Architettura degli Elaboratori Architettura degli Elaboratori

(1)

Architetture degli Elaboratori

Corso di Corso di

Architettura degli Elaboratori Architettura degli Elaboratori

a.a. 2005/2006 a.a. 2005/2006

Linguaggi, livelli, macchine virtuali e struttura del calcolatore moderno

Matteo Baldoni Dipartimento di Informatica Università degli Studi di Torino C.so Svizzera, 185 – I-10149 Torino baldoni[at]di[dot]unito[dot]it

Livelli come astrazioni Livelli come astrazioni

Un computer è una macchina programmabile, tuttavia esso non è direttamente utilizzabile da parte degli utenti poiché richiederebbe la conoscenza sull’organizzazione fisica della specifica macchina e del suo linguaggio macchina

Ogni machina avrebbe le sue differenti caratteristiche

Il linguaggio macchina è estremamente complicato e non di facile gestione

Linguaggio Macchina

Utente

?

? ?

Livelli come astrazioni Livelli come astrazioni

In altre parole desideriamo astrarci dai dettagli fisici della macchina in oggetto e dal suo specifico linguaggio macchina

L’idea è quella di realizzare al di sopra della macchina reale una macchina virtuale astratta che abbia le funzionalità desiderate e che sia facile da utilizzare per l’utente

L’utente interagisce con la macchina virtuale, ogni comando viene poi tradotto nei

corrispondenti comandi sulla macchina fisica

La macchina virtuale è realizzata mediante software (programmi)

traduzione in LM Software

Macchina Virtuale

Utente

Linguaggio Macchina

Livelli come astrazioni Livelli come astrazioni

La macchina virtuale viene realizzata in genere mediante il software di base:

Sistema Operativo: file system, memoria, cpu, risorse ausiliarie, comunicazione

Linguaggi e ambienti di programmazione ad alto livello:

interpreti e compilatori

Non vi sono limiti al numero e al tipo di macchine virtuali che possono essere realizzate

In genere nelle macchine moderne sono strutturate su più livelli (struttura a cipolla)

Utente

Linguaggio Macchina traduzione

Software

Macchina Virtuale

(2)

Livelli come astrazioni Livelli come astrazioni

In termini un po’ più astratti, detto:

I_h l’insieme delle istruzioni che costituiscono il linguaggio LM della macchina virtuale del livello h

M_h l’insieme delle istruzioni utilizzabili al livello h, ma mascherate nei confronti dei livelli superiori

C_h l’insieme dei comandi implementati a livello h utilizzando il linguaggio macchina Ih

Il linguaggio macchina Ih+1 della macchina virtuale di livello h+1 puo’ essere definito nel modo seguente:

Ih⁺¹ = Ih + Ch - Mh

Utente

Software

h=1

h=0

Livelli come astrazioni Livelli come astrazioni

Un browser è un programma

Un browser interpreta il linguaggio HTML e visualizza le pagine sullo schermo

Per la visualizzazione delle pagine un browser che per farlo si appoggia al software di base

Il software di base si appoggia alla macchina fisica per realizzare effettivamente il “rendering” della pagina su video

Utente

BROWSER

Interpretazione Interpretazione

Interprete (JavaScript, Scheme, Prolog, php, asp):

Interazione. Più facile modificare un programma durante l'esecuzione

Sparc/Solaris

Apple Codice Sorgente

Interprete Sparc/Solaris

Interprete MacOS

Interprete Intel/GNU-Linux

Intel/GNU-Linux Intel/Windows

Interpretazione Interpretazione

Affinché le due persone di lingua diversa possano dialogare tra di loro (nel caso nessuna delle due conosca la lingua dell’altro) è necessario che qualcuno interpreti (traduca sul momento) quanto dice una persona nella propria lingua nella lingua di chi ascolta

Si interpreta quando è necessario una stretta interazione, quando si desidera dialogare e non solo trasmettere un messaggio

(3)

Traduzione o compilazione Traduzione o compilazione

Compilazione (Pascal, C, Ada, C++):Efficienza di esecuzione. Il codice generato dal

compilatore può essere ottimizzato, perché la compilazione è fatta una sola volta

