Le Infrastrutture Hardware

(1)

Le infrastrutture

Hardware:

architettura

Corso di Informatica

CdL:

Chimica

Claudia d'Amato

[email protected] [email protected]

(2)

Interconnessione

Il calcolatore:

modello concettuale

1. Elaborazione

2. Memorizzazione

3. Comunicazione

(interfaccia)

(3)

1. Elaborazione

Interconnessione

2. Memorizzazione

3. Comunicazione

(interfaccia)

Unità Centrale di Elaborazione Memoria Elettronica Memoria Magnetica

Il calcolatore:

modello architetturale

Periferiche Collegamenti (BUS/Cavi)

(4)

Lo schema di riferimento

ALU Interfaccia di I/O Video/tastiera (terminale) Memoria di massa dati controllo indirizzi BUS Interfaccia di I/O Memoria CPU PC Registri

(5)

Lo schema di riferimento

Memoria di massa Bus dati Bus indirizzi Bus di controllo CPU RAM Scheda madre (motherboard) Interfaccia di I/ O Schermo

Tastiera e mouse _Altoparlanti Interfacce

(6)

Scheda madre

Zoccolo per Zoccolo per la CPU la CPU Connettori Connettori per la per la memoria memoria Connettori per Connettori per schede di I/O schede di I/O aggiuntive aggiuntive Connettori per Connettori per dischi fissi dischi fissi

(7)

CPU – Central Processing Unit

Unità Centrale di Elaborazione

(8)

Collegamento a BUS



Semplicità

• un’unica linea di connessione  costi ridotti di produzione



Estendibilità

• aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice



Standardizzabilità

• regole per la comunicazione da parte di dispositivi diversi



Lentezza

• utilizzo in mutua esclusione del bus



Limitatà capacità

• al crescere del numero di dispositivi collegati



Sovraccarico del processore (CPU)

(9)

Organizzazione tipica di un

calcolatore “bus oriented”

CPU Memoria_centrale

Bus Unità di controllo Unità aritmetico logica (ALU) Registri CPU Terminale Unità disco Stampante Dispositivi di I/O

(10)

L’ “esecutore”

 Un calcolatore basato sull’architettura di Von NeumannUn calcolatore basato sull’architettura di Von Neumann esegue esegue

un programma sulla base dei seguenti

un programma sulla base dei seguenti principiprincipi::

• dati e istruzioni memorizzati in una memoria unica che permette sia la

scrittura che la lettura;

• i contenuti della memoria sono indirizzati in base alla loro posizione, indipendentemente dal tipo di dato o istruzione contenuto;

• le istruzioni sono eseguite in modo sequenziale.

 Il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore è detto Il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore è detto

linguaggio macchina

linguaggio macchina. Le istruzioni scritte in linguaggio macchina . Le istruzioni scritte in linguaggio macchina sono piuttosto rudimentali:

sono piuttosto rudimentali:

• il concetto di tipo di dato è quasi assente,

• il numero di operandi è limitato (in genere non più di due), • il numero di operazioni previste è ridotto.

00011 00010 00001 000000 00000 100000 Linguaggio macchina R03 R02 R01 add Linguaggio assemblatore src2 src1 dest codice operativo Struttura istruzione

(11)

L'esecuzione dei Programmi

Quando

Quando istruzioni e dati di un programma

istruzioni e dati di un programma

da

_da

elaborare

elaborare sono in memoria

sono in memoria

, la CPU

, la

CPU

esegue

, fino

alla

alla terminazione

terminazione

del programma, le fasi

del programma,

le fasi

:



Fetch

: estrazione di una istruzione dalla

memoria



Decode

: identificazione dell'istruzione da

eseguire



Execute

: esecuzione dell'istruzione (incluso

: esecuzione dell'istruzione (

incluso

recupero dalla memoria degli operandi o

modifica della successione delle istruzioni)

(12)

Ciclo

Fetch–Decode–Execute

_{Fetch–Decode–Execute}

Fetch

Decode

(13)

