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Sistemi di Elaborazione 2001 Architettura dei sistemi di elaborazione Prima parte: HD e Software.

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Presentazione sul tema: "Sistemi di Elaborazione 2001 Architettura dei sistemi di elaborazione Prima parte: HD e Software."— Transcript della presentazione:

1 Sistemi di Elaborazione 2001 Architettura dei sistemi di elaborazione Prima parte: HD e Software

2 Sistemi di Elaborazione 2001 Esempi di applicazione di sistemi di elaborazione Regolazione del riscaldamento Sportello Bancomat Prenotazione dei voli Computer di bordo nellauto Previsioni meteorologiche

3 Sistemi di Elaborazione 2001 Esempi di applicazione di sistemi di elaborazione Negli esempi precedenti abbiamo: –Un sistema di acquisizione dati dal mondo esterno –Un sistema capace di elaborarli e di memorizzarli –Un sistema capace di fornire, sulla base delle elaborazioni svolte, informazioni utili allutente finale

4 Sistemi di Elaborazione 2001 Schema di un generico sistema di elaborazione Dispositivo di INPUT Dispositivo di OUTPUT Unità di elaborazione Memoria di massa (non volatile) Dati in ingresso Informazione in uscita

5 Sistemi di Elaborazione 2001 Tipologie di computer Sistemi embedded Personal Computer Workstation Minicomputer Mainframe Supercomputer Varia il livello di potenza e complessità

6 Sistemi di Elaborazione 2001 Sistemi embedded Es. computer che controlla le funzioni del motore e si adatta ai combiamenti delle condizioni di guida Agiscono allinterno di sistemi meccanici o elettrici più grandi e complessi senza il diretto controllo delloperatore Ricevono gli input da sensori ed attivano meccanismi per controllare le condizioni operative, eseguendo un numero limitato di istruzioni preprogramate Si trovano allinterno di piccoli elettrodomestici, aerei, stereo, etc.

7 Sistemi di Elaborazione 2001 Personal Computer Desktop, laptop, notebook, palmari Tipicamente hanno un microprocessore General Purpose Velocità: MIPS RAM: MB

8 Sistemi di Elaborazione 2001 Workstation Stazioni di lavoro molto potenti con notevoli capacità grafiche Utilizzo stand-alone Supportano il lavoro di progettazione tecnica (CAD – Computer Aided Design) Velocità: MIPS RAM: MB

9 Sistemi di Elaborazione 2001 Minicomputer Utilizzo in piccole aziende o divisioni di grandi compagnie Possono gestire centinaia di utenti Es. –gestione delle transazioni –Gestione del magazzino –Fatturazione

10 Sistemi di Elaborazione 2001 Mainframe Utilizzo in grandi compagnie, università, etc. Possono gestire migliaia di utenti Es. – Banche, catena di alberghi –Compagnie aeree, di assicurazioni.. Gestiscono numerose periferiche, tipicamente dischi.

11 Sistemi di Elaborazione 2001 Schema di un generico sistema di elaborazione Dispositivo di INPUT Dispositivo di OUTPUT Unità di elaborazione Memoria di massa (non volatile) Dati in ingresso Informazione in uscita

12 Sistemi di Elaborazione 2001 Architettura di una CPU Memoria RAM CPU Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Registri interni Clock

13 Sistemi di Elaborazione 2001 Memoria Ram E costituita da locazioni singolarmente indirizzabili Ciascuna locazione contiene istruzioni o dati Memoria RAM CPU Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Clock Random Access Memory

14 Sistemi di Elaborazione 2001 Caratteristiche della memoria Tempo di accesso Velocità di trasferimento dei dati Ciclo di memoria (n. accessi nellunità di tempo) dimensioniTempo accesso Velocità di trasferimento Registri< 1K<0.5 ns MB/s CAche<1MB<10 ns Ram64 –256 MB40 ns Mb/s Dischi GB10 ms Mb/s

15 Sistemi di Elaborazione 2001 Tipi di memoria ROM (Read Only Memory) memoria dal contenuto fisso, non riscrivibile. PROM (Programmable ROM) si possono scrivere una sola volta. EPROM (Erasable PROM) si possono scrivere e ricancellare esponendole ai raggi UV. Memorie FLASH ROM, PROM, EPROM non perdono il contenuto quando il calcolatore viene spento.

