Architettura di un sistema informatico Hardware

Presentazione sul tema: "Architettura di un sistema informatico Hardware"— Transcript della presentazione:

1 Architettura di un sistema informatico Hardware
PARTE II Architettura di un sistema informatico Hardware Informatica Generale

2 La gerarchia di computer
Mainframe (es. IBM 3090) Grandi sistemi informativi ( 100 terminali) Supercomputer (es. CRAY T3E) Calcolo scientifico intensivo Minicomputer (es. IBM AS/400) Sistemi informativi aziendali medio/piccoli ( 10 terminali) Workstation (es. Sparcstation SUN) Applicazioni ingegneristiche, grafica Personal computer Informatica Generale

3 Funzioni e architettura
Funzioni generali di un elaboratore elaborazione dati memorizzazione dati trasferimento dei dati controllo Architettura Componenti e interconnessioni Funzioni di ciascun componente Informatica Generale

4 PC: architettura di riferimento
Macchina di Von Neumann Bus I/O int. I/O int. I/O int. . . . CPU Memoria centrale Elaborazione e controllo Memorizzazione Informatica Generale

5 Un Personal Computer (PC)
Informatica Generale

6 PC: componenti interni e periferiche
Scheda madre CPU RAM Bus Cache ROM Drive (Hard e floppy disk, CD-ROM) Schede di espansione Scheda grafica Scheda audio Modem interno Tastiera Mouse Monitor Stampanti Scanner Altoparlanti Unità disco esterne Modem esterno Informatica Generale

7 Funzione di memorizzazione
Memoria della CPU Cache RAM Memorie di massa (es. dischi) Velocità CPU Cache RAM Memorie di massa Costo/bit Informatica Generale

8 Memoria centrale (RAM)
Sequenza di elementi binari (bistabili) raggruppati in unità minime indirizzabili (celle) Elemento binario  bit Cella  word (parola) 1W corrisponde a 8, 16, 32 oppure 64 bit Dim. tipiche su PC attuali 32÷256 Mbyte (NB: in linguaggio informatico, 1K=1024, 1M=1024K, 1G=1024M) Informatica Generale

9 RAM (organizzazione logica)
32 bit 4 8 12 . 64M-4 Indirizzi (k bit) 2k  dimensione della memoria Informatica Generale

10 RAM (funzionamento) Bus Indirizzi D e c o d i f i c a t o r e 1 1 1 1
. Bus Indirizzi D e c o d i f i c a t o r e 1 1 1 1 1 . Bus di controllo R/W 1 1 1 1 Bus dati Informatica Generale

11 Caratteristiche e prestazioni
Volatilità Staticità e dinamicità SRAM vs DRAM Attualmente RAM = DRAM Tempo di accesso (770 ns) Temporizzazione del “sottosistema di memoria” (15 cicli per accesso) Velocità di trasferimento (picco: 264 528 MB/sec) Informatica Generale

12 Memoria cache Il cosiddetto CPU/RAM “bottleneck” Principi di località
spaziale temporale Memorie cache di primo e secondo livello dimensioni (64KB1MB) prestazioni (tempo di accesso  4 ns) Informatica Generale

13 Gerarchia a due livelli
Sistema di memoria L2 RAM CPU Informatica Generale

14 CPU (esecutore del linguaggio macchina)
Programmi e dati risiedono nella RAM La CPU esegue continuamente il seguente ciclo: Legge un’istruzione dalla memoria Decodifica l’istruzione Legge dalla memoria i dati utilizzati dall’istruzione Esegue l’istruzione Scrive in memoria i risultati calcolati Informatica Generale

15 Componenti della CPU Unità aritmetico logica (detta ALU)  operazioni aritmetiche e logiche Unità di controllo  ordine di esecuzione, istruzioni di “salto” Registri generali (memoria della CPU)  dati delle istruzioni aritmetico/logiche Registri speciali (Program Counter, Instruction Register, Process Status Word, Memory Address Register, Memory Data Register) Informatica Generale

16 Struttura della CPU Unità di controllo M A R IR PC PSW M D R ALU
Informatica Generale

17 Linguaggio macchina Istruzioni molto semplici, formate da un codice operativo e (al più) 2 operandi Codice operativo  azione da eseguire Operandi  dati su cui agire Codice assembly Codice macchina (vero e proprio) {<etichetta>} <codice simbolico> <op1> {<op2>} Esempi: SUB R1,R2 LOAD R,M STORE R,M Informatica Generale

