Laboratorio di Informatica Architettura di un elaboratore Lezione 1

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 2 Le principali componenti Un elaboratore è composto da 3 componenti principali: Il microprocessore La memoria I dispositivi di Ingresso/Uscita

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 3 Le principali componenti Le componenti sono interconnesse Il processore comunica con la memoria La memoria si interfaccia con le unità periferiche Le unità periferiche si interfacciano con gli utenti

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 4 Schema dellarchitettura Processore Memoria I/O

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 5 Schema delle interconnessioni Le componenti sono tra loro interconnesse

Il processore

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 7 Il processore Il processore è composto da due componenti: DATAPATH CONTROLLER

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 8 Il processore Il datapath o unità di elaborazione Linsieme dei circuiti che operano e manipolano i dati Il controller Linsieme dei circuiti che interpretano un programma e sovraintendono allesecuzione delle istruzioni da parte delle altre componenti del calcolatore

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 9 Ciclo del processore Il processore esegue in continuazione il ciclo preleva-interpreta-esegui preleva Preleva dalla memoria principale la prossima istruzione di un programma interpreta Decodifica listruzione esegui Esegui listruzione

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 10 Il linguaggio del processore Ogni modello di microprocessore ha un proprio linguaggio macchina diverso da quello di altri processori Ogni modello di microprocessore riconosce solo programmi scritti nel proprio linguaggio macchina Il linguaggio macchina contiene tutte e sole le operazioni che possono essere eseguite dal microprocessore

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 11 Linguaggio macchina Un processore con 2 registri R1 e R2 Si debbono sommare i contenuti delle locazioni di memoria var1 e var2 e archiviare in tot Loperazione di somma è possibile solo sui dati archiviati nei registri Trasferisci il contentuto di var1 nel registro R1 Trasferisci il contentuto di var2 nel registro R2 Somma il contenuto dei due registri Trasferisci il risultato nella locazione di memoria tot

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 12 Linguaggio macchina –2 È necessario disporre di Istruzioni per il trasferimento di dati dalla memoria ai registri e viceversa Istruzioni aritmetiche/logiche Eventualmente istruzioni di controllo Esempio: load R1, var1 load R2, var2 add R1, r2 store R1, tot

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 13 Linguaggio macchina - 3 se a=b allora c:=0 altrimenti c:=a+b load R1, a load R2, b sub R1, R2 jzero R1, fine load R1, a add R1, R2 fine: store R1, c

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 14 Le operazioni elementari Ogni istruzione del linguaggio macchina viene eseguita da un microprocessore svolgendo una serie di passi, le operazioni elementari Il numero di operazioni elementari necessario a portare a compimento unistruzione in linguaggio macchina è dellordine di 7-10

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 15 Il ciclo di clock Ciclo di clock Parametro caratteristico di un processore è la durata del ciclo di clock Indica il tempo richiesto dal microprocessore a compiere unoperazione elementare La frequenza del clock è espressa in MHz (Mega Hertz) ed è linverso della durata del ciclo espressa in μs = s

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 16 La velocità dei processori Dati 2 processori con lo stesso linguaggio macchina, risulterà più veloce quello con frequenza di clock maggiore Non è possibile dire nulla su processori con linguaggi macchina diversi Es. Pentium Vs. PowerPC

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 17 Confronto tra processori diversi Dati i calcolatori A e B con diversi linguaggi macchina Clock di A è 500MHz Clock di B è 400MHz Il linguaggio di A richiede lesecuzione di 10 operazioni elementari per ogni istruzione Il linguaggio di B ne richiede 6 Per eseguire un programma di 100M istruzioni di linguaggio macchina A impiegherà 2s = (100 * 10 6 * 10)/(500 * )s B impiegherà 1,5s = (100 * 10 6 * 6)/(400 * )s

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 18 La frequenza La frequenza di clock non è quindi un indice assoluto per quanto riguarda la bontà di un microprocessore Attualmente si trovano in commercio microprocessori che operano a frequenze di 1 GHz (1 Giga Hertz)

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 19 Processori I microprocessori più diffusi, prodotti da case diverse, sono: Intel (x86) Motorola (68xxx) IBM (PowerPC) HP (PA-RISC) DEC (Alpha)