16 Sistemi di Elaborazione 2001 ROM e BIOS Quando il calcolatore viene acceso, la RAM è vuota. Tuttavia la CPU deve poter trovare da qualche parte una sequenza di istruzioni (programma) da eseguire. In ogni computer cè una ROM che contiene il BIOS (Basic Input/Output System). Il BIOS contiene un piccolo programma che consente di trasferire dalla memoria di massa a quella centrale il sistema operativo e altri dati essenziali (fase di caricamento o di boot) che mettono il computer in grado di funzionare.

17 Sistemi di Elaborazione 2001 Memoria centrale e memoria di massa Differiscono per la –volatilita dei dati e per –le funzioni che svolgono –Per la tecnologia di realizzazione

18 Sistemi di Elaborazione 2001 Memoria centrale e memoria di massa Volatilita La memoria centrale tiene i dati fino a quando e alimentata Nella memoria di massa i dati sono immagazzinati permanentemente

19 Sistemi di Elaborazione 2001 Memoria centrale e memoria di massa Funzione: LA memoria centrale contiene i programmi in esecuzione e i relativi dati LA velocita di accesso influenza notevolmente le prestazioni del sistema La memoria di massa contiene elevate quantita di dati che non devono essere utilizzate frequentemente

20 Sistemi di Elaborazione 2001 Memoria centrale e memoria di massa Tecnologia: LA memoria centrale e realizzata con tecnologie elettroniche (VLSI) Le memoria di massa vengono realizzate con tecnologie magnetiche oppure ottiche.

21 Sistemi di Elaborazione 2001 memoria di massa Varie tipologie: Nastri DAT (digital audio tape) (fino a qualche giga) DISCHI

22 Sistemi di Elaborazione 2001 memoria di massa: Hard disk Varie tipologie: Nastri DAT (digital audio tape) (fino a qualche giga) DISCHI

23 Sistemi di Elaborazione 2001 Modalità di esecuzione della CPU Fase di fetch: Acquisizione dalla RAM dell istruzione da eseguire Decodifica dellistruzione Esecuzione dellistruzione Memoria RAM CPU Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Clock Ciclo Macchina

24 Sistemi di Elaborazione 2001 Come è fatta unistruzione Memoria RAM ……. 256 Codice operativo Operando1 Operando2 Es. Somma Indirizzo Op1 Indirizzo Op2

25 Sistemi di Elaborazione 2001 Uno sguardo ai registri PC (Program Counter) Tiene traccia della prossima istruzione da eseguire IC (Instruction Register) –Contiene una copia della istruzione corrente da eseguire MAR (Memory Address register) –Contiene lindirizzo dal quale estrarre o dove trascrivere un dato MDR (memory Data register) –Contiene una copia del dato da trattare PSW (Processor Status Word) –Informazioni sullo stato del processore Memoria RAM CPU Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Clock PC IC MAR MDR PSW

26 Sistemi di Elaborazione 2001 Uno sguardo ai registri Inoltre lALU contiene un proprio set di registri usati per svolgere le elaborazioni intermedie sui dati Memoria RAM CPU Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Clock PC IC MAR MDR PSW R1 R2 Rn ….

