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Calcolatori Elettronici (9 crediti). Informazione generali sul corso Obiettivo del corso: –Conoscenza del funzionamento di un calcolatore elettronico.

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Presentazione sul tema: "Calcolatori Elettronici (9 crediti). Informazione generali sul corso Obiettivo del corso: –Conoscenza del funzionamento di un calcolatore elettronico."— Transcript della presentazione:

1 Calcolatori Elettronici (9 crediti)

2 Informazione generali sul corso Obiettivo del corso: –Conoscenza del funzionamento di un calcolatore elettronico Verifica –2 prove scritte: Progetto di interfaccia processore-periferica e sua programmazione 5-6 domande sul programma –Orale discussione compito scritto Sito del corso –http://www.dis.uniroma1.it/~ciciani/teaching.shtmlhttp://www.dis.uniroma1.it/~ciciani/teaching.shtml Testo e Materiale integrativo che si trovano sul sito –Trasparenze del corso –Riferimenti ai testi consigliati –Dispense

3 Obiettivo del corso

4 Architettura pipeline del processore MIPS

5 Architettura di un DMAC (Direct Memory Access Controller) a 4 vie

6 Gamma dei sistemi di calcolo Sistemi embedded : incorporati in altri sistemi –automobili, aerei, telefoni cellulari, PDA, frigoriferi... Personal Computer, PC: diverse potenze di calcolo Server e Mainframe: caratteristiche molto diverse –Applicazioni usate da molti utenti, –webserver, sistemi per la gestione del sistema informativo di una organizzazione (es:banca) –Supercalcolatore ( es. Previsione del tempo) embedded 97%; personal computer: 2-3%; server: < 0.1% Reti di Workstation : Aumento della potenza di calcolo mediante il collegamento di PC o WS mediante rete ad alta velocità

7 Introduzione Esempio dimpiego di calcolatori Posta elettronica personal computer Applicazione Client di posta Client Server

8 Breve Storia dei Sistemi di Elaborazione

9 Preistoria ( ) Pascal ( ) – Pascaline: addizioni e sottrazioni Leibniz ( ) – Anche moltiplicazioni e divisioni Charles Babbage ( ) A) Macchina Differenziale Algoritmo fisso Output su piastra di rame B) Macchina Analitica Prima macchina programmabile Memoria: 1000 x 50 cifre decimali I/O su schede perforate Limite: tecnologia meccanica

10 Generazione zero Macchine elettromeccaniche Konrad Zuse (~1930 Germania) –Macchina a relè –Distrutta nella guerra John Atanasoff (~1940 USA) – Aritmetica binaria – Memoria a condensatori Howard Aiken (~1940 USA) – MARK 1: versione a relè della macchina di Babbage (~100 anni dopo!) – Memoria: 72 x 23 cifre decimali – tempo di ciclo: 6 sec. – I/O su nastro perforato

11 Generazione zero Tubi termoionici COLOSSUS (~1940 GB) Gruppo di Alan Turing, Progetto segreto ENIAC (~1946 USA) J. Mauchley, J. Eckert valvole 30 tonnellate 140kw assorbimento Programmabile tramite 6000 interruttori e pannelli cablati 20 registri da 10 cifre

12 La Macchina di Von Neumann IAS (~ 1950, Princeton USA) – Programma in memoria, Aritmetica binaria, Memoria: 4096 x 40 bit – Formato istruzioni a 20 bit: OPCODE INDIRIZZO

13 I Generazione: Sistemi Commerciali Inizialmente il mercato è dominato dalla UNIVAC LIBM entra nel mercato nel 1953, e assume una posizione dominante che manterrà fino agli anni 80: – IBM 701 (1953): Memoria: 2k word di 36 bit 2 istruzioni per word – IBM 704 (1956): Memoria: 4k word di 36 bit Istruzioni a 36 bit Floating-point hardware – IBM 709 (1958) Praticamente un 704 potenziato Ultima macchina IBM a valvole

