I Computer I Computer

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I Computer I Computer

Come si è giunti alle moderne scelte Come si è giunti alle moderne scelte

architetturali.

Michelangelo Lamonica

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Ambientazione Ambientazione

Il presente documento è progettato per Il presente documento è progettato per

introdurre ad una visione complessiva introdurre ad una visione complessiva

dello sviluppo della tecnologia dello sviluppo della tecnologia

attualmente presente sul mercato . attualmente presente sul mercato .

Esso è di compendio alle attività didattiche Esso è di compendio alle attività didattiche tradizionali ed è destinato a studenti che tradizionali ed è destinato a studenti che

stanno terminando il corso di studi di stanno terminando il corso di studi di

scuola superiore.

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Prerequisiti Prerequisiti

 Avere comprensione della terminologia Avere comprensione della terminologia tecnica legata ai Personal Computer.

tecnica legata ai Personal Computer.

 Avere interesse nel comprendere il Avere interesse nel comprendere il percorso storico che ha portato alla percorso storico che ha portato alla

attuale tecnologia.

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Obiettivi Obiettivi

 Dare il quadro storico dello sviluppo della Dare il quadro storico dello sviluppo della tecnologia legata ai Processori.

tecnologia legata ai Processori.

 Permettere di comprendere le scelte Permettere di comprendere le scelte

tecnologiche relativamente tali tecnologie.

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Materiale Materiale

 Materiale Cartaceo disponibile Materiale Cartaceo disponibile

 Slides in PowerPoint® Slides in PowerPoint®

 Bibliografia Bibliografia

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Si parte ….

Mettetevi Mettetevi

comodi …..

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L’osso di Lupo L’osso di Lupo

Risale al 30000 a.c. un osso di lupo in cui sono state incise 55 tacche a gruppi di 5.

Si pensa sia stato impiegato come base di calcolo (in base 5 … come le dita).

Rappresenta il primo tentativo (conosciuto) dell’essere umano di sistematizzare l’universo dei numeri, primo passo per il dominio Rappresenta il primo tentativo (conosciuto) dell’essere umano di sistematizzare l’universo dei numeri, primo passo per il dominio

dei dati e delle informazioni.

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L’abaco L’abaco

La prima macchina calcolatrice risale a La prima macchina calcolatrice risale a

5000 anni fa, e permetteva di eseguire 5000 anni fa, e permetteva di eseguire

calcoli utilizzando le perline che scorrono calcoli utilizzando le perline che scorrono

sulla tastiera.

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La Pascalina La Pascalina

Molto dopo Blaise Pascal (1623-1662), Molto dopo Blaise Pascal (1623-1662),

figlio diciottenne di un esattore delle figlio diciottenne di un esattore delle

tasse francese, inventa la calcolatrice ad tasse francese, inventa la calcolatrice ad

ingranaggi.

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Caratteristiche Caratteristiche

 usava otto ingranaggi mobili usava otto ingranaggi mobili

 somma numeri fino ad otto cifre somma numeri fino ad otto cifre

 I numeri erano in base 10 I numeri erano in base 10

 Utilizza ruote dentate ( a 10 denti ) Utilizza ruote dentate ( a 10 denti )

 Utile solo per le addizioni !!!!!!! Utile solo per le addizioni !!!!!!!

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Difference Engine ed Difference Engine ed

Analitycal Machine Analitycal Machine

““I wish to God these calculations had been executed by steam”I wish to God these calculations had been executed by steam”

Il matematico inglese Charles Babbage (1791-1871) presentò una Il matematico inglese Charles Babbage (1791-1871) presentò una

macchina per le equazioni differenziali, detta “Difference Machine”.

L'assistente di Babbage, Augusta Ada King, figlia del poeta inglese Lord L'assistente di Babbage, Augusta Ada King, figlia del poeta inglese Lord Byron, fu la prima programmatrice della storia creando una routine di Byron, fu la prima programmatrice della storia creando una routine di istruzioni della Analitical Machine, precursore del moderno Calcolatore.

istruzioni della Analitical Machine, precursore del moderno Calcolatore.

