CALCOLATORI ELETTRONICI

Presentazione sul tema: "CALCOLATORI ELETTRONICI"— Transcript della presentazione:

1 CALCOLATORI ELETTRONICI
Giovanni Danese Tel Corsi di Laurea in Ingegneria Biomedica, in Ingegneria Elettronica e Informatica orario delle lezioni: Lunedì aula 8, Mercoledì 9-11 aula 4 orario di ricevimento: Martedì , Giovedì

2 Materiale didattico consigliato
Testo Consigliato: David A. Patterson, John L. Hennessy, Struttura e progetto dei calcolatori Zanichelli, 2014, Bologna, IV edizione. (David A. Patterson, John L. Hennessy, “Computer Organization and Design” Elsevier – Morgan Kaufmann, 2014, V edition) David A. Patterson, John L. Hennessy, Struttura, organizzazione e progetto dei calcolatori Jackson libri, 1999, Milano, II edizione. Documentazione varia è reperibile al sito: mclab.unipv.it/index.php/corsi

3 Argomenti del corso: Prerequisiti 1. Architettura dei calcolatori
2. Architettura di una CPU 3. Linguaggio assemblativo 4. L’aritmetica dei calcolatori 5. L’ambiente di sviluppo dei progetti Prerequisiti Devono essere noti gli argomenti trattati nei corsi Fondamenti di Informatica e Fondamenti di Informatica (laboratorio)

4 Architettura di un computer
I/O system Instr. Set Proc. Compiler Operating System Application Digital Design Circuit Design Firmware Datapath & Control Layout Instruction Set Diversi livelli di astrazione

5 Rappresentazione delle istruzioni
Linguaggio ad alto livello (HLL) temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; Compilatore lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) Linguaggio Assembly Assemblatore Linguaggio Macchina Interpretazione macchina Segnali di controllo

6 Struttura del software (1)
I linguaggi HLL permettono progettazione in linguaggio ~ a quello naturale una maggior concisione rispetto al linguaggio macchina indipendenza dal calcolatore Riutilizzo routine frequentemente impiegate  librerie di subroutine Un programma separato che supervisiona l’utilizzo della macchina da parte dei programmi utente  sistema operativo Software di sistema= insieme di programmi che forniscono servizi (Sistema Operativo, compilatori, assemblatori) Software applicativo=programmi utente o mirati all’utente (editors, spreadsheet)

7 Struttura del software (2)
Sw applicativo SOFTWARE HW Sw sistema Software appl. Software sistema Word Compilatori Sist. Op. Assembl. Memoria File I/O virtuale System drivers

8 Architettura del Set di Istruzioni
Un importante livello di astrazione interfaccia fra hardware e software di basso livello standardizza il formato delle istruzioni e i pattern di bit a livello di linguaggio macchina vantaggi: differenti implementazioni della stessa architettura svantaggi: talora impossibilità di avvalersi di innovazioni tecnologiche Architetture moderne di set di istruzioni Digital Alpha (v1, v3) HP PA-RISC (v1.1, v2.0) Sun Sparc (v8, v9) SGI MIPS (MIPS I, II, III, IV, V) Intel (8086,80286,80386, , Pentium, MMX, ...)

9 Di cosa ci occuperemo Le istruzioni: il linguaggio dei calcolatori (Cap. 2 Zanich, 3 Jacks) L’aritmetica dei calcolatori (Cap. 3 Zanichelli, Cap. 4 Jackson) Assemblatori, linker ed il simulatore SPIM (App. B Zanichelli e App. A Jackson) Fondamenti sulla progettazione di reti logiche (App. C CD Zanichelli e Jackson)

10 Architettura della macchina di Von Neumann
Unità di ingresso Unità di uscita Memoria ALU Unità di controllo Risultati Programmi e dati CPU Unità centrale

11 Unità Centrale CO N T R O L D AD A D T R E S S B B U B U S U S S CPU
ALU CPU Unità di controllo MAR Memoria ROM MBR MAR Memoria RAM MBR

12 Microprocessori e Bus 210 Byte = 1024 byte = 1 KByte
I microprocessori sono dispositivi elettronici che implementano in un unico circuito integrato le funzioni di una intera CPU. I microprocessori attuali hanno bus dati a 8, 16, 32, 64 bit. Il bus dati (data bus) esprime la capacità di elaborazione del processore (quanti bit possono essere elaborati in parallelo) Il bus indirizzi (address bus) esprime la capacità di memorizzazione del processore (2m celle di memoria, se m è il numero dei bit del bus) La capacità di indirizzamento indica il numero di celle diverse cui si può accedere: 210 Byte = 1024 byte = 1 KByte 220 Byte = byte = 1 Mbyte 230 Byte = byte = 1 GByte