14 II Generazione ( ) Tecnologia a transistor TXO e TX2 macchine sperimentali costruite al MIT Uno dei progettisti del TX2 fonda una propria società la Digital Equipment Corporation (DEC) La DEC produce il PDP-1 (1961): – Memoria: 4k parole di 18 bit – Tempo di ciclo di 4 sec – Prestazioni simili allIBM 7090 – Prezzo meno di un decimo – Schermo grafico pixel (primi videogiochi) – Comincia la produzione di massa

15 II Generazione: Minicomputer DEC PDP-8 (1965) Successore diretto del PDP-1 Interconnessione a bus, molto flessibile Architettura incentrata sullI/O Possibilità di connettere qualsiasi periferica Prodotto in oltre esemplari

16 II Generazione: Supercomputer Macchine molto potenti dedicate al number crunching 10 volte più veloci del 7090 Architettura molto sofisticata Parallelismo allinterno della CPU Nicchia di mercato molto specifica (resta vero anche oggi) CDC 6600 (1964) Progettista del CDC 6600 è Seymour Cray, poi fondatore della CRAY

17 III Generazione ( ) Tecnologia LSI e VLSI Evoluzione dellarchitettura HW – Microprogrammazione – Unità veloci floating-point – Processori ausiliari dedicati alla gestione dellI/O Evoluzione dei Sistemi Operativi – Virtualizzazione delle risorse – Multiprogrammazione: esecuzione concorrente di più programmi – Memoria Virtuale: rimuove le limitazioni dovute alle dimensioni della memoria fisica

18 III Generazione IBM: Serie IBM System/360 (famiglia elab.) Macchine con lo stesso linguaggio Range di prestazioni (e prezzo) 1-20 Completa compatibilità Portabilità totale delle applicazioni OS comune OS/360 Digital PDP 11 Architettura a bus (Unibus) Prodotto in milioni di esemplari Sistema operativo UNIX, indipendente dalla piattaforma

19 …. nacque il Personal Computer fine anni 70: Apple I, progettato in un garage nel tempo libero, venduto in scatola di montaggio 1981 PC IBM con Intel 8088 e MS DOS (Disk Operating System) della minuscola Microsoft 1981 PC M-20, della Olivetti processore Z8001 a 16 bit, OS proprietario, PCOS 1983 PC M-24, della Olivetti processore 8086, MS DOS Informatica diffusa non solo per specialisti (importanza dei videogames) Duopolio Intel/Microsoft Apple: prestazioni migliori, costi elevati, come vedremo dovuta a migliore organizzazione dei bus

20 La legge di Moore (1965) La capacità delle memorie DRAM quadruplica ogni tre anni (60% anno) Analogo aumento del numero di transistor sul chip Aumento della capacità di memorizzazione dei chip di memoria statica (SRAM) Aumento della capacità di calcolo delle CPU

21 Legge di Moore per le CPU Più transistor: –parallelismo interno Maggiore frequenza di funzionamento Rapp.prestazioni/costo –1951 valvola 1 –1965 transistor 36 –1975 circuito integrato 900 –1995 circuito VLSI –2005 circuito ULSI

22 Legge di Nathan Il software è come un gas: riempie sempre completamente qualsiasi contenitore in cui lo si metta Al calare dei costi e allaumentare della memoria disponibile, le dimensioni del software sono sempre cresciute in proporzione Il Circolo Virtuoso – Costi più bassi e prodotti migliori – Aumento dei volumi di mercato – Fattori di scala nella produzione – Costi più bassi …...

