La struttura hardware.

Presentazione sul tema: "La struttura hardware."— Transcript della presentazione:

1 La struttura hardware

2 Esecuzione di programmi
Codifica in un linguaggio di programmazione C, Java etc. Algoritmo Programma Compilatore Input : programma Output : rappresentazione di dati ed istruzioni elementari comprensibile alla macchina Eseguibile Hardware Effetto : esecuzione delle istruzioni sulla macchina fisica

3 Esecuzione di programmi (2)
L’eseguibile dipende dalla macchina che dobbiamo specializzare (es. processore Intel, o processore SUN), dal sistema operativo (es. Windows, Linux …) e dal linguaggio usato (es: C o Java) Gli eseguibili di alcuni linguaggi (come Java) contengono operazioni complesse che non possono essere eseguite direttamente! In questo caso si utilizza un programma interprete (es Java Virtual Machine) che realizza le operazioni elementari complesse

4 Esecuzione di programmi (3)
Codifica in un linguaggio di programmazione Java-like Algoritmo Programma Compilatore Input : programma Output : rappresentazione di dati ed istruzioni elementari comprensibile all’interprete (es JVM) Eseguibile Interprete Hardware Effetto : esecuzione delle istruzioni elementari dell’interprete sulla macchina fisica

5 Esecuzione di programmi (4)
Codifica in un linguaggio di programmazione (C, Java etc) Algoritmo Programma Compilatore Input : programma Output : rappresentazione di dati ed istruzioni elementari comprensibile alla macchina o all’interprete Eseguibile Sistema operativo Hardware Interprete Effetto : esecuzione delle istruzioni sulla macchina fisica

6 Ritorniamo alla …. struttura generale di un calcolatore
Il calcolatore di Von Neumann Processore (CPU) Sottosistema di Interfaccia Memoria (RAM,dischi, etc) Mantiene Dati e Programmi E’ un esecutore capace di interpretare i singoli passi richiesti dai programmi (istruzioni elementari) Permette di comunicare dati e programmi alla macchina e di ottenere i risultati (tastiera, micr., stampante, schermo, )

7 Struttura di un calcolatore (2)
RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

8 Struttura di un calcolatore (3)
indirizzi Sequenza di parole (un array …) 1 2 3 4 RAM (memoria centrale) Processore . bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

9 Struttura di un calcolatore (4)
indirizzi Sequenza di parole (un array …) 1 2 3 4 RAM (memoria centrale) Processore Valore da trasferire Dove trasferirlo . Direzione di trasferimento, unità coinvolte etc. bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

10 Struttura di un calcolatore (5)
RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

11 Operazioni elementari eseguibili da un processore
Dati numerici (binari) : operazioni matematiche : +,-,divisione e moltiplicazione per potenze di due confronti con 0 operazioni logiche o booleane: AND, OR, XOR, NOT Dati numerici e non letture/scritture nella memoria, letture e scritture nei registri di controllo dei dispositivi uguaglianza e disuguaglianza di due rappresentazioni

12 Operazioni elementari eseguibili da un processore (2)
Operazioni di ‘controllo di flusso’ : salti condizionati (corrispondono alla combinazione di istruzioni di controllo se ( …) vai al passo X ) salti incondizionati (corrispondono alla istruzioni di controllo vai al passo X ) chiamate di un sottoprogramma (CALL) terminazione del programma (RETURN)

13 Operazioni elementari eseguibili da un processore (3)
Abbiamo elencato le funzionalità tipiche, i loro nomi ed il funzionamento specifico variano da macchina a macchina Esistono sul mercato processori ‘compatibili’ cioè in grado di eseguire lo stesso insieme di istruzioni (facilita la portabilità dei programmi in linguaggio macchina) es : Intel Pentium, IBM-Cyrix, AMD

14 Operazioni booleane Sono operazioni che lavorano su variabili che assumono valori di verità o boolani (vero, falso) : es : se fuori piove e mi sposto a piedi allora apro l’ombrello La due sotto-condizioni (fuori piove, mi sposto a piedi) avranno un valore vero/falso che dipende dalla situzione in cui mi trovo l’operatore booleano ‘e’ permette di combinare fra loro due valori booleani il risultato dell’operazione ‘e’ è il valore vero se entrambi gli operando sono veri e falso altrimenti

15 Operazioni booleane (2)
Con le operazioni booleane è possibile complicare arbitrariamente le condizioni delle strutture se…allora…altrimenti e finchè...ripeti Anche i valori booleani si possono rappresentare in codifica binaria: generalmente 1 rappresenta VERO 0 rappresenta FALSO La definizione di ciascuna operazione booleana si può dare sotto forma di tabellina (la tabella di verità)

