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LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Modello di Von Neumann (Parte 1)

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Presentazione sul tema: "LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Modello di Von Neumann (Parte 1)"— Transcript della presentazione:

1 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Modello di Von Neumann (Parte 1)

2 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 2 Argomenti trattati Macchina di Von Neumann Macchina di Von Neumann Elementi della macchina di Von Neumann Elementi della macchina di Von Neumann Codifica dei dati e delle istruzioni di un programma Codifica dei dati e delle istruzioni di un programma

3 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 3 Architettura di un calcolatore elettronico Per architettura di un calcolatore elettronico si intende: Per architettura di un calcolatore elettronico si intende: l'insieme delle principali unità funzionali di un calcolatore l'insieme delle principali unità funzionali di un calcolatore il modo in cui queste interagiscono il modo in cui queste interagiscono

4 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 4 Architettura di un calcolatore elettronico ENIAC Personal Computer

5 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 5 Architettura di un calcolatore elettronico Programma applicativo Linguaggio di programmazione Linguaggio assemblativo Sistema Operativo Linguaggio Macchina Microprogramma Logica Digitale Gerarchia delle astrazioni

6 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 6 Modello di Von Neumann L'architettura della Macchina di Von Neumann comprende le seguenti unità funzionali: L'architettura della Macchina di Von Neumann comprende le seguenti unità funzionali: il processore o unità centrale di elaborazione (CPU - Central Processing Unit) il processore o unità centrale di elaborazione (CPU - Central Processing Unit) la memoria centrale la memoria centrale i dispositivi di ingresso e uscita (I/O) i dispositivi di ingresso e uscita (I/O) il bus di sistema il bus di sistema

7 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 7 Modello di Von Neumann Memoria Centrale

8 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 8 CPU memoria Interfacce di I/O bus Funzionamento sequenziale del modello di Von Neumann istruzione 1 istruzione 2 istruzione 3 … istruzione n ris = f(op) OUT(op) dato 1 dato 2 dato 3 … dato m op ris

9 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 9 Elementi del modello di Von Neumann: CPU L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte del sistema che contiene i dispositivi elettronici necessari al funzionamento della macchina L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte del sistema che contiene i dispositivi elettronici necessari al funzionamento della macchina La CPU esegue i programmi che risiedono nella memoria centrale La CPU esegue i programmi che risiedono nella memoria centrale prelevando prelevando decodificando decodificando eseguendo eseguendo le istruzioni in essa contenuti e coordinando il trasferimento dei dati tra le varie unità funzionali

10 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 10 Elementi del modello di Von Neumann: CPU

11 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 11 Elementi del modello di Von Neumann: CPU La CPU è composta da: La CPU è composta da: una unità di controllo CU - Control Unit che interpreta e attiva le risorse necessarie allesecuzione delle istruzioni una unità di controllo CU - Control Unit che interpreta e attiva le risorse necessarie allesecuzione delle istruzioni una unità aritmetico-logica ALU - Arithmetic and Logic Unit che effettua i calcoli aritmetici e logici presenti nelle istruzioni (aritmetiche e logiche) del programma una unità aritmetico-logica ALU - Arithmetic and Logic Unit che effettua i calcoli aritmetici e logici presenti nelle istruzioni (aritmetiche e logiche) del programma alcuni dispositivi di memoria detti registri alcuni dispositivi di memoria detti registri

12 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 12 Elementi del modello di Von Neumann: CPU Un registro è un dispositivo elettronico per memorizzare i dati Un registro è un dispositivo elettronico per memorizzare i dati Dal punto di vista tecnologico un registro è un insieme di n elementi fisici bistabili, detti bit Dal punto di vista tecnologico un registro è un insieme di n elementi fisici bistabili, detti bit Un registro formato da n bit è in grado di assumere 2 n configurazioni di stato diverse Un registro formato da n bit è in grado di assumere 2 n configurazioni di stato diverse Ciascun bit ha due configurazioni stabili possibili, a cui per convenzione vengono associati i simboli 0 e 1 Ciascun bit ha due configurazioni stabili possibili, a cui per convenzione vengono associati i simboli 0 e 1 Registri n=6, il numero delle configurazioni è 64