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Caratteristiche Caratteristiche

 Alimentate a vapore Alimentate a vapore

 grandi quanto una locomotiva grandi quanto una locomotiva

 Dotate di oltre 50000 componenti Dotate di oltre 50000 componenti

 Input con schede perforate Input con schede perforate

 Archivio di memoria per 1000 numeri Archivio di memoria per 1000 numeri

 La La

Analitical Machine Analitical Machine

conteneva anche conteneva anche un'unità di elaborazione con un'unità di un'unità di elaborazione con un'unità di controllo che consentiva di processare controllo che consentiva di processare

istruzioni in ogni sequenza.

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Nota Storica Nota Storica

Nel 1889, un inventore americano, Herman Hollerith Nel 1889, un inventore americano, Herman Hollerith

(1860-1929), applicò il concetto delle schede (1860-1929), applicò il concetto delle schede

perforate al censimento degli Stati Uniti (che fu perforate al censimento degli Stati Uniti (che fu

terminato in sei settimane invece dei 10 anni terminato in sei settimane invece dei 10 anni

previsti !!!!).

Hollerith nel 1886 fondò la

Hollerith nel 1886 fondò la Tabulating Machine Tabulating Machine Company

Company che divenne che divenne International Business International Business Machine

Machine (IBM) nel 1924. (IBM) nel 1924.

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Differencial Analyzer Differencial Analyzer

Il prof Vannevar Bush ed altri docenti del MIT progettano il Il prof Vannevar Bush ed altri docenti del MIT progettano il

“Differential Analyzer”, il primo calcolatore di uso pratico

“Differential Analyzer”, il primo calcolatore di uso pratico alimentato elettricamente.

alimentato elettricamente.

Da questo momento in poi, i prototipi di macchinari computazionali Da questo momento in poi, i prototipi di macchinari computazionali

si susseguono quasi annualmente fino ai giorni nostri.

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Evoluzione Evoluzione

Da allora si susseguono

Da allora si susseguono una serie di scoperte e una serie di scoperte e

innovazioni che portano all’affinamento delle tecniche innovazioni che portano all’affinamento delle tecniche

per la realizzazione dei computer.

Il problema principale dell’epoca era l’eccessivo Il problema principale dell’epoca era l’eccessivo

ingombro dei macchinari dovuto essenzialmente alla ingombro dei macchinari dovuto essenzialmente alla

difficoltà di rappresentazione dei numeri e delle difficoltà di rappresentazione dei numeri e delle

relazioni tra questi.

Il problema fu risolto realizzando Computer tramite la Il problema fu risolto realizzando Computer tramite la

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Nota Storica Nota Storica

 Il sistema Binario era noto già in Cina nel 1100 a.c.Il sistema Binario era noto già in Cina nel 1100 a.c.

 Il gesuita padre Bouvet descrive per corrispondenza tale sistema a Il gesuita padre Bouvet descrive per corrispondenza tale sistema a Leibnitz

Leibnitz

 Leibnitz (fine 1600) realizza che qualsiasi informazione può essere Leibnitz (fine 1600) realizza che qualsiasi informazione può essere formalizzata in binario.

formalizzata in binario.

 Il matematico Boole (fine 1800) costruisce la sua logica sul lavoro di Il matematico Boole (fine 1800) costruisce la sua logica sul lavoro di Leibnitz.

Leibnitz.

 Nel 1931 il tedesco Zose costruisce il primo computer Nel 1931 il tedesco Zose costruisce il primo computer elettromeccanico sulla logica binaria (Relè)

elettromeccanico sulla logica binaria (Relè)

 Nel 1939 l’americano Atanasoff realizza il primo computer elettronico Nel 1939 l’americano Atanasoff realizza il primo computer elettronico sulla logica binaria (Valvole)

sulla logica binaria (Valvole)

 Negli anni ’50 von Neumann formalizza l’architettura ancora oggi Negli anni ’50 von Neumann formalizza l’architettura ancora oggi utilizzata.

utilizzata.