27 Sistemi di Elaborazione 2001 Steps del Ciclo macchina Memoria RAM ALU Unità di Controllo Recupero istruzione dalla RAM Decodifica Istruzione Parte posta nel registro istruzioni Parte posta nel registro indirizzi Dati spostati dalla RAM al registro MDR ALU riceve il comando di effettuare loperazione ALU effettua loperazione Risultati posti nell accumulatore

28 Sistemi di Elaborazione 2001 Tipologie di istruzioni Trasferimento dati tra CPU e RAM Trasferimento dati tra CPU e interfaccia di Ingresso/Uscita Elaborazione dati Controllo del flusso delle istruzioni

29 Sistemi di Elaborazione 2001 Istruzioni di elaborazione dati Operazioni aritmetiche – somma, prodotto,... Operazioni relazionali – confronto tra dati Operazioni su caratteri e valori di verità (booleani) Altre operazioni numeriche – calcolo di logaritmi e funzioni trigonometriche

30 Sistemi di Elaborazione 2001 Bus di collegamento Collegamento fisico tra i componenti: occorrono tre tipologie di BUS –BUS Dati –BUS Indirizzi –BUS Controllo La CPU ha il compito fondamentale di coordinare laccesso ai Bus da parte dei vari componenti dei sistema

31 Sistemi di Elaborazione 2001 Ancora sui BUS Il bus di controllo fa transitare i segnali che identificano sorgente e destinatario dei dati e direzione del flusso (es. lettura o scrittura) Lampiezza del bus è la quantità di dati che possono essere trasferiti contemporaneamente (32 bit, 64 bit)

32 Sistemi di Elaborazione 2001 Funzionamento del bus Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR MAR INDIRIZZI DATI CONTROLLO

33 Sistemi di Elaborazione 2001 Fase di fetch Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR MAR INDIRIZZI DATI CONTROLLO F A8 0003

34 Sistemi di Elaborazione 2001 Fase di fetch Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR MAR INDIRIZZI DATI CONTROLLO 0003 LEGGI 3F A8

35 Sistemi di Elaborazione 2001 Fase di fetch Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR MAR INDIRIZZI DATI CONTROLLO 0003 LEGGI 3FA8 3F A8

36 Sistemi di Elaborazione 2001 Fase di decodifica Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR MAR INDIRIZZI DATI CONTROLLO 3FA FA8 3F A8 Preleva il dato dalla prossima Locazione di memoria e mettilo Nel registro R1

37 Sistemi di Elaborazione 2001 Incremento del program counter Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR 0005 INDIRIZZI DATI CONTROLLO 3FA F A LEGGI

38 Sistemi di Elaborazione 2001 Prelievo del dato Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR 0005 INDIRIZZI DATI CONTROLLO 3FA F A8 LEGGI

39 Sistemi di Elaborazione 2001 Scrittura nel registro della ALU Memoria RAM CPU Unità di Controllo Clock PC IR PSW ALU R1 R2 Rn MDR 0005 INDIRIZZI DATI CONTROLLO 3FA F A8 scrivi

40 Sistemi di Elaborazione 2001 Porta seriale e parallela Memoria RAM Clock Memoria ROM CPU Dispositivo di INPUT Dispositivo di OUTPUT PORTA Controllers N Dati Indirizzi Controllo

41 Sistemi di Elaborazione 2001 Interfaccia di Ingresso/uscita Periferica Controller Buffer dati Registro Di stato INDIRIZZI DATI controllo Porta

42 Sistemi di Elaborazione 2001 Gestione delle periferiche Le periferiche possono funzionare con tre tecniche: –Ciclo di polling –Interrupt –Accesso diretto alla memoria (DMA)

43 Sistemi di Elaborazione 2001 Ciclo di polling Periferica Controller Buffer dati Registro Di stato Interfaccia di ingresso/uscita CPU P Processo chiamante la periferica INDIRIZZI DATI - P interroga ciclicamente il registro di stato - Quando il registro di stato segnala che i dati sono stati trasferiti P trasmette nuovi dati al buffer dei dati controllo

44 Sistemi di Elaborazione 2001 Gestione con interrupt Periferica Controller Buffer dati Registro Di stato Cavo di collegamento Interfaccia di ingresso/uscita CPU P Processo chiamante la periferica - P lancia il comando alla periferica e invia I primi dati -Si sospende

45 Sistemi di Elaborazione 2001 Gestione con interrupt Periferica Controller Buffer dati Registro Di stato Cavo di collegamento Interfaccia di ingresso/uscita CPU P Processo chiamante la periferica -La cpu passa ad un altro processo -Il controller notifica con un interrupt la CPU che è pronto a ricevere altri dati