13 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 13 Approfondimenti: Bit Bit (Binary Digit) cifra binaria che può assumere solo i valori 0 e 1 Bit (Binary Digit) cifra binaria che può assumere solo i valori 0 e 1 Byte (B) un gruppo contiguo di 8 bit (es ) Byte (B) un gruppo contiguo di 8 bit (es ) NIBBLE = 4 bit (es. 0110) NIBBLE = 4 bit (es. 0110) WORD = 16 bit / 32 bit / 64 bit (dipende dallarchitettura del calcolatore) WORD = 16 bit / 32 bit / 64 bit (dipende dallarchitettura del calcolatore) KB (chilo) =2 10 B = B KB (chilo) =2 10 B = B MB (mega) =2 10 KB = 2 20 B = B MB (mega) =2 10 KB = 2 20 B = B GB (giga) =2 10 MB = 2 30 B = B GB (giga) =2 10 MB = 2 30 B = B TB (tera) = 2 10 GB = 2 40 B = B TB (tera) = 2 10 GB = 2 40 B = B

14 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 14 Elementi del modello di Von Neumann: CPU Lo stato del registro, ossia la configurazione dei suoi bit, rappresenta l'informazione che vi è memorizzata e tale informazione viene conservata fino a quando non la si altera Lo stato del registro, ossia la configurazione dei suoi bit, rappresenta l'informazione che vi è memorizzata e tale informazione viene conservata fino a quando non la si altera Un registro quindi ha una capacità di memorizzare informazioni che è funzione del numero degli elementi di cui si compone Un registro quindi ha una capacità di memorizzare informazioni che è funzione del numero degli elementi di cui si compone Registri Registro n=1 2 1 = 2 configurazioni {0, 1} Registro n=2, 2 2 = 4 configurazioni {00, 01, 10, 11} Registro n=3 2 3 = 8 configurazioni {000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111} 100, 101, 110, 111}

15 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 15 Elementi del modello di Von Neumann: CPU I registri fondamentali allinterno della CPU sono: I registri fondamentali allinterno della CPU sono: I registri generali R1, R2, …, Rn I registri generali R1, R2, …, Rn il registro degli indirizzi di memoria Memory Address Register (MAR) il registro degli indirizzi di memoria Memory Address Register (MAR) il registro dei dati di memoria Memory Data Register (MDR) il registro dei dati di memoria Memory Data Register (MDR) il contatore di programma Program Counter (PC) il contatore di programma Program Counter (PC) il registro della istruzione corrente Instruction Register (IR) il registro della istruzione corrente Instruction Register (IR) il registro di stato Program Status Register (PSR) il registro di stato Program Status Register (PSR) Registri

16 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 16 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale Insieme di dispositivi aventi la funzione di memorizzare (mantenere nel tempo) programmi e dati Insieme di dispositivi aventi la funzione di memorizzare (mantenere nel tempo) programmi e dati Per eseguire in modo efficiente i programmi, la memoria dovrebbe essere: Per eseguire in modo efficiente i programmi, la memoria dovrebbe essere: molto veloce molto veloce molto capiente (dimensioni sufficienti a contenere un programma e tutti i suoi dati) molto capiente (dimensioni sufficienti a contenere un programma e tutti i suoi dati) permanente (in grado di mantenere il suo contenuto anche quando non vi e alimentazione elettrica) permanente (in grado di mantenere il suo contenuto anche quando non vi e alimentazione elettrica) Queste caratteristiche NON sono facilmente conciliabili in sistemi come i PC dove occorre contenere i costi Queste caratteristiche NON sono facilmente conciliabili in sistemi come i PC dove occorre contenere i costi Memoria