Compilatore Sparc/Solaris

Compilatore MacOS

Compilatore Intel/GNU-Linux

binario binario

binario

Intel/GNU-Linux Intel/Wind

Apple Sparc/Solaris Codice Sorgente

Traduzione o compilazione Traduzione o compilazione

La traduzione è adatta per comunicare messaggio, come ad esempio una lettera

Anche per effettuare una traduzione è necessario l’intervento di qualcuno che sia in grado di comprendere le frasi di un linguaggio e riportarle in un altro ma questo può operare in tempi separati rispetto la scrittura del messaggio e la sua lettura

La lettura è più rapida e semplice, il traduttore ha senz’altro avuto tempo per meglio adattare il testo

ma si penalizza l’interattività

Soluzione mista: Java Soluzione mista: Java

Soluzione mista (Java):Portabilità. Per eseguire un programma su macchine diverse è sufficiente implementare l'interprete del linguaggio intermedio, e non tutto il compilatore

Palm Compilatore

Java

bytecode

Interprete Java/Solaris

Interprete Java/MacOS

Interprete Java/GNU-Linux

Interprete

Java/PalmOS Intel/GNU-Linux

Intel/Wind Apple Sparc/Solaris

Codice Sorgente

Panoramica del corso Panoramica del corso

Organizzazione strutturata del calcolatore

Studieremo i livelli 0, 1, 2

Nel secondo anno studierete il livello 3 e 4

Nel primo e secondo trimestre avete

incominciato a studiare il

livello 5

(4)

Panoramica del corso Panoramica del corso

Livello 0: Logico-Digitale

porte

registri

memoria

Livello 1: Microarchitettura

Arithmetic Logic Unit (ALU)

Data Path

microprogramma

Livello 2: Instruction set (ISA)

Linguaggio Macchina

Supporti architetturali

Architettura e organizzazione Architettura e organizzazione

L'insieme di tipi di dati, operazioni e caratteristiche di ogni livello si chiama architettura

Lo studio dei come progettare le parti di un sistema che sono visibili ai programmatori si chiama architettura dei calcolatori

Organizzazione, relazioni strutturali tra le unità funzionali di una data architettura (non visibile al programmatore)

Spesso il termine organizzazione è usato come sinonimo di architettura

Livelli come astrazioni Livelli come astrazioni

Ogni livello nasconde i dettagli non necessari e costituisce l'insieme di astrazioni rilevnti per il livello superiore

Ogni livello è costituito da un insieme di componenti e da un insieme di modi per combinare i componenti in strutture

Le strutture così costruite rappresentano l'astrazione realizzata dal livello e costituiscono le entità su cui si opera a livello superiore

Questo, a sua volta, le aggrega in modo da formare entità ancora più astratte per il livello soprastante.

Utente

Software

h=1

h=0

Livelli di macchine Livelli di macchine

HARDWARE E SOFTWARE SONO

LOGICAMENTE

EQUIVALENTI

(5)

Hardware

Software Software

Potremmo anche simulare

l'hardware di un intero computer via software

Un esempio è la 'vmware workstation' prodotta da

“VMWARE and EMC company”

Una virtual machine che simula l'hardware di un PC!

Hardware

Software Software

Tale software permette di installare un sistema operativo senza nessuna differenza con una installazione su un vero computer per mezzo della realizzazione di una “Virtual Infrastructure”

GNU/Linux RedHat Windows 2000

Cos'è l'informatica?

L'informatica non è l'MP3 o il DivX

L'informatica non è Windows e Office

L'informatica non è il cellulare

L'informatica non è internet o WWW

L'informatica non è il computer

L'informatica non è l'ICT (Information & Communication Technology)

??? ma allora cos'è ???

Cos'è l'informatica?

L'informatica è la scienza del calcolo:

“la determinazione con metodo sia ipotetico-deduttivo che sperimentale, nonchè l'analisi e la definizione di protocolli e motodologie di verifica valide per la costruzione di prototipi e applicazioni ingegnerizzate riguardo a tutto cio' in cui consiste la definizione di dati di ingresso e la costruzioni di soluzioni che comportino la definizione di dati di uscita”

[ACM, Association for Computing Machinery,

Syllabus dei corsi universitari di Informatica]

(6)

L'informatica è la scienza del calcolo L'informatica è la scienza del calcolo

Dati

Sequence of

Output

artihmetic and logic functions

!