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La architettura La architettura

Negli anni ’50 von Neumann definisce la architettura dei Negli anni ’50 von Neumann definisce la architettura dei

Computer; tale architettura è tutt’ora alla base dei moderni Computer; tale architettura è tutt’ora alla base dei moderni

Calcolatori.

In particolare, viene definita la la distinzione tra memoria In particolare, viene definita la la distinzione tra memoria

primaria (ROM) e secondaria (RAM), e lo stile di primaria (ROM) e secondaria (RAM), e lo stile di programmazione mediante diagrammi di flusso.

programmazione mediante diagrammi di flusso.

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Considerazioni Considerazioni

Da quanto fino ad ora visto:

 Dall’inizio dei tempi si comprende che operazioni Dall’inizio dei tempi si comprende che operazioni

complesse possono essere scomposte in operazioni complesse possono essere scomposte in operazioni

semplici ripetute un numero elevato di volte.

 Lo sforzo degli scienziati è quello di utilizzare le scoperte Lo sforzo degli scienziati è quello di utilizzare le scoperte tecnologiche per potenziare i calcolatori (dalle ruote dentate tecnologiche per potenziare i calcolatori (dalle ruote dentate

alle valvole fino ai circuiti integrati) utilizzando una alle valvole fino ai circuiti integrati) utilizzando una

architettura definita a grandi linee già del 1600 architettura definita a grandi linee già del 1600

 Ai calcolatori viene tutt’ora chiesto di realizzare cose Ai calcolatori viene tutt’ora chiesto di realizzare cose semplici, ma in quantità tale da poter poi effettuare semplici, ma in quantità tale da poter poi effettuare

operazioni molto complesse.

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Le generazioni Le generazioni

Prima Generazione (1945-1956) Prima Generazione (1945-1956)

 Valvole TermoionicheValvole Termoioniche

Seconda Generazione (1956-1963) Seconda Generazione (1956-1963)

 TransistorTransistor

Terza Generazione (1964-1971) Terza Generazione (1964-1971)

 Circuiti IntegratiCircuiti Integrati

Quarta Generazione (1971-Oggi) Quarta Generazione (1971-Oggi)

 Integrazione su larga scalaIntegrazione su larga scala

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I moderni Processori I moderni Processori

Tralasciando le realizzazioni effettuate nelle precedenti Tralasciando le realizzazioni effettuate nelle precedenti

generazioni, viene di seguito riproposto un “excursus” sulle generazioni, viene di seguito riproposto un “excursus” sulle scelte legate alla realizzazione dei processori della “quarta scelte legate alla realizzazione dei processori della “quarta

generazione”.

In particolare risulta interessante comprendere come non In particolare risulta interessante comprendere come non sempre il prodotto migliore è risultato vincente subito e sempre il prodotto migliore è risultato vincente subito e

come, architetture diverse, sono state valutate e scelte in come, architetture diverse, sono state valutate e scelte in

base a motivazioni “storiche” che hanno condizionato base a motivazioni “storiche” che hanno condizionato

l’attuale stato di fatto.

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Problemi di Spazio Problemi di Spazio

Studi effettuati da informatici come

Studi effettuati da informatici come Andrew TanenbaumAndrew Tanenbaum dimostrarono che le CPU prodotte allora erano molto dimostrarono che le CPU prodotte allora erano molto

sovradimensionate rispetto alle reali esigenze dei sovradimensionate rispetto alle reali esigenze dei

programmi.

Tanenbaum dimostrò che il 98% delle costanti in un Tanenbaum dimostrò che il 98% delle costanti in un

programma poteva essere memorizzato con parole di 13 bit programma poteva essere memorizzato con parole di 13 bit

sebbene la maggior parte delle CPU utilizzasse parole a sebbene la maggior parte delle CPU utilizzasse parole a

multipli di 8 bit (quindi 8/16/24 etc.) e quindi sprecasse multipli di 8 bit (quindi 8/16/24 etc.) e quindi sprecasse

spazio.