Le parti di una CPU

 Data pathData path (o (o percorso dei datipercorso dei dati): ): si occupa dell’effettiva _{si occupa dell’effettiva}

elaborazione dei dati

elaborazione dei dati; comprende; comprende

• una o più unità aritmetico-logiche (ALU - Arithmetic Logic Unit); • i registri, memoria ad alta velocità usate per risultati

temporanei e informazioni di controllo

 Unità di controlloUnità di controllo

• coordina le operazioni del processore (compreso data path!); • regola il flusso dei dati e indica quali registri debbano essere

collegati agli ingressi e all’uscita dell’ALU;

• invia all’ALU il codice dell’operazione da eseguire;

• riceve indicazioni sull’esito dell’operazione appena eseguita dall’ALU e gestisce opportunamente queste informazioni;

• comprende alcuni registri di uso specifico

• Program Counter (PC) – qual è l’istruzione successiva;

(14)

CPU

 In grado di eseguire solo istruzioni In grado di eseguire solo istruzioni

codificate in

codificate in linguaggio macchinalinguaggio macchina

 Ciclo Fetch – Decode - ExecuteCiclo Fetch – Decode - Execute

1. Prendi l’istruzione corrente dalla memoria (quella individuata dal contenuto del PC) e mettila nell’IR (Instruction Register),

contemporaneamente incrementa il Program Counter (PC) in modo che contenga l’indirizzo dell’istruzione successiva (fetch)

2. Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode)

3. Se l’istruzione usa dei dati presenti in memoria, determinane la posizione;

4. Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU; 5. Esegui l’istruzione (execute)

(15)

Tre tipologie di istruzioni



Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati)

• Somma, Sottrazione, Divisione, … • And, Or, Xor, …

• Maggiore, Minore, Uguale, Minore o uguale, …



Controllo del flusso delle istruzioni

• Sequenza

• Salto condizionato o non condizionato (per realizzare selezioni e cicli)



Trasferimento di informazione

• Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria

• Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di ingresso/uscita (attraverso le relative interfacce)

(16)

Miglioramento Prestazioni CPU

Per migliorare le prestazioni di una CPU si può:

1.

1. Ridurre

Ridurre

il tempo

il

tempo

necessario per l'esecuzione

necessario per

l'esecuzione

delle singole

delle singole istruzione

istruzione

1. Aumento delle frequenze dei processori →

riduzione del tempo di ciclo di istruzione

2. Introduzione della

memoria cache

2.

2. Aumentare il numero di istruzioni da

_{Aumentare il numero di istruzioni da}

eseguire contemporaneamente (in parallelo)

(17)

CPU Pipeline



La fase execute della 1a istruzione è eseguita

parallelamente alla fase decode della 2a istruzione



La fase decode delle seconda istruzione è eseguita

parallelamente alla fase fetch della terza istruzione



Numero di istruzioni eseguite durante il tempo di

esecuzione di un singolo ciclo di istruzione è <= 3



In generale

, l'incremento della velocità di

esecuzione dovuta al pipelining è <= numero di fasi

della pipeline

• è uguale al numero di fasi della pipeline se la durata

degli stadi è perfettamente bilanciata)

(18)

CPU Pipeline: Esempio...

10 ns 20 ns 30 ns 40 ns 50 ns 60 ns 0 1 2 3 4 5

Istr.1 Istr.2 Istr.3 Istr.4 Istr.1 Istr.1 Istr.1 Istr.1 Istr.2 Istr.2 Istr.2 Istr.2 Istr.3 Istr.3 Istr.3 Istr.4 Istr.4 Istr.5 Istr.5 Istr.6 Stad io

(19)

...CPU Pipeline: Esempio

0 1 2 3 4 5 Istr.i Istr.i+1 Istr. i Istr.i Istr.i Istr.i+1 Istr.i+1 Istr.i+2 Istr.i+2 Istr.i+3 Istr.i+3 Istr.i+4 Istr.i+4 Istr.i+5 Stad io