L'informatica come la scienza della rappresentazione, organizzazione, elaborazione, trasformazione, comunicazione dell'informazione

Informatica

L'informatica è la scienza del calcolo L'informatica è la scienza del calcolo

Dati

Sequence of

Output

!

L'informatica è indipendente ed antecedente rispetto alla costruzione di calcolatori elettronici

!

Ovviamente, l'informatica ha ricevuto una spinta in avanti dall'elettronica (ed internet) ma è stata anche guida per l'elettronica (ed internet)

L'informatica è la scienza del calcolo L'informatica è la scienza del calcolo

Dati

Sequence of

Output

X dati iniziali

Y dati finali

F è la regola di trasformazione

Y = F ( X )

L'informatica è la scienza del calcolo L'informatica è la scienza del calcolo

Dati

Sequence of

Output

L'informatica è la scienza che studia le “F” effettivamente calcolabili”: un procedimento effettivo, concretamente eseguibile, che, in un numero finito di passi, ci dia la soluzione che cerchiamo

Processi, intuitivamente, meccanici (algoritmo: una procedura finitamente descrivibile)

Y = F ( X )

(7)

L'informatica è la scienza del calcolo L'informatica è la scienza del calcolo

!

C. Babbage [1837]: “Di quali operazioni deve essere dotata una machina per effettuare tutti i calcoli che un essere umano può teoricamente effettuare?”

!

Anni ‘30: A. Church, K.

Gödel, E. Post, A. Tarski, A.

Turing proposero, nel giro di pochi anni, un gran numero di possibili definizioni, ciascuna basata su di un particolare aspetto della nozione di funzione calcolabile, ciascuno con le sue caratteristiche

C. Babbage

A. Church

K. Gödel

A. Turing

L'informatica è la scienza del calcolo L'informatica è la scienza del calcolo

A. Church, A. Turing: “Le funzioni ricorsive (parziali) sono esattamente le funzioni calcolabili” (tesi di Church)

Le sole funzioni per cui esistono algoritmi (programmi) sono le funzioni ricorsive.

Quindi esistono decine di problemi per cui non è possibile trovare soluzioni ricorsive (es. non esiste un algoritmo per calcolare le soluzioni di qualunque equazone di grado n)

Le funzioni calcolabili sono calcolabili mediante computer!

C. Babbage

A. Church

K. Gödel

A. Turing

L'informatica è la scienza del calcolo L'informatica è la scienza del calcolo

Altro problema “impossibile” da risolvere: “Decidere se un computer si ferma (e ottiene dunque un valore) quando calcola seguendo le istruzioni di un dato programma per un dato argomento”. (Decidere se una funzione ricorsiva parziale è definita per un dato argomento)

“Se un programma che fornisce risposte a domande riguardanti la fermata di dati programmi per dati argomenti non mente mai, esso non può fornire tutte le risposte.”

“Un sistema di assiomi e regole che sia definibile mediante un programma e che non menta mai non può fornire risposte a ogni domanda riguardo i numeri”

(teorema di Gödel)

C. Babbage

A. Church

K. Gödel

A. Turing

Algoritmo Algoritmo

Un algoritmo è una sequenza di passi che sono necessari per risolvere un determinato problema: una successione finita di istruzioni che definiscono le operazioni da eseguire sui dati assegnati, per produrre risultati.