23 Calcolatore elettronico oggi… Sistema elettronico digitale programmabile Elettronico digitale Sfrutta componenti elettronici digitali (porte logiche) che operano su grandezze binarie (bit) che possono assumere due soli valori (0 e 1) Sistema: Parti (o componenti) che interagiscono in modo organico fra loro (architettura di von Neumann) Programmabile Il comportamento del sistema è flessibile e specificato mediante un programma, ossia un insieme di ordini

24 Intel Computer Family

25 Grandezze elettriche (1) Analogiche –Il più possibile analoghe a ciò che rappresentano (alloriginale) Ex: forma corrispondente alla voce tempo Pressione aria Tensione elettrica tempo

26 Grandezze elettriche (2) Valori digitalizzati della Tensione elettrica tempo Rappresentazioni digitali Le grandezze analogiche vengono approssimate con valori discreti (di numero finito)

27 Grandezze elettriche (3) Binarie –Grandezze digitali che possono assumere due soli valori, comunemente indicati con 0 ed 1 La grandezza fisica può essere una tensione (alta, bassa), una corrente (presente, non presente), suono (alto, basso), luce (presente, non presente), etc.. tempo V2V2 V1V1 Andamento ideale 0-> V 1, 1-> V 2 oppure 0-> V 2, 1-> V 1 …

28 Grandezze elettriche (4) Binarie –In realtà… i valori 0 ed 1 sono rappresentati mediante valori di un intervallo Il cambiamento da 0->1, 1->0 non è istantaneo tempo Andamento reale rumore

29 Technology State 0 State 1 Relay logicCircuit OpenCircuit Closed CMOS logic volts volts Transistor transistor logic (TTL) volts volts Fiber OpticsLight offLight on Dynamic RAMDischarged capacitorCharged capacitor Programmable ROMFuse blownFuse intact Magnetic diskNo flux reversalFlux reversal Compact discNo pitPit Mapping from physical world to binary world

30 Vantaggi dei sistemi digitali Riproducibilità del segnale analogico –a meno dellerrore di rappresentazione Facilità di progetto Flessibilità Programmabilità Velocità di funzionamento (ns, s) Economia

31 La nozione di macchina … Per studiare larchitettura di un calcolatore è conveniente introdurre la nozione di macchina Macchina: entità in grado di eseguire istruzioni appartenenti ad un linguaggio –una macchina può essere fisica o virtuale Una macchina è composta da un insieme di risorse che sono controllare e gestite dalle istruzioni –Il significato di ogni istruzione è dato facendo riferimento allutilizzo delle risorse

32 Architettura a livelli di un sistema di elaborazione Un sistema di elaborazione è costituito da varie macchine virtuali Larchitettura di un sistema di elaborazione è la descrizione delle caratteristiche delle varie macchine virtuali (livelli) Macchina fisica M F e linguaggio macchina L F Macchina virtuale M v1 e linguaggio macchina L v1 Macchina virtuale M vn e linguaggio macchina L vn

33 Livello applicativo E il livello usato da chi scrive applicazioni per uno specifico problema (es programmi in java) Program in Java Programma eseguibile int i; i=i+2; … bytecode Compilat. JVM Macchina ISA eseguita da ISA: Instruction Set Architecture (Macchina di von Neumann)

34 Macchina di von Neumann Unità di Calcolo Unità di Controllo Memoria di lavoro Unità di Ingresso Unità di Uscita

35 Macchina di von Neumann Unità di Calcolo Unità di Controllo Memoria di lavoro Unità di Ingresso Unità di Uscita CPU

36 Caratteristiche distintive.. Singola memoria monodimensionale acceduta sequenzialmente Memorizzazione sia di dati che del programma Il tipo di dato non è memorizzato La macchina di von Neumann esegue le istruzioni del programma (nel linguaggio macchina)

37 Livelli di astrazione Hardware Software Livello fisico (transistor..) Livello porte logiche Livello firmware INSIEME DELLE ISTRUZIONI (linguaggio macchina)

38 Il livello firmware (microarchitettura) Interpreta le istruzioni del linguaggio macchina Le componenti principali di tale livello sono Registri (in grado di memorizzare gruppi di bit, ex: bit) ALU (Unità Aritmetica Logica) Data-path (connessioni per il trasferimento dei dati) Utilizza le porte logiche (livello 1)

39 Implementazione A una istruzione macchina corrisponde una sequenza di comandi del livello 1 che la realizzano Istruzione macchina … k I Sequenza equivalente Istruzione L2


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