Istr.i-4 Istr.i-3 Istr.i-2

Istr.i-2 Istr.i-2 Istr.i-1 Istr.i-3 Istr.i-1 Istr.i-1 Istr.i-1 Istr.i Istr.i+1 Istr.i+3 Istr.i+2 Istr.i+2 Istr.i+1

(20)

La memoria

(21)

La memoria: Funzioni



Supporto alla CPU

: deve fornire

: deve

fornire

alla CPU dati e

alla CPU

dati e

istruzioni il più rapidamente possibile



Archivio

: deve consentire di archiviare dati e

programmi

programmi garantendone

garantendone

la conservazione

la

conservazione

e la

reperibilità

anche dopo elevati periodi di tempo



Diverse esigenze:

• velocità per il supporto alla CPU

• non volatilità ed elevate dimensioni per l’archivio



Diverse tecnologie

• elettronica: veloce, ma costosa e volatile

• magnetica e ottica: non volatile ed economica, ma molto lenta

(22)

La memoria centrale

(23)

La memoria centrale (RAM)



Mantiene al proprio interno i dati e

le istruzioni dei programmi in esecuzione



Memoria ad accesso “casuale”



Tecnologia elettronica

• veloce ma volatile e costosa



Due “eccezioni”

• ROM: elettronica ma permanente e di sola lettura

• Flash: elettronica ma non volatile e riscrivibile

(24)

Indirizzi di memoria



I bit nelle memorie

I bit nelle

memorie

sono raggruppati in

sono raggruppati

in

celle

:

• tutte le celle sono formate dallo stesso numero di bit;

• una cella composta da k bit, è in grado di contenere una qualunque tra 2k combinazioni diverse di bit.



Ogni cella ha un

indirizzo

:

• serve come accesso all’informazione;

• in una memoria con N celle gli indirizzi vanno da 0 a N–1.

(25)

Organizzazione della memoria



Anche gli indirizzi della memoria sono

rappresentati come numeri binari

:

• un indirizzo di M bit consente di indirizzare 2M celle;

• il numero di bit nell’indirizzo determina il numero

massimo di celle indirizzabili nella memoria ed è

indipendente dal numero di bit per cella (una memoria con 212 celle richiede sempre 12 bit di indirizzo, quale che sia

la dimensione di una cella).



Una memoria può essere organizzata in diversi

modi:

• con 96 bit possiamo avere 6 celle di 16 bit (6*16=96), o 8 celle di 12 bit (8*12=96) o 12 celle di 8 bit (12*8=96).

(26)

Organizzazione della memoria

0 1 2 3 4 5 6 parole da 16 bit 0 1 2 3 4 5 6 7 8 parole da 12 bit 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 parole da 8 bit

(27)

Memoria vs. CPU



Le CPU

Le

CPU

sono sempre state più

sono sempre state

più

veloci

delle memorie

delle

memorie

• nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità.



L’accesso

L’

accesso

alla memoria passa attraverso

alla memoria passa

attraverso

il bus

il

bus

• la frequenza di funzionamento del bus è molto più bassa

di quella della CPU;



È possibile fare memorie

È possibile fare

memorie

molto

veloci

se stanno nel

chip della CPU, ma

chip della CPU, ma sono piccole

sono piccole

e costose

e

costose

== I

==

I

REGISTRI

(28)

Memoria centrale – Chip



S

ingle

I

nline

M

emory

M

odule

(SIMM

(

SIMM

)

• 30/72 pin sullo stesso lato della scheda; • trasferimento dati a 8/32 bit per volta; • utilizzabili “a coppie”.