Ogni operazione definisce una azione compiuta sui dati d’ingresso per produrre dati in uscita

Marco Giovanni Alberto

Luisa Matteo

Carlo Cristina

Alberto Carlo Cristina Giovanni Luisa Matteo Marco Algoritmo di Ordinamento

Dati di Input Risultato

(8)

Algoritmo Algoritmo

"

Le parole chiave di un algoritmo sono:

#

Sequenzialita` (di azioni)

#

Numero finito di passi elementari

#

Determinismo

#

Automatismo

Codifica delle informazioni Codifica delle informazioni

Dati

Sequence of

Output

Processi, intuitivamente, meccanici (algoritmo: una procedura finitamente descrivibile)

E` necessaria una rappresentazione effettivamente maneggiabile, trattabile “meccanicamente” delle informazioni: codifica delle informazioni

Y = F ( X )

Evoluzione storica Evoluzione storica

Due sorgenti interessanti di informazione

Commemorazione del 50- esimo anniversario del calcolo moderno

http://www.computer.org/c omputer/timeline

Museo virtuale

http://www.scuola.prato.it/

dagomari/museo/htm/ingr esso.htm

http://www.dagomari.prato.it/museo/htm/ingresso.htm

(9)

http://www.dagomari.prato.it/museo/htm/ingresso.htm http://www.dagomari.prato.it/museo/htm/ingresso.htm

Vale la pena di leggere Vale la pena di leggere

La storia dell'Olivetti ELEA e del P101: quante occasioni mancate :-(

ELEA 6001

ELEA 9003

M24 P101

35 Architetture degli Elaboratori

Macchina di von Neumann Macchina di von Neumann

!

Von Neumann collaboro`

prima all'ENIAC (lenta aritmentica decimale), quindi alla macchina IAS (aritmetica binaria)

!

Cinque parti principali:

memoria, ALU, unita` di controllo e dispositivi di I/O

!

Registro accumulatore

!

E` alla base di quasi tutti i calcolatori digitali (dal 1949!)

Software vs hardware Software vs hardware

!

Programming in hardware: il programma e` codificato da una sequenza di funzioni aritmetiche e logiche implementate nell'hardware

!

Programming in software: le istruzioni servono a configurare l'hardware (general purpose) per calcolare la funzione desiderata in quel momento

!

Von Neumann: dati e istruzioni possono essere memorizzati nella stessa memoria

Programming in hardware

Dati Output

Istruzioni

Dati Output

Segnali di controllo Programming

in software

Instruction interpreter

General purpose artihmetic and logic functions

Sequence of artihmetic and logic functions

(10)

Architetture degli Elaboratori 37

Unità funzionali Unità funzionali

Unità di elaborazione e controllo (CPU):

interpretazione ed esecuzione delle istruzioni. Unità operativa (ALU) e di controllo

responsabile del coordinamento di tutte le attività. Registri: memoria temporanea ad alta velocità

Memoria: contenitore di istruzioni e dati (in forma binaria). L'interpretazione dà luogo all'esecuzione dello specifico codice di istruzione.

Dati e istruzioni sono di per sé indistinguibili ma dipende dal modo in cui si leggono e

interpretano i bit Architetture degli Elaboratori ₃₈

Unità funzionali Unità funzionali

L'unità di controllo legge le istruzioni della memoria centrale e ne determina il tipo

Sistema di ingresso e uscita:

l'insieme dei dispositivi per comunicare con il modo esterno e con l'utente.

L'informazione in ingresso e uscito è sempre in forma codificata

Un sistema di interconnessione per collegare le varie unità funzionali

PDP-8: introduzione del bus PDP-8: introduzione del bus

1995-1965: seconda generazione, transistor

PDP-8 della DEC introduce per la prima volta un bus singolo, un insieme di fili usato per collegare i componenti di un calcolatore

Sotto-bus Sotto-bus

Aumentare l'efficenza:

Bus degli indirizzi (dalla CPU verso la memoria)

Bus dei dati (dalla CPU dalla memoria e viceversa)

Bus dei controlli (comandi in genere provenienti dalla

CPU)

(11)

Organizzazione dei primi PC ('80) Organizzazione dei primi PC ('80)

IBM '81

Industry Standard Architecture (ISA), 16 bit dati e 24 bit indirizzi

Organizzazione recente dei PC Organizzazione recente dei PC

Gerarchia di bus collegati tra di loro da bridge per soddisfare diverse necessità di velocità di trasferimento e compatibilità con gli standard

North bridge e South bridge (bridge PCI-ISA)

AGP (accelerated graphics port), PCI (peripheral componet interconnect, periferiche ad alta velocità), EIDE (enhanced integrated device electronics), USB (universal serial bus)