Architettura dei calcolatori Architettura dei calcolatori

Architettura dei calcolatori Architettura dei calcolatori

Moreno Marzolla

Dipartimento di Informatica—Scienza e Ingegneria (DISI) Università di Bologna https://www.moreno.marzolla.name/

Cap. 2 dispensa

Cos'è un computer?

● È un dispositivo in grado di

– Elaborare dati

– Memorizzare dati

– Trasferire dati da e verso l'esterno

– Eseguire operazioni di controllo e coordinamento tra le parti di cui è composto

I/O

Controllo

Elaborazione Memoria Ambiente

Esterno

Architettura di von Neumann

● Dati e programmi sono rappresentati allo stesso modo (da sequenze di bit) e contenuti nella stessa memoria

János Lajos Margittai Neumann, 1903—

Architettura dei calcolatori 5

Struttura di un calcolatore:

Architettura di von Neumann

Processore

(CPU) Memoria Sottosistema

di interfaccia (I/O)

Bus di sistema

Esegue le istruzioni elementari richieste dai programmi

Mantiene Dati e

Programmi Permette di comunicare dati e programmi alla macchina e di ottenere i risultati (tastiera, scheda audio, stampante, schermo, mouse...)

Elaborazione + Controllo

Memorizzazione

Trasferimento dati

Architettura a Bus

● Semplicità

– Una sola linea di connessione cui è possibile collegare più dispositivi, anziché un nuovo collegamento per ogni coppia di dispositivi che devono interagire tra loro

● Estensibilità

– Nuovi dispositivi possono essere aggiunti in modo semplice

● Standardizzazione

– È possibile definire normative che consentono a dispositivi di produttori diversi di interagire correttamente

● Limitata capacità

– Al crescere del numero dei dispositivi, il bus diventa un fattore limitante (collo di bottiglia) delle prestazioni del sistema

Memoria e CPU

ALU

R₀ R₁

R_N-1

PC

PSW IR

Memoria (RAM) Memoria

(RAM)

Bus _Controllo^{IndirizziDati}

Controllo

Memoria

Processore

(CPU) Memoria Sottosistema

di interfaccia

Bus di sistema

RAM (Random Access Memory)

● La RAM è una sequenza di byte

● Ogni byte è identificato dalla sua posizione

(indirizzo di memoria)

– byte 0, byte 1, byte 2, ...

● Alcune CPU sono in grado di accedere ai singoli byte;

altre accedono a parole (es., gruppi di 4 Byte)

Indirizzo

0 12 3 4 56 7 8 910 11 12 1314 15 16 1718

Parola 8 bit = 1 byte

Unità di misura

Per spazio disco e banda di rete si è soliti usare la base 10

● 1 kilobyte (1 kB)

– 1000 B

● 1 megabyte (1 MB)

– 1000² = 1.000.000 B

● 1 gigabyte (1 GB)

– 1000³ B

● 1 terabyte (1 TB)

– 1000⁴ B

Per quantità di RAM si è soliti usare la base 2

● 1 kibibyte (1 KiB)

– 1024 B

● 1 mebibyte (1 MiB)

– 1024² = 1.048.576 B

● 1 gibibyte (1 GiB)

– 1024³ = 1.073.741.824 B

● 1 tebibyte (1 TiB)

– 1024⁴ =

1.099.511.627.776 B

Esempio: lettura byte all'indirizzo 0110₂

Memoria Memoria

Bus Controllo = Read

Dati

Indirizzi = 0110

Indirizzo Contenuto

0 00001010

1 10101000

2 00000000

3 00000000

4 01010010

5 11110000

6 01011010

… ...

ALU

R₀ R₁

R_N-1

PC

PSW

IR Controllo

Esempio: lettura byte all'indirizzo 0110₂

Memoria Memoria

Bus Controllo = Read

Dati = 01011010 Indirizzi = 0110

Indirizzo Contenuto

0 00001010

1 10101000

2 00000000

3 00000000

4 01010010

5 11110000

6 01011010

… ...

ALU

R₀ R₁

R_N-1

PC

IR Controllo

Esempio: scrittura di 00000101₂ all'indirizzo 0110₂

Memoria Memoria

Bus Controllo = Write

Dati = 00000101 Indirizzi = 0110

Indirizzo Contenuto

0 00001010

1 10101000

2 00000000

3 00000000

4 01010010

5 11110000

6 00000101

… ...