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Anni ’80 – Il Panico Anni ’80 – Il Panico

All'inizio degli anni 80 si era diffusa l'idea che l'architettura dei All'inizio degli anni 80 si era diffusa l'idea che l'architettura dei processori avesse raggiunto il suo limite teorico di velocità.

processori avesse raggiunto il suo limite teorico di velocità.

Da qui lo sforzo di trovare nuove tecnologie e tecniche in Da qui lo sforzo di trovare nuove tecnologie e tecniche in

grado di realizzare processori che potessero superare tale grado di realizzare processori che potessero superare tale

limite.

Le direzioni prese furono:

 La realizzazione di un processore con un set ridotto di La realizzazione di un processore con un set ridotto di operazioni base (RISC)

operazioni base (RISC)

 La realizzazione di architetture parallele (TRANSPUTER)La realizzazione di architetture parallele (TRANSPUTER)

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Il problema l’integrazione Il problema l’integrazione

Dunque con la realizzazione di processori su Circuiti Integrati Dunque con la realizzazione di processori su Circuiti Integrati viene evidenziata agli inizi degli anni ’80 la necessità di non viene evidenziata agli inizi degli anni ’80 la necessità di non

poter aumentare ulteriormente la scala di integrazione e di poter aumentare ulteriormente la scala di integrazione e di

conseguenza non poter garantire il trend di crescita conseguenza non poter garantire il trend di crescita

prefissato.

Per tal motivo i tecnici in quel periodo si realizzano i primi Per tal motivo i tecnici in quel periodo si realizzano i primi

processori RISC (Berkeley 1980) che, tramite la processori RISC (Berkeley 1980) che, tramite la

combinazione di un numero finito di funzioni, riescono a combinazione di un numero finito di funzioni, riescono a

gestire tutte le operazioni richieste.

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CISC e RISC CISC e RISC

CISC (Complex Instruction Set Computers) è la architettura CISC (Complex Instruction Set Computers) è la architettura che prevede all’interno del processore la realizzazione di che prevede all’interno del processore la realizzazione di

una grande quantità di funzioni.

RISC (Reduced Instruction Set Computers) è la architettura RISC (Reduced Instruction Set Computers) è la architettura che prevede all’interno del processore la realizzazione di che prevede all’interno del processore la realizzazione di solo una minima quantità di funzioni, le quali, combinate, solo una minima quantità di funzioni, le quali, combinate,

permettono la realizzazione di operazioni complesse.

(le uniche operazioni in grado di accedere alla memoria sono le operazioni di load e di store)(le uniche operazioni in grado di accedere alla memoria sono le operazioni di load e di store)

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La evoluzione sul mercato.

Dopo un decennio ( 1980-1989 ) di studio si colma il divario e Dopo un decennio ( 1980-1989 ) di studio si colma il divario e

all'inizio degli anni 90 i processori RISC superano i all'inizio degli anni 90 i processori RISC superano i

processori CISC praticamente in ogni campo.

Tuttavia scelte commerciali portano la INTEL ( e la AMD ) a Tuttavia scelte commerciali portano la INTEL ( e la AMD ) a continuare a mantenere una architettura CISC, prefendo continuare a mantenere una architettura CISC, prefendo

demandare ai compilatori la scomposizione delle istruzioni demandare ai compilatori la scomposizione delle istruzioni

complesse in istruzioni più semplici (RISC) complesse in istruzioni più semplici (RISC)

Attualmente – tranne il mondo x86 - la restante componente di Attualmente – tranne il mondo x86 - la restante componente di

processori è RISC. (i-pod, decoder tv, x-box, etc ) processori è RISC. (i-pod, decoder tv, x-box, etc )

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Parallelizzazione Parallelizzazione

Contemporaneamente alla realizzazione di processori RISC, Contemporaneamente alla realizzazione di processori RISC,

un’altra direzione - per ovviare al problema della un’altra direzione - per ovviare al problema della

saturazione della velocità raggiungibile - fu quella della saturazione della velocità raggiungibile - fu quella della

parallelizzazione delle operazioni.