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 20 Un processore

La memoria

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 22 La memoria Svolge la funzione di magazzino per i programmi e i dati su cui deve operare il microprocessore Linformazione digitalizzata viene rappresentata e salvata in memoria sotto forma di numeri binari Dati e programmi sono memorizzati in unità minime chiamate Byte Un byte è a sua volta costituito da 8 bit, una sequenza di 8 cifre binarie

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 23 La memoria Il significato della stringa di bit dipende dalla codifica se letto come testo, è la lettera b se letto come numero, è il valore 98

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 24 Rappresentazione binaria La singola cifra binaria è detta bit (0 o 1) La scelta è dettata da ragioni di praticità ed economia Il bit rappresenta due stati Come una lampadina: accesa (1) o spenta (0) Combinazioni di bit in sequenze di lunghezza opportuna rappresentano i dati

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 25 Combinazioni di bit 1 bit bit bit bit Ogni bit in più raddoppia il numero delle combinazioni possibili

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 26 Combinazioni di bit Ogni combinazione rappresenta un valore diverso Ci sono 2 N combinazioni lunghe N bit Quindi, ci vogliono N bit per rappresentare 2 N valori distinti 2 1 = 2 valori 2 2 = 4 valori 2 3 = 8 valori 2 4 = 16 valori 2 5 = 32 valori 1 bit ? 2 bit ? 3 bit ? 4 bit ? 5 bit ? Quanti valori possiamo rappresentare con

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 27 Struttura della memoria La memoria è organizzata in locazioni di memoria o celle Ogni cella ha un indirizzo numerico, che la identifica univocamente

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 28 Struttura della memoria Valori grandi possono essere immagazzinati in celle consecutive (2/4/6 byte) La memoria è organizzata in celle di una data lunghezza (spesso 1 byte di 8 bit)

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 29 Dimensione della memoria La capacità di immagazzinare informazione in memoria (storage capacity) è indicata dal numero di byte di cui è costituita La capacità è espressa in diverse unità di misura: KB2 10 = 1024 MB2 20 (> 1 milione) GB2 30 (> 1 miliardo) TB2 40 (> 1000 miliardi) unitàsimbolonumero di byte kilobyte megabyte gigabyte terabyte

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 30 La memoria Per questioni di costi ed efficienza la memoria di un elaboratore è distribuita su dispositivi hardware diversi, che nel loro insieme costituiscono il sistema memoria dell'elaboratore, più comunemente chiamato gerarchia di memoria

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 31 La memoria Ai livelli più alti di questa gerarchia sono presenti le memorie più veloci, e quindi più costose. Ai livelli bassi sono presenti le memorie più economiche ma anche più lente La velocità di una memoria è misurata in base al tempo di accesso speso dal microprocessore

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 32 La memoria I livelli di memoria generalmente presenti sono i registri, le cache, la memoria centrale, i dischi. Una configurazione standard di un PC 32 registri, 256Kbyte di cache, MB di memoria centrale e un disco di 16GB.

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 33 La memoria I livelli più alti sono più vicini al processore registri nel datapath memoria cache sul chip del processore Il livello intermedio è la memoria centrale KB, su chip separati I livelli bassi sono fisicamente lontani dischi, nastri, CD-ROM

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 34 La memoria

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 35 Legenda della figura I registri sono nel chip del processore. La cache di I livello può anchessa essere nel processore o esterna. Backing store quando cè svolge le funzioni di buffer per i dischi. Questa funzione può essere svolta dalla memoria centrale. I nastri magnetici sono piuttosto in disuso, al loro posto si usano spesso batterie di cd-rom.