ALU

R₀ R₁

R_N-1

PC

PSW

IR Controllo

Architettura di von Neumann

Processore

(CPU) Memoria Sottosistema

di interfaccia (I/O)

Bus di sistema

Hard Disk meccanici

● Negli hard disk meccanici i dati vengono memorizzati in tracce concentriche sulle superfici di dischi

magnetici rotanti

● Un blocco composto da testine di lettura/scrittura

"sorvola" tutte le superfici per accedere ai dati richiesti

By Eric Gaba, Wikimedia Commons user Sting, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11278668

Asse di rotazione

Movimento delle testine

Hard disk meccanico vs hard disk a stato solido (SSD)

● Gli hard disk a stato solido sono generalmente più veloci di quelli meccanici

– non hanno parti in movimento

...ma sono anche più costosi, quindi meno capienti a parità di prezzo

L'utente che ha caricato in origine il file è stato Rochellesinger di Wikipedia in inglese - Trasferito da en.wikipedia su Commons da ivob., CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5832378

Architettura di von Neumann

Processore

(CPU) Memoria Sottosistema

di interfaccia (I/O)

Bus di sistema

CPU

ALU

R₀ R₁

R_N-1

PC IR

Memoria Memoria

Bus _Controllo^{IndirizziDati}

Controllo

Componenti della CPU

● Un certo numero N di registri di uso generale R₀...R_N-1

– Di solito, ma non necessariamente, un registro contiene 32 bit = 1 parola

● PC (Program Counter)

– Indica l'indirizzo di memoria che contiene la prossima istruzione da eseguire

● IR (Instruction Register)

– Contiene il codice numerico che rappresenta l'istruzione che deve essere eseguita

● PSW (Program Status Word)

– Informazioni sullo stato del programma (es: se l'ultima operazione aritmetica ha causato overflow, se l'ultima operazione aritmetica ha dato zero come risultato, ...)

Ciclo Fetch-Decode-Execute

Fetch

Decode

Execute

Preleva dalla memoria l'istruzione da eseguire;

l'istruzione viene letta dall'indirizzo di memoria che si trova in PC; il contenuto viene posto in IR

Esamina l'istruzione memorizzata in IR per decidere quali operazioni richiede

Esegue l'istruzione memorizzata in IR, incluso il recupero dalla memoria degli eventuali parametri necessari ad eseguirla, e deposito del risultato.

Aggiorna il PC per la prossima istruzione.

Tipi di istruzioni

● Istruzioni Aritmetico-Logiche

– Esempio: Somma il contenuto di Ri al contenuto di Rj;

memorizza il risultato nel registro Rk

● Istruzioni di controllo del flusso di esecuzione

– Esempio: Salta ad eseguire l'istruzione il cui codice è contenuto nella cella di memoria all'indirizzo M

● Istruzioni di letture/scrittura di memoria

– Esempio: Copia il valore del byte/della parola in memoria all'indirizzo M nel registro Ri

● Istruzioni di Input/Output

– Esempio: Invia il contenuto del registro Ri al dispositivo di I/

O numero z

Formato di una istruzione

● Le istruzioni sono rappresentate da sequenze di bit

– In alcuni processori ogni istruzione è codificata con 4 Byte = 32 bit = 1 parola

– Altri (es., Intel x86) rappresentano istruzioni diverse con un diverso numero di byte

● Se le istruzioni sono codificate con 32 bit, l'IR deve essere ampio esattamente 32 bit

● All'interno dei 32 bit, occorre indicare:

– Il tipo di istruzione da eseguire (somma, prodotto, salto, confronto, copia da memoria...)

– Gli eventuali parametri dell'istruzione (quali registri sono coinvolti, quali locazioni di memoria sono coinvolte, ecc.)

