La CPU inserita nella architettura dell’elaboratore

(1)

Università degli studi di Parma Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Informatica – a.a. 2012/13

Informatica Facoltà di Medicina Veterinaria

a.a. 2012/13

prof. Stefano Cagnoni

Architettura del calcolatore (parte II)

Informatica 2012/2013

La CPU inserita nella architettura dell’elaboratore

- 2 - Memorie di Massa

• Hard Disk

• Floppy

• CD-ROM

• Tape

Dispositivi di I/O

• Tastiera

• Mouse

• Schermo

• Stampante

LAN (Local Area Network)

CPU

Cache L1 Cache L2 RAM BIOS

Controllori B U S

Motherboard

Caratteristiche del collegamento a BUS

 Semplicità

un’unica linea di connessione  costi ridotti di produzione

 Estendibilità

aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice

 Standardizzazione

stesse regole per la comunicazione fra dispositivi diversi

 Lentezza

utilizzo in «mutua esclusione» del bus (un dispositivo alla volta)

 Limitatà capacità

al crescere del numero di dispositivi collegati

 Sovraccarico del processore (CPU) perchè funge da master sul controllo del bus

- 3 - Informatica 2012/2013

Al centro dell’architettura

- 4 -

Central Processing Unit (CPU) + Memoria

Compito della CPU: Eseguire i comandi contenuti nella memoria Architettura di Von Neumann Architettura Harvard

CPU

Memoria Istruzioni + dati

CPU ^Memoria_dati

Memoria controlli

(2)

Architettura di Von Neumann della CPU

- 5 -

ALU: Arithmetic Logic Unit:

- Esegue le operazioni aritmetico-logiche.

ACC: Accumulatore:

- Immagazzina dati in ingresso e uscita all'ALU.

M e m o r i a

CPU

Architettura di Von Neumann della CPU

- 6 -

PC: Program Counter - Memorizza l'indirizzo della istruzione da eseguire.

IR: Instruction Register - Memorizza il codice dell'istruzione da eseguire.

DR: Data Register – Memorizza i dati provenienti e diretti alla memoria.

AR: Address Register - Memorizza gli indirizzi da comunicare alla memoria.

Alcuni registri importanti:

M e m o r i a

Il ciclo macchina

 Un ciclo in cinque passi:

1. Fetch istruzione 2. Decodifica istruzione 3. Fetch Dati

4. Esecuzione Istruzione 5. Restituzione Risultato

Unità di controllo

 Implementa il ciclo macchina direttamente via hardware

 I suoi circuiti recuperano un’istruzione dalla memoria ed eseguono le altre operazioni del ciclo

• un’istruzione tipica ha la forma:

ADD 2000, 2080, 4000

• quest’istruzione richiede che i numeri memorizzati nelle locazioni 2000 e 2080 siano sommati e che il risultato sia inserito nella locazione 4000

• il passo di Fetch Dati deve estrarre i due valori; dopo aver effettuato la somma il passo Restituzione Risultato inserirà la somma nella locazione 4000

- 8 -

(3)

Unità Aritmetico/Logica (ALU)

 Esegue tutti i calcoli

 Generalmente è utilizzata nel passo del ciclo macchina denominato Esecuzione Istruzione

 Un circuito nell’ALU può sommare due numeri

 Altri circuiti sono dedicati a moltiplicazione, confronto, ecc.

 Le istruzioni di puro trasferimento dei dati non usano l’ALU

 Il passo del ciclo macchina Fetch Dati recupera i valori necessari all’ALU (operandi)

 Quando l’ALU ha completato l’operazione, il passo Restituzione Risultato trasferisce il risultato (somma o prodotto o altra operazione) dall’ALU (meglio, da un accumulatore) ad un indirizzo specificato nell’istruzione

Principio del programma memorizzato

 Come fare per recuperare la prossima istruzione?