17 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 17 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale In un sistema di elaborazione ci sono sempre due tipi di memoria: In un sistema di elaborazione ci sono sempre due tipi di memoria: la memoria centrale, interna al calcolatore, direttamente accessibile dalla CPU realizzata da componenti a semiconduttore la memoria centrale, interna al calcolatore, direttamente accessibile dalla CPU realizzata da componenti a semiconduttore la memoria secondaria o di massa, esterna al calcolatore realizzata da componenti magnetici o ottici(dischi, nastri) la memoria secondaria o di massa, esterna al calcolatore realizzata da componenti magnetici o ottici(dischi, nastri) Memoria Cache Memoria Primaria Memoria Secondaria Memoria di Archiviazione C.P.U. Memorie in linea Memorie fuori linea R.A.M. R.O.M. Disco Fisso floppy CDROM nastri DVD etc… Memoria

18 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 18 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale La memoria centrale è una parte del sistema di memoria illustrato precedentemente e rappresenta la memoria interna al calcolatore direttamente accessibile dalla CPU La memoria centrale è una parte del sistema di memoria illustrato precedentemente e rappresenta la memoria interna al calcolatore direttamente accessibile dalla CPU La memoria centrale mantiene: La memoria centrale mantiene: i programmi i programmi i dati necessari all'esecuzione dei programmi i dati necessari all'esecuzione dei programmi

19 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 19 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale E un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali dimensioni E un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali dimensioni Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1) Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1) Ogni locazione è caratterizzata da un indirizzo e dal contenuto Ogni locazione è caratterizzata da un indirizzo e dal contenuto Lindirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo zero Lindirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo zero Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata (parola di memoria - WORD) Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata (parola di memoria - WORD)

20 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 20 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale

21 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 21 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale La memoria centrale è caratterizzata: La memoria centrale è caratterizzata: Dalla lunghezza di una parola di memoria che può variare da calcolatore a calcolatore, ma comunque è un multiplo del byte (es. 8,16,32,64 bit) Dalla lunghezza di una parola di memoria che può variare da calcolatore a calcolatore, ma comunque è un multiplo del byte (es. 8,16,32,64 bit) Dalla capacità ovvero dal numero totale di locazioni di memoria capacità della memoria si misura in byte o in multipli del byte. Dalla capacità ovvero dal numero totale di locazioni di memoria capacità della memoria si misura in byte o in multipli del byte.

22 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 22 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale Alla memoria centrale si accede per effettuare operazioni di lettura o scrittura Alla memoria centrale si accede per effettuare operazioni di lettura o scrittura Ciascuna locazione di memoria può essere selezionata specificando il suo indirizzo nel registro degli indirizzi (MAR, Memory Address Register) Ciascuna locazione di memoria può essere selezionata specificando il suo indirizzo nel registro degli indirizzi (MAR, Memory Address Register) L'indirizzamento di una locazione di memoria consiste nel selezionare elettricamente la locazione relativa all'indirizzo specificato L'indirizzamento di una locazione di memoria consiste nel selezionare elettricamente la locazione relativa all'indirizzo specificato Se il (MAR) registro degli indirizzi ha k bit può indirizzare 2 k celle di memoria i cui indirizzi variano da 0 a 2 k -1 Se il (MAR) registro degli indirizzi ha k bit può indirizzare 2 k celle di memoria i cui indirizzi variano da 0 a 2 k -1 Con un MAR di 10 bit si possono indirizzare 2 10 ovvero 1024 locazioni di memoria Con un MAR di 10 bit si possono indirizzare 2 10 ovvero 1024 locazioni di memoria

23 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 23 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale indirizzo 4 contenuto MAR a 3 bit MDR a 8 bit Memoria con: 2 3 =8 locazioni di 8 bit Capacità = 8*8 = 64 bit

24 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 24 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti viene anche detta memoria RAM (Random Access Memory) La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti viene anche detta memoria RAM (Random Access Memory) La RAM è volatile ovvero in assenza di alimentazione elettrica perde il suo contenuto La RAM è volatile ovvero in assenza di alimentazione elettrica perde il suo contenuto Quando si spegne il computer, tutto quello che è stato caricato nella memoria RAM viene cancellato Quando si spegne il computer, tutto quello che è stato caricato nella memoria RAM viene cancellato