13 Un Esempio Variazione nella precisione di misura di 1 Kg. in un sistema di pesatura basato su microprocessori con diversa dimensione del bus dati Numero di bit bus dati Dati rappresentabili 24=16 28= = 65536 Precisione relativa 6.25% ~3.9 ‰ ~0.015‰ Precisione max gr ~3.9 gr ~0.015 gr

14 Osservazioni I microprocessori a 8 bit di dato hanno tipicamente bus indirizzi a 16 bit con capacità di indirizzamento di 64 KB I microprocessori a 16 bit di dato hanno tipicamente bus indirizzi a bit con capacità di indirizzamento di 1-16 MB I microprocessori a 64 bit di dato hanno bus indirizzi a 64 bit con capacità di indirizzamento fino a circa 1019 byte I microprocessori Single Chip riuniscono in un unico circuito integrato più di uno dei blocchi costituenti un microcalcolatore (eventualmente tutti).

15 Architettura di una CPU
BUS DATI ESTERNO BUS DATI INTERNO ACC C O N T R. D E C O D. I N S T. R E G. SP PC R e g R e g N F L A G …. ALU BUS INDIRIZZI INTERNO BUS IND. ESTERNO

16 Ciclo di esecuzione di un’istruzione
FETCH (prelevamento dell’istruzione) DECODIFICA ESECUZIONE La memoria (ROM e RAM) contiene il programma e i dati sui quali opera la CPU. Il Program Counter (PC) contiene l’indirizzo della cella di memoria con la prossima istruzione da eseguire. FORMATO DELLE ISTRUZIONI Codice Operativo Operando 1 Operando 2 Campo che caratterizza le varie istruzioni Gli operandi possono essere 0, 1, 2

17 Sequenza di operazioni elementari per l’esecuzione di ogni singola istruzione
FETCH: vengono letti i campi che costituiscono l’istruzione: 1) (PC)MAR 2) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC 3) (MBR) IR I passi 1, 2, 3 permettono di caricare in IR (instruction register) il codice operativo (OP Code) dell’istruzione corrente. Passi analoghi permettono di caricare in opportuni registri della CPU gli operandi presenti nell’istruzione. In tal caso, nel passo 3 la destinazione del dato proveniente dalla memoria non è più IR, ma opportuni registri. DECODE: viene identificata l’istruzione corrente sulla base dell’OP Code EXECUTE: è diversa a seconda del tipo di istruzione. In pratica consiste nell’inviare comandi e dati alle unità interessate. P.S. MAR= Memory Address Register; MBR: Memory Buffer Register Notazione: (X) Y significa: “Il contenuto del registro X viene trasferito nel registro Y

18 Formato delle istruzioni
Le istruzioni sono codificate da stringhe di bit. Una volta caricata nell’IR, un’istruzione deve essere decodificata ed eseguita. A tal scopo l’unità di controllo deve conoscere: codice operativo sorgente: dati su cui operare destinatario: dove porre il risultato e, se sorgente e destinazione sono in memoria, la modalità di indirizzamento Codice Operativo Sorgente Destinazione Mod. indirizzamento Esempio 1: Somma tra il contenuto del registro R2 e il contenuto dell’accumulatore. Il risultato va nell’accumulatore FORMATO codice operativo FETCH come in precedenza ESECUZIONE (R2)+(ACC)ACC

19 Esempio di esecuzione di istruzioni complete
Esempio 2: somma tra il contenuto della cella di memoria il cui indirizzo è specificato nell’istruzione ed il contenuto dell’accumulatore; il risultato va nell’accumulatore FORMATO: codice operativo+operando FETCH: 1) (PC)MAR 4) (PC)MAR 2) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC 5) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC 3) (MBR) IR 6) (MBR) Rn EXECUTE: 1) (Rn) MAR 3) (MBR) Rn 2) ((MAR)) MBR 4) (Rn)+(ACC) ACC

20 Esempio di esecuzione di istruzioni complete
Esempio 3: saltare all’istruzione che è memorizzata nella cella il cui indirizzo è specificato all’interno dell’istruzione corrente: FORMATO: codice operativo+operando FETCH: 1) (PC)MAR 4) (PC)MAR 2) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC 5) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC 3) (MBR) IR 6) (MBR) Rn EXECUTE: 1) (Rn) PC