18 Linguaggio macchina (2)
8 bit 8 bit 16bit Codice operativo Operando Operando2 - 256 possibili codici operativi - Operando1 denota uno fra 256 possibili registri interni alla CPU (R0  R255) - Operando2 denota un indirizzo fra 0 e 216-1 Esempio: LOAD R1 20000 Informatica Generale

19 Ciclo fondamentale della CPU (rivisto)
1) FETCH (lettura dell’istruzione all’indirizzo contenuto nel Program Counter) PC MAR RAM RAM MDR IR 2) Incremento del PC (PC := PC+4) 3) DECODE (decodifica dell’istruzione nell’Instruction Register) 4) EXECUTE (esecuzione dell’istruzione) 3a) Recupero operandi 3b) Esecuzione vera e propria 3c) Memorizzazione dei risultati 5) Torna al passo 1) Informatica Generale

20 Traduzione (o compilazione)
var x: array [1..7] of integer; var i,n,z: integer;  if x[1]<x[2] then z := x[1] else z := x[2]; for i := 3 to n do if x[i] < z then z := x[i];  Informatica Generale

21 Un primo passaggio Leggi x[1] Leggi x[2] Calcola x[1]-x[2]
Se positivo scrivi x[2] in z Se negativo scrivi x[1] in z Leggi n Scrivi 3 in i Calcola p=i-n Se p>0 vai 7 istruzioni avanti Leggi x[i], Leggi z Calcola p=x[i]-z Se p<0 scrivi x[i] in z Incrementa i di un’unità Torna 7 istruzioni indietro …………………………….. Un primo passaggio if x[1]<x[2] then z:=x[1] else z:=x[2]; for i := 3 to n do if x[i]<z then z:=x[i]; Commenti - “Leggere” significa copiare un dato dalla RAM in un registro della CPU - Il segno del risultato viene memoriz- zato in un bit del registro PSW -“vai 7 istruzioni avanti” e “torna 7 istruzioni indietro” sono comandi che modificano l’ordine di esecuzione Informatica Generale

22 Un altro passo verso il codice macchina
Copia in R1 il contenuto della cella di indirizzo x Copia in R2 il contenuto della cella di indirizzo x+4 Sottrai (il contenuto di) R2 da R1 ( s := segno(R1-R2) ) Se s=1 salta 3 istruzioni avanti ( PC := PC+8) Copia R2 nella cella (di indirizzo) x+36 Salta due istruzioni avanti ( PC := PC+4) Copia R1 nella cella x+36 Copia in R3 il contenuto della cella x+32 ……………….. Informatica Generale

23 Codice assembly Formato tipico di una istruzione:
{<etichetta>:} <codice simbolico><op1>{<op2>} load R1,x load R2,x+4 sub R1,R2 jmpneg avanti store R2,x+36 jmp piùavanti avanti: load R1,x store R1,x+36 piùavanti: load R3,x+32 …………………………. Informatica Generale

24 Programma in linguaggio macchina
…………………………………….……. Indirizzo 20000 (Inizio dati) Indirizzo 21000 (Inizio programma) Indirizzo 21024 Indirizzo 21032 Informatica Generale

25 Parametri di valutazione delle CPU
Set di istruzioni (RISC vs CISC) Frequenza dell’orologio interno di sincronizzazione (clock) (233500 MHz) Banda di elaborazione ( numero di istruzioni eseguite al secondo) Spazio di memoria indirizzabile Presenza di coprocessore matematico, memoria cache di primo livello, ecc. Informatica Generale

26 Dispositivi di memorizzazione di massa
Dischi magnetici (hard disk)  Memorizzazione “permanente” di programmi e dati Dischi magnetici (floppy disk)  Trasferimento dati fra computer Nastri magnetici  Backup dei dati Dischi ottici (CD ROM)  Distribuzione di programmi, giochi, archivi storici, ecc. Informatica Generale

27 Dischi rigidi (hard disk)
Supporti circolari magnetizzati in continua rotazione (5400  giri/min) Formato a tracce e settori (valori tipici: 400 tracce, 32 settori) Testina di lettura a movimento radiale Tempo di accesso (5  10 msec) vicino al limite fisico Capacità elevate (> 4 GB) Costo contenuto (40  150 lire/MB) Informatica Generale