25 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 25 Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale Una porzione di memoria centrale, identificata con il termine ROM (Read Only Memory) è riservata solo per operazioni di lettura Una porzione di memoria centrale, identificata con il termine ROM (Read Only Memory) è riservata solo per operazioni di lettura La ROM è realizzata con diversa tecnologia e viene usate dai costruttori per memorizzare in modo permanente informazioni necessarie per lavviamento del sistema (firmware) La ROM è realizzata con diversa tecnologia e viene usate dai costruttori per memorizzare in modo permanente informazioni necessarie per lavviamento del sistema (firmware)

26 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 26 Approfondimenti: ROM Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM: Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM: Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo tipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultravioletti Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo tipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultravioletti Le PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabili Le PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabili Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM cancellabili e programmabili Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM cancellabili e programmabili Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello contenuto nella RAM viene chiamato firmware Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello contenuto nella RAM viene chiamato firmware

27 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 27 Approfondimenti: Firmware Fa parte del firmware, ad esempio, il BIOS, cioè quel gruppo di istruzioni che consente: Fa parte del firmware, ad esempio, il BIOS, cioè quel gruppo di istruzioni che consente: ai diversi processori di attivarsi al momento dellaccensione del computer ai diversi processori di attivarsi al momento dellaccensione del computer di effettuare un auto-test di funzionamento di effettuare un auto-test di funzionamento di caricare nella RAM il sistema operativo, presente sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sistema di caricare nella RAM il sistema operativo, presente sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sistema

28 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 28 Elementi del modello di Von Neumann: Bus Il bus di sistema è linsieme di linee o circuiti, impiegati per il trasferimento di dati tra le componenti di un sistema informatico Il bus di sistema è linsieme di linee o circuiti, impiegati per il trasferimento di dati tra le componenti di un sistema informatico Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di informazione: Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di informazione: dati dati indirizzi indirizzi segnali di controllo segnali di controllo Definizione generale

29 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 29 Elementi del modello di Von Neumann: Bus Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il diretto controllo della CPU, collega le varie unità funzionali della macchina di Von Neumann Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il diretto controllo della CPU, collega le varie unità funzionali della macchina di Von Neumann La CPU, tramite i suoi organi, permette di collegare solo due unità funzionali alla volta: La CPU, tramite i suoi organi, permette di collegare solo due unità funzionali alla volta: una che trasmette dati una che trasmette dati una che riceve una che riceve Allinterno del modello di Von Neumann

30 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 30 Elementi del modello di Von Neumann: Bus Il bus degli indirizzi, connesso al MAR, ha tanti conduttori quanti sono i bit di un indirizzo (pari quindi alla dimensione del MAR) Il bus degli indirizzi, connesso al MAR, ha tanti conduttori quanti sono i bit di un indirizzo (pari quindi alla dimensione del MAR) Questo numero in genere è il logaritmo in base due dello spazio di indirizzamento, ovvero del numero di locazioni di memoria complessivamente indirizzabili Questo numero in genere è il logaritmo in base due dello spazio di indirizzamento, ovvero del numero di locazioni di memoria complessivamente indirizzabili Il bus dei dati, connesso al registro MDR ha un numero di conduttori pari alla dimensione di una locazione di memoria, lo stesso numero quindi corrisponde anche alla lunghezza del registro MDR Il bus dei dati, connesso al registro MDR ha un numero di conduttori pari alla dimensione di una locazione di memoria, lo stesso numero quindi corrisponde anche alla lunghezza del registro MDR Alcune specifiche

31 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 31 Unità di elaborazione (CPU) Parte operativa: blocchi funzionali interconnessi dal bus di sistema Parte operativa: blocchi funzionali interconnessi dal bus di sistema Unità di controllo: attiva i circuiti della parte operativa Unità di controllo: attiva i circuiti della parte operativa Funzionamento sincrono (clock) Funzionamento sincrono (clock) parte operativa parte controllo clock dati/istruzioni indirizzi controlli comandi istruzioni/flag

32 LArchitettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1) 32 Elementi del modello di Von Neumann Motherboard


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