memorie RAM Le memorie RAM possono essere di due tipi: SRAM: RAM statiche veloci (10 ns) minor impaccamento elevato costo per bit DRAM: RAM dinamiche meno veloci (60 ns) maggior impaccamento (16 Mbit/chip) minor costo per bit

56 Tipologie di memorie ROM PROM (Programmable ROM) programmabili una sola volta, dallutente EPROM (Erasable PROM) cancellabili e riprogrammabili più volte, dallutente FLASH cancellabili e riprogrammabili elettricamente più volte dalla cpu

57 Memoria CACHE ….. ovvero la lentezza delle RAM microprocessore DRAM

58 Memoria CACHE Memoria intermedia VELOCE Trasferisco nella cache dati/istruzioni usati più frequentemente CPUCACHEMEMORIA (DRAM)

59 Prestazioni della cache Tempo medio di accesso in memoria: T M = H · T cache + ( 1 - H ) · T RAM Ove H = hit ratio (percentuale di celle trovate nella cache rispetto al totale degli accessi in memoria) H 90% T M T cache

60 Prestazioni della cache T cache = 20 ns T RAM = 80 ns H = 60% T M = 0.6 · · 80 = 44 ns H = 95% T M = 0.95 · · 80 = 23 ns

61 Connessioni (Bus)

62 connettori I Bus (ovvero il sistema circolatorio del PC)

63 Struttura a bus Problema: collegamento completo tra N unità richiede N (N-1)/2 collegamenti Esempi: 4U:6C, 10U:45C, 20U:190C C AB D

64 Struttura a bus Soluzione: segnali omologhi raggruppati in un bus, usato a turno dalle varie unità ACBD

65 Tipi fondamentali di bus bus dati ( DBus ) bus degli indirizzi ( ABus ) bus di controllo ( CBus ) M1M1 IM2M2 O DBus ABus CBus

66 I I Architettura di un Calcolatore IRAMO DBus ABus CBus CPU ROM

67 Software

68 Nel mezzo del cammin di nostra vita lettere dellalfabeto 0101 bit ABCDE FGHILM NOPQR STUVZ Il linguaggio del calcolatore

69 Che cosè un programma? 1. metti lacqua 2. accendi il fuoco 3. aspetta 4. se lacqua non bolle torna a 3 5. butta la pasta 6. aspetta un po 7. assaggia 8. se è cruda torna a 6 9. scola la pasta Sequenza di istruzioni

70 Esecuzione dei programmi Programmi pronti per essere eseguiti Memoria di massa (i dischi)

71 Esecuzione dei programmi Programma ora in esecuzione RAM Memoria di massa (i dischi) CPU

72 Classificazione del software hardware software di base middleware software applicativo

73 Linguaggi di programmazione Servono a tradurre gli algoritmi in istruzioni per lelaboratore. Ne esistono varie categorie: linguaggi macchina linguaggi assembler linguaggi ad alto livello

74 Linguaggio macchina codifica binaria delle istruzioni dipende dalla CPU (registri, operazioni,...) dipende dallarchitettura del calcolatore (quantità di memoria, modalità di I/O,...)

75 Linguaggio assembler codifica simbolica delle istruzioni ADD R1, R2, M[R4] ; R1= R2+ M [ R4 ] meta-istruzioni TOT: DB 0 ; crea ed azzera TOT linguaggio unico per architettura di CPU (es. Dec AXP, Intel 80x86)

76 Linguaggi ad alto livello (HLL - High Level Language) elaboratore virtuale istruzioni orientate alla soluzione di problemi A = SINH (5.57*C) linguaggio indipendente dalla piattaforma HW (richiedono programmi di traduzione)

77 Traduzione dei linguaggi editor compilatore linker file sorgente file oggetto algoritmo file eseguibile libreria

78 RAM interprete 10 for I=1 to 5 20 print I, I*I 30 next I RUN file sorgente

79 Interprete o compilatore? Compilatore (+ linker): controlla e traduce le istruzioni una sola volta +caricamento ed esecuzione veloce +codice non leggibile –correzione degli errori e debug lenti

80 Interprete o compilatore? Interprete: controlla e traduce le istruzioni ad ogni esecuzione del programma +correzione degli errori e debug veloce –caricamento ed esecuzione lenta –codice sorgente leggibile

81 Alcuni interpreti interprete di un linguaggio di programmazione interprete dei comandi di un sistema operativo ( command.com in MS- DOS, le shell UNIX,...) i fogli elettronici (Lotus 1-2-3, Excel, QuattroPro,...)


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