16 Operazioni booleane (3)
Le operazioni boolane più comuni sono : Operazione di and () : A and B : combina i valori di A e B in modo che il risultato sia vero solo se sono veri sia A che B Operazione di or () : A or B : combina i valori di A e B in modo che il risultato sia vero solo almeno uno fra A e B è vero Operazione di not () : not A : restituisce falso se A e vero e viceversa

17 Tabelle di verità delle operazioni and, or e not

18 Operazioni logiche/booleane : perché sono importanti
Sono facili da realizzare utilizzando circuiti elementari È possibile dimostrare che tutte le funzioni interessanti possono essere calcolate utilizzando una opportuna combinazione delle funzioni logiche Esiste un procedimento automatico per trovare questa combinazione, che viene utilizzato per realizzare le funzioni disponibili nell’hw

19 Operazioni logiche : perché sono importanti (2)
Quando si scrivono programmi che ‘parlano’ con l’hw spesso dobbiamo manipolare sequenze binarie direttamente Usando le funzioni logiche è sempre possibile costruire la manipolazione che ci interessa es: mettere a 0 il terzo bit di una rappresentazione consideriamo la rappr mi costruisco la ‘maschera’ e poi calcolo AND ‘bit a bit’ AND

20 Linguaggio macchina e assembler
linguaggio comprensibile direttamente dal processore della macchina (binario) Assembler : versione simbolica del linguaggio macchina in cui i nomi delle operazioni e degli operandi sono indicati con codici simbolici

21 Linguaggio macchina e assembler (2)
Per ‘parlare direttamente con la macchina’ si usa l’assembler Assemblatori : programmi che traducono il codice simbolico in sequenze di 0 e 1 Nei prossimi lucidi vediamo un esempio di un tipico programma assembler e i passi necessari per la sua traduzione in binario

22 Linguaggio macchina e assembler (3)
Esempio: come si realizza in assembler l’operazione x=y+2 : LOAD Y, R1 ADD , R1 STORE R1, X memoria Legge il valore in Y e lo scrive in R1 Y 34 X 222 17 R1 Indirizzi di due parole di memoria che rappresentano le variabili intere x e y Registro interno del processore (variabile temporanea su cui lavorare)

23 Linguaggio macchina e assembler (4)
Esempio x=y+2 (assembler) LOAD Y, R1 ADD , R1 STORE R1, X memoria Aggiunge 2 a R1 Y 34 X 222 34 R1 Indirizzi di due parole di memoria che rappresentano interi Registro interno del processore (variabile temporanea su cui lavorare)

24 Linguaggio macchina e assembler (5)
Esempio x=y+2 (assembler) LOAD Y, R1 ADD , R1 STORE R1, X memoria Y 34 Scrive il contenuto di R1 nella parola di indirizzo X X 222 36 R1 Indirizzi di due parole di memoria che rappresentano interi Registro interno del processore (variabile temporanea su cui lavorare)

25 Linguaggio macchina e assembler (6)
Esempio x=y+2 (assembler) LOAD Y, R1 ADD , R1 STORE R1, X memoria Y 34 X 36 36 R1 Situazione finale della memoria

26 Linguaggio macchina e assembler (7)
Traduzione binaria (in linguaggio macchina) di LOAD Y, R1 ADD , R1 STORE R1, X Prima di tutto dobbiamo decidere quale è il vero indirizzo di X e Y memoria Y 01101 11100 X

27 Linguaggio macchina e assembler (8)
Codifica binaria di LOAD , R1 ADD , R1 STORE R1, 11100 Ogni operazione si codifica secondo un formato stabilito da chi costruisce l’hw un formato semplificato è Codice operativo Modo 1 Op1 Modo 2 Op2

28 Linguaggio macchina e assembler (9)
Vediamo i vari campi del formato : Codice operativo Modo1 Op1 Modo2 Op2 È la codifica dell’operazione da eseguire es: ADD LOAD STORE 0111

29 Linguaggio macchina e assembler (9)
Vediamo i vari campi del formato : Codice operativo Modo1 Op1 Modo2 Op2 È la codifica primo operando, MODO1 dice a cosa si riferisce OP1 es: se MODO1 = 00 l’operando è nel registro interno del processore (e OP1 è il numero del registro) se MODO1 = 01 l’operando è in memoria (e OP1 è l’indirizzo) se MODO1 = 10 l’operando è immediato, cioè OP1 è direttamente il valore dell’operando Lo stesso vale per il secondo operando!