46 Sistemi di Elaborazione 2001 Gestione con interrupt Periferica Controller Buffer dati Registro Di stato Cavo di collegamento Interfaccia di ingresso/uscita CPU -La CPU attiva il programma di risposta a interruzione, che attiverà il driver fisico della stampante per effettuare il successivo trasferimento dati Driver fisico P Processo chiamante la periferica

47 Sistemi di Elaborazione 2001 Accesso diretto alla memoria Periferica Controller Buffer dati Registro Di stato Cavo di collegamento Interfaccia di ingresso/uscita CPU DMA INDIRIZZI DATI CONTROLLO RAM

48 Sistemi di Elaborazione 2001 Periferiche e caratteristiche Monitor (CRT e LCD) –Risoluzione –Memoria –Schede acceleratrici Stampanti –Inkjet –Laser –(DPI, PPM)

49 Sistemi di Elaborazione 2001 Scheda madre Alloggia il processore La Ram La cache memory Ha slots di espansione –(upgrades, schede grafiche, etc.) Un dispositivo di raffreddamento Un sistema di alimentazione

50 Sistemi di Elaborazione 2001 Valutazione delle Prestazioni di un sistema Velocità Lavoro svolto nellunità di tempo (throughput) Affidabilità –MTTF (Mean Time to Failure) –MTTR (mean time to recovery) Un sistema è tanto affidabile quanto il meno affidabile dei suoi componenti

51 Sistemi di Elaborazione 2001 Valutazione delle Prestazioni di un sistema La valutazione delle prestazioni può essere svolta o in termini di distribuzioni di probabilità o in termini di valori medi (+ semplice) Lavoro svolto nellunità di tempo (throughput) Elapsed time (tempo trascorso) CPU time (tempo di elaborazione impiegato dalla CPU)

52 Sistemi di Elaborazione 2001 Prestazioni della CPU Velocità del CLOCK: si misura in megahertz (MHZ) –Maggiore è la frequenza, piu cicli macchina possono essere effettuati nellunità di tempo MIPS (MILIONI DI ISTRUZIONI AL SECONDO) MFLOPS (MILIONI DI OP. IN VIRGOLA MOBILE AL SECONDO) MFLOPS <= MIPS <= FREQ. DI CLOCK

53 Sistemi di Elaborazione 2001 Prestazioni della CPU Tcpu = Nclock X Tclock Nclock= n cicli necessari per il completamento del processo CPI = n cicli richiesti per completare unistruzione (valore medio) N(i) numero istruzioni eseguite per completare un processo Tcpu = CPI X N(i) / Fclock

54 Sistemi di Elaborazione 2001 Prestazioni della CPU Le prestazioni dipendono comunque anche dal set di istruzioni proprio della CPU

55 Sistemi di Elaborazione 2001 Set di istruzioni e tipo di architettura utilizzata CISC (Complex Instruction Set Computer) RISC (Reduced Instruction Set Computer) Tipo di cpuciscrisc Cpi Cicli clock per istruzione altobasso N (i)bassoalto F clockmediaalta

56 Sistemi di Elaborazione 2001 Prestazioni della CPU I MIPS non sono un parametro affidabile –In realtà occorre considerare il tipo di lavoro che la CPU deve svolgere abitualmente Si utilizzano i benchmark –Programmi campione scritti in linguaggi di programmazione ad alto livello –Definiti dalla SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation)

57 Sistemi di Elaborazione 2001 Caratteristiche principali di un microprocessore Repertorio di istruzioni – le istruzioni del linguaggio macchina del processore velocità (misurata come frequenza del clock) –lesecuzione di ciascuna istruzione richiede solitamente più cicli macchina Ampiezza del bus – numero di bit nel bus interno del processore Co-processore – i moderni processori sono integrati a co- processori specializzati (ad esempio, il co- processore matematico) Cache – una memoria veloce locale al processore, che consente unaccelerazione nellesecuzione dei programmi