Una CPU a basso costo, pensata in quest'ottica, avrebbe Una CPU a basso costo, pensata in quest'ottica, avrebbe

permesso di aumentare la velocità di calcolo di una permesso di aumentare la velocità di calcolo di una macchina aggiungendo altri processori simili, scelta macchina aggiungendo altri processori simili, scelta

potenzialmente molto più economica di una basata su un potenzialmente molto più economica di una basata su un

singolo e più potente processore.

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I Trasputer I Trasputer

Il INMOS Transputer era un pionieristico design di un Il INMOS Transputer era un pionieristico design di un

microprocessore per il calcolo parallelo prodotto dalla microprocessore per il calcolo parallelo prodotto dalla INMOS, una piccola azienda inglese, negli anni '80.

INMOS, una piccola azienda inglese, negli anni '80.

L'obiettivo era di produrre una famiglia di chip, limitati in L'obiettivo era di produrre una famiglia di chip, limitati in

costo e potenza, che avrebbero potuto poi essere costo e potenza, che avrebbero potuto poi essere

connessi tra loro per formare un computer completo.

Il nome era stato scelto per indicare il ruolo che il singolo Il nome era stato scelto per indicare il ruolo che il singolo Transputer avrebbe avuto: molti di loro sarebbero stati Transputer avrebbe avuto: molti di loro sarebbero stati usati come "mattoni di base", proprio come i transistor usati come "mattoni di base", proprio come i transistor lo erano stati precedentemente.

lo erano stati precedentemente.

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Set di Istruzioni Interne Set di Istruzioni Interne

Il set di istruzioni macchina del Trasputer conteneva Il set di istruzioni macchina del Trasputer conteneva

la codifica dell'istruzione, rendendolo un vero la codifica dell'istruzione, rendendolo un vero

RISC.

Inoltre le istruzioni meno frequentemente utilizzate Inoltre le istruzioni meno frequentemente utilizzate erano supportate tramite la codifica di istruzioni erano supportate tramite la codifica di istruzioni chiamata Operate (Opr), la quale decodificava la chiamata Operate (Opr), la quale decodificava la

costante di dati come un codice di operazione costante di dati come un codice di operazione

esteso, fornendo un'espansione del set di esteso, fornendo un'espansione del set di

istruzione facile e quasi infinita.

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OCCAM OCCAM

Per la programmazione dei transputer, la Per la programmazione dei transputer, la

INMOS ha progettato un linguaggio INMOS ha progettato un linguaggio

apposito, chiamato Occam.

In effetti è più corretto dire che il Transputer fu In effetti è più corretto dire che il Transputer fu

progettato specificatamente per eseguire progettato specificatamente per eseguire

codice Occam, come molti processori CISC codice Occam, come molti processori CISC

dell'epoca erano pensati per eseguire Pascal dell'epoca erano pensati per eseguire Pascal o C.o C.

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La evoluzione sul mercato.

Nel 1983 esce in commercio il primo trasputer Nel 1983 esce in commercio il primo trasputer

la cui architettura e performances erano la cui architettura e performances erano

nettamente superiori a “cugini” x86.

Nel 1987 esce il T9000, dotato di virgola Nel 1987 esce il T9000, dotato di virgola

mobile e supporto alla “superscalarità”.

Nel 1989 il progetto fallisce e la INMOS viene Nel 1989 il progetto fallisce e la INMOS viene

acquisita dalla SGS-Thomson.

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Considerazioni.

Nei primi anni '80 sembrava che le CPU Nei primi anni '80 sembrava che le CPU

convenzionali avessero raggiunto il loro convenzionali avessero raggiunto il loro

limite riguardo alle performance.