30 Linguaggio macchina e assembler (10)
Tipicamente la codifica di una istruzione ‘ lunga come una parola o multipli della parola per poterla leggere dalla memoria in modo più efficiente : es : con parole di 4 byte (32 bit) Codice operativo Modo1 Op1 Modo2 Op2 4bit 2bit 12bit 2bit 12bit

31 Linguaggio macchina e assembler (11)
Problema ….. es : con 12 bit posso indirizzare ‘solo’ 212 parole di memoria centrale (RAM) ! Cioè posso avere al massimo una RAM di 4K parole … se ne ho di più (oggi si arriva tranquillamente a 512K e siamo sempre in aumento …) devo inventarmi codifiche diverse…. Codice operativo Modo1 Op1 Modo2 Op2 4bit 2bit 12bit 2bit 12bit

32 Linguaggio macchina e assembler (12)
Codifica binaria di LOAD , R1 ADD , R1 STORE R1, 11100 MODI 00 registro 01 memoria 10 immediato CODICI OPERATIVI ADD LOAD STORE 0111 Codice operativo Modo1 Op1 Modo2 Op2 4bit 2bit 12bit 2bit 12bit load add store

33 Il processore Come è strutturato il processore per riuscire ad eseguire i programmi in linguaggio macchina che abbiamo appena visto …. Dati e programmi sono codificati in binario e risiedono in Memoria Centrale (RAM) ad opportuni indirizzi

34 Il processore (2) Esegue il seguente ciclo ininterrottamente :
1. (fetch) legge una nuova istruzione da eseguire dalla memoria centrale 2. (decode) risale alla operazione richiesta decodificando la rappresentazione binaria 3. (execute) porta a termine l’operazione richiesta

35 Il processore: struttura base
M e m o r i a c n t l Operazione Bus controllo PC PSW Esegui M A R IR Parte controllo Bus indirizzi Registro/i coinvolti M D R R0 Esito ALU R1 Bus dati R2 ... Registri generali R16 Processore

36 Il processore struttura base (2)
PC (program counter) indica l’indirizzo di memoria della prossima istruzione da eseguire IR (Instruction register) contiene copia della codifica dell’istruzione da eseguire MAR, MDR (Memory Address Register, Memory Data Register) contengono l’indirizzo della cella di memoria che vogliamo leggere/scrivere (MAR) ed i dati da/per la memoria (MDR)

37 Il processore struttura base (3)
PSW (program status word) contiene informazioni, opportunamente codificate, sull’esito di operazioni aritmetico logiche o sull’esito di operazioni di confronto e informazioni sul funzionamento della macchina (le vedremo qundo parleremo dei sistemi operativi) ALU (Arithmetic-Logic Unit) effettua operazioni di tipo aritmetico e logico-booleano (+,-,and,or …)

38 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 1)
Indirizzo della istruzione memoria Bus controllo Operazione 40 PC PSW Esegui M A R IC 40 Parte controllo Bus indirizzi Registro/i coinvolti M D R R0 Esito ALU R1 Bus dati R2 ... Registri generali R16 Processore codifica

39 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 2)
Indirizzo della istruzione memoria Operazione Leggi! 41 PC PSW Esegui 40 IC Parte controllo 40 Bus indirizzi Registro/i coinvolti MAR M D R R0 Esito ALU R1 Bus dati R2 ... Registri generali R16 Processore codifica

40 Un esempio : ADD 2, R1 (fetch 3)
memoria Operazione 41 PC PSW Esegui 40 IC Parte controllo Bus indirizzi Registro/i coinvolti MAR R0 Esito ALU R1 Bus dati R2 MDR ... Registri generali R16 Processore

41 Un esempio : ADD 2, R1 (dec) 000110000100100001 memoria add 41 PC PSW
Esegui 40 IC Parte controllo Bus indirizzi Registro/i coinvolti MAR R0 Esito ALU R1 Bus dati R2 MDR ... Registri generali R16 Processore

42 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 1) 000110000100100001 memoria add 41 PC
PSW Esegui 40 IC Parte controllo Bus indirizzi Registro/i coinvolti MAR 00010 Esito ALU R1 Bus dati R2 MDR ... Registri generali R16 Processore

43 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 2) 000110000100100001 memoria add 41 PC
PSW Esegui 40 IC Parte controllo Bus indirizzi Registro/i coinvolti MAR 00010 Esito ALU 34 Bus dati R2 MDR ... Registri generali R16 Processore