28 Dischetti rimovibili (floppy disk)
Supporti circolari (diametro 3.5 o 5.25 pollici) magnetizzati, in rotazione solo al momento dell’accesso Velocità di rotazione bassa (300  360 giri/min Tempo di accesso elevato (decimi di sec.) Capacità limitata (1.44 MB) Costo unità contenuto (poche decine di migliaia di lire) Informatica Generale

29 Nastri magnetici Organizzazione sequenziale con blocchi (detti record fisici) multitraccia  Accesso sequenziale Densità di registrazione 800  6250 Byte per pollice (bpi) Tempo di accesso molto elevato (può essere dell’ordine dei minuti)  Uso per copie di sicurezza (backup) Costo elevato ( 2 Mlire per unità DAT) Informatica Generale

30 Lettori ottici (CD ROM)
Supporti circolari non riscrivibili Formato a spirale Lettura mediante raggio laser Tempo di accesso (70  100 msec) Capacità elevate in rapporto ai floppy disk ( 650 MB) Costo unità contenuto (100  500 Mlire) Informatica Generale

31 Principali unità periferiche
Dispositivi di ingresso (input) Tastiera Mouse e altri disp. di puntamento Scanner Dispositivi di uscita (output) Video Stampante Modem Informatica Generale

32 Tastiera Tasti alfanumerici (lettere e cifre, punteggiatura, parentesi) Tasti speciali: return o enter (invio), ctrl (control), esc (escape), ... Tasti direzionali: , , , , ... Tasti funzionali: F1,F2,... Informatica Generale

33 Mouse Il movimento del mouse si ripercuote nel movimento di un cursore sul video La pressione di un tasto comporta l’esecuzione di una qualche azione Mouse + interfacce grafiche sostituiscono in molti casi la tastiera Informatica Generale

34 Scanner Dispositivo per l’acquisizione di immagini (sotto forma di mappe di bit, bitmap) Informatica Generale

35 Video (display) Alfanumerici: es. 25 righe  80 caratteri
Grafici: risoluzione misurata in numero di pixel (picture element) nelle due dimensioni: es  768, 4096  4096 Pixel: bianco e nero (1 bit) o colore (es. 8 bit) Memoria RAM associata Tecnologia (raggi catodici o cristalli liquidi) Griglia di 4  4 pixel Informatica Generale

36 Stampante Stampanti ad aghi Stampanti a getto di inchiostro
Tecnica ad impatto  copie multiple Fogli singoli o modulo continuo Stampanti a getto di inchiostro Ottima qualità anche in grafica Colore a basso prezzo Stampanti laser Ottima qualità, costo elevato del colore Informatica Generale

37 Stampanti (prestazioni)
Informatica Generale

38 Modem Modulatore/demodulatore
Effettua conversioni digitale/analogico e viceversa per trasmissioni su linea telefonica Velocità tipica attuale 56Kbit/sec Informatica Generale

39 Interfaccia di I/O Scheda di interfaccia (fra bus e periferica)
Modalità di trasferimento seriale: mouse, tastiera (standard RS-232C) parallelo: stampante (standard centronics) Gestione dell’I/O a controllo di programma mediante interruzione con accesso diretto alla memoria (Direct Memory Address, o DMA) Informatica Generale

40 Esempio di gestione della stampa di una riga
A controllo di programma  Il processore invia un carattere alla scheda di interfaccia, attende che questa segnali l’avvenuta stampa, quindi invia il carattere successivo. Mediante interruzione  Il processore invia un carattere alla scheda, quindi si “occupa d’altro”. Quando la stampa termina, l’interfaccia manda un segnale di interruzione al processore per segnalare la nuova disponibilità dell’unità periferica. Con accesso diretto alla memoria  Il processore invia ad una opportuna unità DMA l’indirizzo di memoria e la lunghezza del blocco dati da stampare. L’unità DMA gestisce quindi l’I/O. Informatica Generale

41 Bus di sistema Ogni informazione fra dispositivi differenti passa attraverso il bus  È la risorsa critica per eccellenza Ha una sua temporizzazione fissa (attualmente 66 o 100 MHz) Informatica Generale