58 Sistemi di Elaborazione 2001 Fattori collegati allampiezza del bus e dei registri Lunghezza delle parole binarie che la CPU e' in grado di elaborare, espressa in numero di bit (8, 16, 32, 64) –Lunghezza delle parole binarie che e' in grado di scambiare con l'esterno con un'unica operazione (8, 16, 32, 64) –Capacita' di indirizzamento (MB, GB) (spesso riferita come memoria RIM - Registro Istruzioni Memoria)

59 Sistemi di Elaborazione 2001 Estensioni all'architettura di Von Neumann processori dedicati o co-processori per eseguire in modo particolarmente efficiente e in parallelo alla CPU particolari operazioni, come quelle aritmetiche (processore aritmetico) o per la presentazione della grafica sul video (processore grafico, vulgo scheda grafica). possibilità di eseguire alcune istruzioni parzialmente in parallelo uso di gerarchie di memorie con prestazioni e costi decrescenti, come una memoria cache in cui tenere copia di parte dei dati della memoria centrale con accesso più rapido.

60 Sistemi di Elaborazione 2001 Estensioni all'architettura di Von Neumann macchine aventi diverse CPU che agiscono contemporaneamente (macchine parallele o multiprocessore), come i supercomputer per eseguire calcoli complicatissimi molto velocemente.

61 Sistemi di Elaborazione 2001 Evoluzione del PC Legge di Moore: La potenza dei calcolatori raddoppia ogni 18 mesi. –Inizi anni 80 (Personal Computer IBM AT) –Architettura 16 bit interna, 8 bit esterna (Intel 8088) –Clock 4.77 MHz, RAM 512 kB, Hard Disk 10 Mb –Prezzo: oltre 10 milioni (dellepoca) –Ieri (configurazione tipica di un PC di fascia media) –Architettura 32 bit (Intel P III/AMD Athlon) –Clock 1.2 GHz, RAM 128 MB, Hard Disk 20 Gb –Prezzo: meno di 2 milioni

62 Sistemi di Elaborazione 2001 Riferimenti bibliografici Introduzione ai sistemi informatici Sciuto, Buonanno, Fornaciari, Mari Mc Graw Hill Capitoli N.3 e N.8 (I edizione) Capitolo 4 (II edizione)

63 Sistemi di Elaborazione 2001 Introduzione alla programmazione Algoritmo Programma Linguaggio di programmazione

64 Sistemi di Elaborazione 2001 Descrivere un programma con un diagramma di flusso Leggi x e y K x - y K >0 Scrivi Max = x Scrivi Max = y fine start Calcolare il max fra due numeri si no

65 Sistemi di Elaborazione 2001 Descrivere un programma con un diagramma di flusso Leggi x e y K x - y K >0 Scrivi Max = x Scrivi Max = y fine start Calcolare il max fra due numeri Lettura/ scrittura elaborazione decisione no

66 Sistemi di Elaborazione 2001 Leggi la lista x1…xn Prendi I primi due numeri x1 e x2 Altri numeri da esaminare Scrivi Max = m fine start Calcolare il max in una lista numeri m max (x1,x2) no si Prendi il successivo xi m max (m,xi)

67 Sistemi di Elaborazione 2001 Nellesempio precedente notiamo il concetto di chiamata a sottoprogramma (ovvero un programma in grado di calcolare il max fra due numeri)

68 Sistemi di Elaborazione 2001 Tipologie di istruzioni Istruzioni di ingresso/uscita Istruzioni aritmetico logiche Istruzioni di controllo

69 Sistemi di Elaborazione 2001 Linguaggio di programmazione E caratterizzato da: Sintassi Lessico La scrittura degli enunciati di un programma e regolata dalla sintassi Un enunciato racchiude una serie di istruzioni

70 Sistemi di Elaborazione 2001 Linguaggio di programmazione In un linguaggio di programmazione sono importanti: I tipi di dati disponibili Gli operatori Le variabili e le operazioni di assegnazione di valori alle variabili I costrutti di programmazione


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