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 36 Memorie: confronti SRAM (Static RAM) per le cache di I e II livello DRAM (Dynamic RAM) per la memoria memorieTempo di accessoCosto in $ nel 97 SRAM5 -25 ns DRAM ns5 -10 Dischi magnetici milioni di ns

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 37 La memoria Esistono due categorie di dispositivi di memoria: le memorie volatili le memorie non volatili

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 38 La memoria Le memorie volatili sono i dispositivi di memoria che perdono il loro contenuto quando viene loro a mancare l'alimentazione elettrica Le memorie non volatili invece mantengono l'informazione registrata anche in assenza di alimentazione elettrica

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 39 Le memorie volatili genericamente indicate con il termine RAM (Random Access Memory) i registri di CPU, le cache e la memoria centrale sono realizzati rifacendosi alla tecnologia dei circuiti integrati

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 40 Le memorie volatili

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 41 Le memorie non volatili I dispositivi più diffusi come memoria non volatile, sono i dischi magnetici

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 42 La memoria A elaboratore spento tutte le informazioni risiedono su disco All'accensione, le informazioni necessarie al funzionamento vengono trasferite da disco a memoria centrale, sino ai livelli più alti della gerarchia di memoria in funzione del loro utilizzo

I dispositivi di I/O o periferiche

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 44 I dispositivi di I/O Rappresentano linterfaccia del calcolatore verso il mondo esterno

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 45 I dispositivi di I/O monitor tastiera memoria principale processore dischetto disco rigido Le periferiche di input e output consentono interazione schermi tastiere mouse scanner touch screen

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 46 I dispositivi di input I dispositivi di input acquisiscono informazioni espresse in un formato consono alloperatore umano Le traducono in un formato consono allelaboratore le trasmettono alle componenti opportune del calcolatore Es.: mouse, tastiera, scanner, microfono

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 47 I dispositivi di output I dispositivi di output acquisiscono informazioni dallelaboratore nel formato di rappresentazione interno le traducono in un formato consono alloperatore umano le visualizzano Es.: video, stampante

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 48 I dispositivi di I/O Ogni periferica è costituita da 3 componenti: Una componente visibile, il dispositivo in senso lato detto device Una componente elettronica di controllo chiamato device controller Una componente software device driver

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 49 Il controller Riceve gli ordini dal microprocessore e li impartisce al dispositivo fisico Risiede su un circuito stampato ed è solitamente esterno allunità periferica ed allinterno dello chassis Il collegamento tra il controller e la periferica avviene attraverso opportuni connettori

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 50 Il device driver Componente sw necessaria per la gestione della periferica Ogni periferica ha un proprio driver che viene consegnato su un disco allatto dellacquisto della periferica Prima di utilizzare la periferica è necessario installare il driver corrispondente

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 51 I Bus I controller di tutte le periferiche devono essere collegati al microprocessore per poter prendere ordini dallo stesso Per svolgere questa funzionalità ogni elaboratore è provvisto di uno o più bus il bus è un insieme di cavi il bus fa convergere al microprocessore le informazioni provenienti dai vari controller paragonabile ad una strada su cui convergono più vie laterali provenienti dai vari controller

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 52 I Bus Periferiche diverse possono usare tipi di bus diversi, in genere in funzione della velocità di trasmissione dati I bus più diffusi: PCI Generalmente usato sulla scheda madre tra memoria e processore SCSI Usato per diversi tipi di periferiche in catena IDE Generalmente usati per i dischi USB Usato per periferiche di I/O

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 53 Monitor La dimensione fisica di un monitor (17") si misura diagonalmente, come per la TV I monitor di oggi hanno capacità multimediali gestiscono testo, grafica, video, graphics, video … Un monitor ha una risoluzione, che indica il numero di picture elements, detti pixels, che può visualizzare (es: 1280 per 1024) Una risoluzione alta (più pixels) fornisce immagini più chiare

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 54 Modem Ci sono strumenti per trasferire dati tra due computer Molti computer incorporano modem, che consente di trasferire dati sulla linea telefonica Uno strumento per trasferire dati ha una velocità massima di trasferimento Un modem può avere una velocità di trasferimento di 56,000 bits per second (bps)

AA 2005/06 © Alberti, Bruschi, RostiArchitettura di un elaboratore 55 Le specifiche del computer Dare le specifiche di un personal computer, ad esempio: 600 MHz Pentium III Processor 256 MB RAM 16 GB Hard Disk 24x speed CD ROM Drive 17 Multimedia Video Display con risoluzione 1280 x Kps Modem