44 Un esempio : ADD 2, R1 (exe 3) 000110000100100001 memoria 41 PC PSW 40
IC Parte controllo Bus indirizzi Registro/i coinvolti MAR 00010 Esito ALU 36 Bus dati R2 MDR ... Registri generali R16 Processore

45 Il processore : il clock ed i GHz
I vari sotto-passi che compongono l’esecuzione di una istruzione seguono algoritmi cablati nei circuiti della macchina L’esecuzione è sincrona, cioè esiste un segnale di ‘inizio della sottooperazione’ (detto tick, in quanto generato da un clock) riconosciuto da tutti i componenti La frequenza con cui viene inviato il tick è misurata in ‘numero di tick al secondo’ (Hz) nei computer attuali 1Ghz (giga hertz), ovvero uno al nanosecondo, o più

46 Il processore : nella realtà ...
La struttura è estremamente più complessa ci sono più registri interni di quelli mostrati, es Stack Pointer (SP) usato per implementare le chiamate a sottoprogrammi Vengono eseguite più attività in parallelo: pipelining : si eseguono fasi diverse di istruzioni consecutive contemporaneamente (es. fetch I3, decode I2, execute I1...) superscalari : più istruzioni sono eseguite in parallelo (duplicazione unità funzionali)

47 Il processore : nella realtà … (2)
E molto altro ancora …. Per chi è interessato Patterson Hennessy. Computer Organization and Design: The Hardware / Software Interface (3ed). Morgan and Kaufmann, 2004

48 Le memorie Cosa vorremmo : una memoria veloce
abbastanza grande da contenere tutti i dati e i programmi che servono persistente (o non volatile) cioè capace di mantenere il suo contenuto anche in assenza di alimentazione elettrica di basso costo

49 Le memorie (2) Cosa può fare la tecnologia ?
Memorie relativamente piccole (qualche centinaio di MB) e veloci, volatili, a costo medio alto RAM : lettura e scrittura nell’ordine delle decine di nanosecondi per parola Memorie grandi, molto capienti (decine di GB), persistenti e lente Dischi rigidi : lettura e scrittura nell’ordine di alcuni millisecondi per blocco (qualche KB) Nastri magnetici, CD ROM, DVD

50 Le memorie (3) I computer quindi utilizzano supporti di memorizzazione di più tipi : una memoria centrale, tipo RAM : contiene i programmi durante la loro esecuzione ed i dati relativi altrimenti il processore sarebbe per la maggior parte del tempo fermo in attesa di dati da/per la memoria una o più memorie di massa (dischi etc.) : che mantengono tutti i dati ed i programmi in attesa di essere eseguiti (in modo persistente)

51 La memoria centrale

52 Struttura di un calcolatore (ancora!)
RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

53 Struttura di una RAM elettronica
Parola : gruppo minimo di bit indirizzabili 1 . 1 2 3 4 1 00003 Bus indirizzi Decodificatore ... Indirizzo Dato letto o da scrivere Bus controllo 1 memoria Bus dati

54 Struttura di una RAM elettronica (2)
La dimensione massima della RAM è data dalla dimensione della parte indirizzi del bus al solito con N linee posso indirizzare da 0 a 2N-1 Velocità, ordine decine di nanosecondi ancora troppo lenta per i processori attuali (1 op elementare al nanosecondo o più)

55 Struttura di una RAM elettronica (3)
E allora ? Si usano memorie velocissime e molto piccole realizzate con tecnologia speciale Si usa il principio dello scaffale e della scrivania ovvero tengo impilati sulla scrivania i testi che sto consultando per la mia attività corrente se prendo un nuovo testo dallo scaffale generalmente poi lo poso per un po’ sulla scrivania in attesa che mi serva di nuovo

56 Memoria cache Memoria piccola e molto veloce Processore Cache RAM

57 Memoria cache Memoria piccola e molto veloce Processore Cache
Copia dei dati usati di recente RAM Tutti i dati

58 Memoria cache (2) Algoritmo seguito:
Il dato viene cercato prima nella cache Se è presente abbiamo finito (cache hit) Se non è presente si legge in RAM e si mette una copia nella cache (cache miss) Per le scritture generalmente si scrive la RAM e si aggiorna la copia se c’è

59 Memoria cache (3) Costo medio di un accesso :
tempo_RAM *p + tempo_cache * (1-p) p è un valore compreso nell’intervallo (0,1) ed esprime la probabilità che si verifichi un cache miss p può essere reso piccolo usando il principio di località