Le soluzioni proposte (RISC e TRASPUTER) Le soluzioni proposte (RISC e TRASPUTER)

benchè realizzassero forti miglioramenti non benchè realizzassero forti miglioramenti non

avevano fatto i conti con:

 Diffusione della architettura x86 (Diffusione della architettura x86 (^CISC^CISC))

 Costo del processore prodotto (Costo del processore prodotto (^TRASPUTER^TRASPUTER))

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Considerazioni.

I problemi ipotizzati nel 1980 (integrazione) si I problemi ipotizzati nel 1980 (integrazione) si

sono riproposti 15 anni dopo.

Gli studi effettuati in quegli anni sono stati Gli studi effettuati in quegli anni sono stati dunque elaborati ed applicati ai moderni dunque elaborati ed applicati ai moderni

processori.

A tendere, le innovazioni introdotte negli anni A tendere, le innovazioni introdotte negli anni

’80 sono riuscite ad imporsi.

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RISC in maniera Software RISC in maniera Software

I moderni processori x86 - pur mantenendo ( I moderni processori x86 - pur mantenendo (^per^per

compatibilità con le versioni precedenti

compatibilità con le versioni precedenti) una architettura ) una architettura CISC – lasciano ai compilatori la

CISC – lasciano ai compilatori la

scomposizione delle istruzioni complesse in scomposizione delle istruzioni complesse in

istruzioni più semplici (RISC).

I nuovi x86 a 64 bit prevedono una ISA I nuovi x86 a 64 bit prevedono una ISA

ottimizzata in questa direzione.

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Parallelizzazione nei x86 Parallelizzazione nei x86

La parallelizzazione dei processi è stata anche La parallelizzazione dei processi è stata anche

essa rielaborata ed utilizzata nei moderni essa rielaborata ed utilizzata nei moderni

processori.

Il compito di “parallelizzare” non viene però Il compito di “parallelizzare” non viene però

demandato al programmatore ma al S.O. che demandato al programmatore ma al S.O. che

gestisce più core in parallelo.

Di nuovo viene preferita la compatibilità con Di nuovo viene preferita la compatibilità con

quanto presente attualmente sul mercato.

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Cosa abbiamo tralasciato.

La analisi ivi proposta è ad alto livello e non La analisi ivi proposta è ad alto livello e non

tiene conto delle innovazioni avvenute nello tiene conto delle innovazioni avvenute nello

stesso periodo a livello di integrazione.

Il numero di transistor presenti sui chip varia Il numero di transistor presenti sui chip varia

in maniera incrementale secondo la nota in maniera incrementale secondo la nota

“legge di Moore”

Finchè il trend di integrazione non varia Finchè il trend di integrazione non varia

(diminuendo) le architetture non avranno (diminuendo) le architetture non avranno

sensibili variazioni.

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Bibliografia Bibliografia

Von Neumann

Von Neumann http://it.wikipedia.org/wiki/John_von_Neumannhttp://it.wikipedia.org/wiki/John_von_Neumann

Sist. Binario

Sist. Binario http://ithttp://it..wikipedia.wikipedia.orgorg/wiki/wiki/Sistema_numerico_binario/Sistema_numerico_binario

C.P.U.

C.P.U. http://ithttp://it..wikipedia.wikipedia.orgorg/wiki/wiki/CPU/CPU

Integrazione

Integrazione http://en.wikipediahttp://en.wikipedia..orgorg/wiki/wiki//Very-Very-largelarge-scale_integration-scale_integration Trasputer

Trasputer http://http://itit..wikipediawikipedia..orgorg//wikiwiki/INMOS_/INMOS_TransputerTransputer X86X86 http://http://itit..wikipediawikipedia..orgorg//wikiwiki/Architettura_x86/Architettura_x86 ISAISA http://it.wikipedia.org/wiki/Instruction_sethttp://it.wikipedia.org/wiki/Instruction_set Legge

Legge didi Moore Moore http://it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_Moorehttp://it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_Moore