 Il programma deriva da un algoritmo, che elenca le operazioni in sequenza

 Di solito (>90% dei casi) l’istruzione da eseguire è la prossima, quindi è sufficiente inserire le istruzioni in memoria in sequenza

 Altrimenti: JUMP <indirizzo>

 Questa istruzione macchina consente di saltare nell’esecuzione ad un indirizzo arbitrario in memoria

 Altre istruzioni consentono di effettuare salti condizionati in base ad un risultato precedente

- 10 -

Il Program Counter

 Come fa il computer a determinare qual è l’istruzione successiva da eseguire? (più in dettaglio)

 L’indirizzo dell’istruzione successiva è memorizzato nell’unità di controllo ed è chiamato Program Counter (PC)

 Dato che le istruzioni occupano 4 byte di memoria, l’istruzione successiva dovrebbe essere PC + 4

 Il PC è incrementato di 4, così, quando il ciclo macchina ritornerà al passo Fetch Istruzione, il PC starà già

"puntando" all’istruzione successiva

- 11 - Informatica 2012/2013

Istruzioni di salto

 L’istruzione può includere l’indirizzo dell’istruzione successiva. Questo modifica il PC che invece di aggiungere 4 automaticamente, "salta" alla locazione specificata

 Il PC viene quindi sovrascritto nel passo di Esecuzione Istruzione con il dato specificato come operando

 Il successivo Fetch farà riferimento alla istruzione a tale indirizzo

- 12 -

(4)

Interpretazione delle istruzioni

 E’ il processo di esecuzione di un programma

• il computer interpreta i comandi tradotti nel linguaggio macchina

 Stato della CPU prima del fetch di una istruzione di ADD:

- 13 - Informatica 2012/2013

Interpretazione delle istruzioni

 L’esecuzione comincia trasferendo dalla memoria all’unità di controllo l’istruzione contenuta all’indirizzo specificato dal PC

- 14 -

Interpretazione delle istruzioni

 I bit dell’istruzione sono copiati nel circuito decodificatore (IR) dell’unità di controllo

 Una volta fatto questo, il PC può essere configurato per il recupero dell’istruzione successiva

- 15 - Informatica 2012/2013

Interpretazione delle istruzioni

 Nel passo Decodifica Istruzione, l’ALU è configurata per eseguire l’operazione desiderata

 Il decodificatore troverà gli indirizzi dei dati in ingresso (operandi sorgente)

• la maggior parte delle istruzioni contiene gli indirizzi di due operandi sorgente (come ADD)

• questi indirizzi sono passati al circuito che li recupera durante il passo successivo, Fetch Dati

 Il decodificatore estrae l’indirizzo di destinazione per il passo Restituzione Risultato e lo inserisce in un apposito registro

 Il decodificatore determina quali operazioni l’ALU dovrà eseguire e la configura in modo appropriato

- 16 -

(5)

Decodifica istruzione e fetch dati

- 17 - Informatica 2012/2013

Interpretazione delle istruzioni

 Esecuzione Istruzione: è il passo in cui sono

effettivamente eseguiti i calcoli. Nel caso dell’istruzione ADD, il circuito effettua la somma dei due operandi sorgente

- 18 -

Interpretazione delle istruzioni

 Restituzione Risultato: restituisce il risultato

dell’elaborazione nella locazione di memoria specificata dall’indirizzo di destinazione

 Una volta concluso questo passo, il ciclo ricomincia

- 19 - Informatica 2012/2013

Set di istruzioni

 E’ l’insieme di istruzioni elementari di una CPU

 I computer possono eseguire solo circa 100 istruzioni diverse (come ordine di grandezza)

• circa 20 tipi di operazioni distinte (ma servono istruzioni diverse per sommare byte, parole di memoria, numeri decimali ecc.)

• processori RISC (Reduced Instruction Set Computer) e CISC (Complex Instruction Set Computer)

 Si tratta di operazioni estremamente elementari

 Tutto ciò che chiediamo al computer deve essere ricondotto a una combinazione di queste operazioni primitive, supportate direttamente dall’hardware

- 20 -

(6)

Esempi di altre istruzioni

 Oltre ad ADD, MULT (moltiplicazione) e DIV (divisione), altri esempi di istruzioni includono:

• lo spostamento (shift) dei bit di una parola di memoria verso destra o verso sinistra, riempiendo gli spazi che si vengono a creare con degli zeri e buttando via i bit che “traboccano”

• il calcolo dell’AND logico, che verifica se due bit valgono entrambi 1, o dell’OR logico, che verifica se almeno uno di essi vale 1 (operazioni applicate in parallelo a tutti i bit di due parole)

• il test che appura se un singolo bit vale zero o no, e salta a un nuovo blocco di istruzioni a seconda del risultato

• lo spostamento dei dati da un’area all’altra della memoria

• la ricezione di segnali dai dispositivi di input e la scrittura in quelli di output

- 21 - Informatica 2012/2013

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

• Selezione semplice, a due vie, a n vie, …

• Ciclo a condizione iniziale, ciclo a condizione finale, …

 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)

- 22 -