60 Memoria cache (4) Località temporale Località spaziale
se un programma accede una parola al tempo t è molto probabile che la stessa parola sia acceduta di nuovo a breve Località spaziale se il programma accede all’indirizzo K è molto probabile che anche gli indirizzi vicini siano acceduti a breve

61 Memoria cache (5) E se devo inserire un nuovo dato e non c’è più posto nella memoria cache? Questo accade perché le memorie cache sono molto più piccole delle RAM (< 1MB) La soluzione è sovrascrivere una posizione già in uso. Ci sono diverse strategie : di solito si sovrascrive la posizione con dati utilizzati meno di recente (strategia LRU Least Recently Used) applicando il principio di località. Nelle cache si usa con successo anche la Random

62 Memoria cache (6) I computer attuali hanno tutti 1 o più livelli di cache Si riesce ad approssimare la velocità della memoria più piccola e le dimensioni della memoria grande a prezzi contenuti

63 Le memorie secondarie

64 Struttura di un disco rigido
Hardware del disco (1) Testine (una per superfice) Braccio (direzioni movimento) 1 Superfici Struttura di un disco rigido

65 Hardware del disco (2) settore Unità minima di informazione leggibile/scrivibile Ampiezza standard: 512 byte traccia Ogni superficie è divisa in tracce concentriche (una per ogni possibile posizione della testina)

66 Struttura di un settore
preambolo dati dati ECC Codici correttori di errore : dati in più per accorgersi se la lettura è andata bene Permette alla testina di capire che sta iniziando un nuovo settore, fornisce il numero del settore etc

67 Sommario memorie CD-ROM 650 MB 10 ms ca No CD-RW DVD 17 GB 10 ms ca No
(Digital Versatile Disc)

68 Dispositivi di ingresso/uscita (I/O)
(o periferiche)

69 Struttura di un calcolatore (5)
RAM (memoria centrale) Processore bus Linee dati, indirizzi e controllo Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O Interfaccia di I/O schermo dischi mouse modem

70 La connessione dei dispositivi di I/0 (periferiche)
L’interfaccia (adapter) : traduce i segnali interni al calcolatore in modo comprensibile alla periferica mantiene informazioni sullo stato della periferica La periferica è connessa all’interfaccia tramite porte di I/O (mouse, tastiera …) oppure è integrata assieme all’interfaccia internamente al calcolatore (dischi, schede di rete)

71 La connessione dei dispositivi di I/0 (periferiche) (2)
Diversi tipi di porte : seriali (i bit arrivano uno alla volta) mouse, modem, collegamenti wireless,IR parallela (tutto il byte assieme) stampante Diversi standard per scambiare il segnale sui vari tipi di porte : seriale : RS - 232C, USB, Firewire,Bluetooth parallela : Centronics

72 La connessione dei dispositivi di I/0 (periferiche) (3)
Dati da/per la periferica Sottoprogramma per realizzare l’operazione richiesta Periferica Unità di controllo porta Registro dati Registro stato Interfaccia I/O Bus controllo Operazione / esiti Bus indirizzi Bus dati

73 La connessione dei dispositivi di I/0 (periferiche) (4)
Vari tipi di gestione delle interazioni con le periferiche a controllo di programma : il processore esegue personalmente tutti i trasferimenti dalla RAM alle periferiche e viceversa in DMA (Direct Memory Transfer) l’interfaccia può accedere direttamente alla RAM possibilità di trasferire dati mentre il processore elabora la periferica avverte quando ha finito attraverso una particolare linea di controllo del bus (interruzione)

74 L’hardware del Video (1)
Scheda grafica Segnale analogico per il dispositivo Parallel port Si usano delle schede di interfaccia speciali che effettuano tutto il calcolo necessario all’invio dei segnali analogici per il video

75 Domande ed esercizi È possibile far eseguire direttamente al processore un programma ad alto livello (C/Java)? Che differenza c’è fra linguaggio assembler e linguaggio macchina? Cosa contiene un file eseguibile? Cos’è un compilatore?

76 Domande ed esercizi (2) In cosa consiste il ciclo fetch, decode execute? Che differenza c’è fra una memoria persistente ed una volatile? Supponedo un hit-rate dell’80%, tempo di accesso alla cache di 1ns, e tempo di accesso in RAM di 70ns, calcolare il tempo medio di ogni accesso alla memoria.

77 Domande ed esercizi (3) Perché è necessario utilizzare diversi tipi di memorie all’interno della macchina? A cosa servono i registri PC ed IC del processore? Come vengono collegati i dispositivi? Fornire esempi di informazioni che vengono inviate sui diversi gruppi di linee del bus Costruire la tabella di verità di (~ a) AND (b OR c)