Dual In-line Memory Module (DIMM

Dual In-line Memory Module (

DIMM

)

• 168 pin su due lati; • 64 bit alla volta;

• utilizzabili anche singolarmente



RIMM

• 184 pin

(29)

La memoria di massa

(magnetica)

(30)

Una gerarchia di memoria

Ottenuta per “generalizzazione” dell’applicazione

del principio di

del principio di località

località

e tipicamente costituita da

1. registri contenuti nella CPU (qualche KB)

2. cache (da circa 32KB a circa 1024KB)

3. memoria principale (da circa 64MB a qualche GB)

4. dischi fissi (da qualche GB a qualche TB)

5. nastri magnetici e dischi ottici (da qualche GB a qualche TB per ogni supporto)

Man mano che ci si sposta verso il basso nella

gerarchia aumenta il valore dei parametri

fondamentali:

• aumenta il tempo di accesso;

• aumenta la capacità di memorizzazione;

(31)

Una gerarchia di memoria

C P U Registri Cache I liv Cache II liv Cir cu it o In te gr at o (c h ip ) RAM Sc h ed a m ad re ( m ot he rb oa rd )

Disco fisso (hard disk)

tecnologia magnetica In vo lu cr o es te rn o de l ca lc ol at or e (c as e) Supporti esterni

(32)

Dischi magnetici



Sono piatti

Sono

piatti

d’alluminio (o di altro materiale)

ricoperti di

ricoperti di materiale ferromagnetico

materiale ferromagnetico

.



Fattore di forma

(diametro)

• sempre più piccolo (consente velocità di rotazione maggiori);

• 3.5 pollici per i sistemi desktop e fino a 1 pollice per i mobili.



Testina

di un disco (strumento di lettura/scrittura)

• è sospesa appena sopra la superficie magnetica

• scrittura: il passaggio di corrente positiva o negativa attraverso la testina magnetizza la superficie

• lettura: il passaggio sopra un’area magnetizzata induce una corrente positiva o negativa nella testina.

(33)

Tracce e settori

 TracciaTraccia (track)(track): sequenza circolare di bit scritta mentre il : sequenza circolare di bit scritta mentre il disco compie una rotazione completa

disco compie una rotazione completa

 SettoreSettore (sector)(sector): parte di una traccia corrispondente a un : parte di una traccia corrispondente a un settore circolare del disco

settore circolare del disco

 FormattazioneFormattazione: operazione che predispone tracce e settori : operazione che predispone tracce e settori per la lettura/scrittura

(34)

Tracce

e

settori

Tracce Spazi tra tracce Spazi tra record Settore

(35)

Testina di lettura/scrittura (una per superficie) Superficie 6 Superficie 5 Superficie 4 Superficie 3 Superficie 2 Superficie 1 Superficie 0 Superficie 7 Direzione del movimento

Schema di un Hard Disk

(36)

Memorie Flash

 Funzioni:Funzioni:

• trasferimento dati (la

capacità dei floppy è limitata); • archiviazione dati “sensibili”.

 Tecnologia elettronica non Tecnologia elettronica non

volatile

• bassi consumi

• piccole dimensioni

• capacità dai 256MB ai 4GB

 File system come per i File system come per i

dischi

• Il sistema operativo gestisce l’accesso come se fossero dischi;

(37)

La memoria di massa

(ottica)

(38)

Dischi ottici

 Lettura ottica basata sulla riflessione (o sulla mancata Lettura ottica basata sulla riflessione (o sulla mancata

riflessione) di un raggio laser.

 Densità di registrazione più alte dei dischi magneticiDensità di registrazione più alte dei dischi magnetici..

 Creati in origine per registrare i programmi televisivi, poi Creati in origine per registrare i programmi televisivi, poi

usati come dispositivi di memoria nei calcolatori.

 Diversi tipi/caratteristicheDiversi tipi/caratteristiche

• CD-ROM • CD-R • CD-RW • DVD • DVD-RAM • …

(39)

Digital Versatile Disk (DVD)



Evoluzione tecnologica



maggior

densità dei dati

:

• pit più piccoli (0.4 vs. 0.8 µm);

• spirale più serrata (0.74 vs. 1.6 µm); • laser rosso (0.65 vs. 0.78 µm).



Caratteristiche dei DVD

• capacità di 4.7 GB

• 133 minuti di video fullscreen MPEG-2 ad alta risoluzione (720 x 480) con colonna sonora in 8 lingue e sottotitoli in altre 32;