Esempio

● Una ipotetica istruzione di somma

“Somma i valori contenuti nei registri Ri e Rj; poni il risultato nel registro Rk”

● Supponiamo di avere 256 possibili registri

● Una possibile codifica dell'istruzione è la seguente:

ADD Ri, Rj, Rk

00000001 8 bit 8 bit 8 bit

Codice istruzione i j k

Esempio

00000001 00011100 00000010 10000000

1 Byte 1 Byte 1 Byte 1 Byte 1 parola = 4 Byte

Istruzione=

ADD

Primo Addendo:

Registro 28

Secondo Addendo:

Registro 2

Risultato va nel

ALU

37₁₀ 21₁₀

1000₁₀

Controllo

Memoria Memoria R2

R28

R128

PC IR PSW

00000001₂

1000₁₀

00011100₂

1001₁₀

00000010₂

1002₁₀

10000000₂

1003₁₀

00000110₂

1004₁₀

00100110₂

1005₁₀

01000110₂

1006₁₀

10110110₂

1007₁₀

Indirizzo Contenuto 32 bit = 1 parola Esempio

ALU

37₁₀ 21₁₀

1000₁₀

Controllo

Memoria Memoria R2

R28

R128

PC IR PSW

00000001₂

1000₁₀

00011100₂

1001₁₀

00000010₂

1002₁₀

10000000₂

1003₁₀

00000110₂

1004₁₀

00100110₂

1005₁₀

01000110₂

1006₁₀

10110110₂

1007₁₀

Indirizzo Contenuto 32 bit = 1 parola Fetch

ALU

37₁₀ 21₁₀

1000₁₀

00000001000111000000001010000000 Controllo

Memoria Memoria R2

R28

R128

PC IR PSW

00000001₂

1000₁₀

00011100₂

1001₁₀

00000010₂

1002₁₀

10000000₂

1003₁₀

00000110₂

1004₁₀

00100110₂

1005₁₀

01000110₂

1006₁₀

10110110₂

1007₁₀

Indirizzo Contenuto 32 bit = 1 parola Fetch

ALU

37₁₀ 21₁₀

1000₁₀

00000001000111000000001010000000 Controllo

Memoria Memoria R2

R28

R128

PC IR PSW

00000001₂

1000₁₀

00011100₂

1001₁₀

00000010₂

1002₁₀

10000000₂

1003₁₀

00000110₂

1004₁₀

00100110₂

1005₁₀

01000110₂

1006₁₀

10110110₂

1007₁₀

Indirizzo Contenuto

32 bit = 1 parola Decode

ADD

ALU

37₁₀ 21₁₀

58₁₀

1000₁₀

00000001000111000000001010000000 Controllo

Memoria Memoria R2

R28

R128

PC IR PSW

00000001₂

1000₁₀

00011100₂

1001₁₀

00000010₂

1002₁₀

10000000₂

1003₁₀

00000110₂

1004₁₀

00100110₂

1005₁₀

01000110₂

1006₁₀

10110110₂

1007₁₀

Indirizzo Contenuto 32 bit = 1 parola Execute

ADD

ALU

37₁₀ 21₁₀

58₁₀

1004₁₀

00000001000111000000001010000000 Controllo

Memoria Memoria R2

R28

R128

PC IR PSW

00000001₂

1000₁₀

00011100₂

1001₁₀

00000010₂

1002₁₀

10000000₂

1003₁₀

00000110₂

1004₁₀

00100110₂

1005₁₀

01000110₂

1006₁₀

10110110₂

1007₁₀

Indirizzo Contenuto 32 bit = 1 parola Fetch

Esempio

● Ipotetica istruzione di trasferimento registro → memoria

“Copia il contenuto del registro Ri a partire dalla cella di memoria di indirizzo m”

● Una possibile codifica

STORE Ri, m

00000010 8 bit 16 bit

Codice istruzione i m

Domanda

● Considerando l'istruzione STORE Ri,m rappresentata come sopra, quanto grande può essere la memoria

accessibile all'istruzione?

● Risposta

– L'indirizzo m della destinazione è espresso con 16 bit

– L'intero più grande rappresentabile con 16 bit è 2¹⁶-1 = 65535

– Quindi la memoria massima indirizzabile con l'istruzione

00000010 8 bit 16 bit

Codice istruzione i m

Domanda

● La CPU di un computer ha il registro PC di 20 bit e una memoria RAM di 2²⁰ B (1 MiB). È possibile

aumentare la memoria RAM destinata all'esecuzione dei programmi senza cambiare la CPU?