Architettura dei calcolatori

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Architettura dei calcolatori

Paolo Bison

Fondamenti di Informatica Ingegneria Meccanica

Università di Padova A.A. 2008/09

Architettura dei calcolatori, Paolo Bison, FI08, 2008-09-29 – p.1

Architettura

struttura e funzionalità di un calcolatore

hardware

software

Hardware

macchina di von Neumann

^a

I M O

CC CA

R R

CA central arithmetic I input CC central control O output

C CA+CC R outside recording medium M memory

aJ. von Neumann, First Draft of a Report on the EDVAC, 1945.

Neumann rivista

memoria centrale

memoria secondaria o ausiliaria

Central Processing Unit

Input Output

...

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Memoria

dispositivo per la memorizzazione di informazione

programmi

dati in ingresso

dati intermedi

risultati

struttura e modalità di accesso

Struttura della memoria

insieme di M elementi di memoria (celle, parole)

rappresentazione binaria bit (0,1)

dimensione elemento di memoria

4 (nibble), 8 (byte), 16, 32, 64, ..., 1024, ...

dimensione M della memoria

kilobyte KB 1024

¹

1024

megabyte MB 1024

²

1.048.576 gigabyte GB 1024

³

1.073.741.824 terabyte TB 1024

⁴

1.099.511.627.776

Modalità di accesso

lettura/scrittura delle celle

ad accesso casuale

indirizzo associato ad ogni cella

RAM (Random Access Memory)

tempo di accesso costante

sequenziale

per accedere al n-esima cella, si deve accedere alle n-1 precedenti

tempo di accesso variabile M−1 M−2 0 1 2

Memoria centrale

primaria

tecnologia al silicio

tipo RAM

accesso veloce

memorizzazione temporanea

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Memoria secondaria

memorizzazione permanente

accesso lento

differenti tecnologie

magnetica (disco rigido, nastro)

ottica (disco)

accesso

ad indirizzo (disco)

sequenziale (nastro)

Disco rigido

Nastro Centrale vs. secondaria

centrale secondaria

accesso veloce lento

costo alto basso

dimensione bassa elevata

memorizzazione temporanea permanente

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CPU

individua ed esegue le istruzioni del programma

moduli funzionali

Control Unit (CU)

Arithmetic and Logic Unit (ALU)

Floating Point Unit (FPU)

Cache

Clock

registri

celle di memoria per funzioni parti- colari

Istruzioni macchina

repertorio di istruzioni che la CPU sa eseguire

specifico per ogni tipo di CPU

categorie

trasferimento dati

operazioni aritmetiche e logiche

salti

codifica binaria

programma eseguibile

sequenza finita di istruzioni macchina

Control Unit

governa il funzionamento della CPU

registri

Program Counter (PC)

Instruction Register (IR)

ciclo di esecuzione

fetch

decode

execute

Unità di calcolo

ALU

esegue calcoli aritmetici e logici

FPU

esegue calcoli su numeri in formato floating point

registri

data registers

address registers

status registers

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Cache e Clock

cache

memoria tampone veloce interna alla CPU

memoria

centrale cache CPU

clock

modulo per la temporizzazione e sincronizzazione del calcolatore

Input/Output

dispositivi di interfaccia tra il calcolatore e il mondo esterno

interfaccia con l’utente

collegamenti con altri apparati (computer)

Interfaccia con l’utente

codifica/decodifica dell’informazione

input

tastiera

mouse

output

video

stampante

Collegamenti con altri apparati

bidirezionali

modem

interfaccia di rete (NIC)

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Software

sistema operativo

software di base

software utente

UTENTE BASE

HW OS

Sistema operativo

software per la gestione del calcolatore

funzionalità

astrazione ed indipendenza dai dispositivi fisici

•

drivers

gestione risorse

•

processore

•

memoria centrale

•

memoria secondaria

esecuzione dei programmi (processi)

Gestione risorse

processore

multiprogrammazione

memoria centrale

spazio di memoria per il singolo processo

memoria virtuale

memoria secondaria

file system

Multiprogrammazione

più processi in esecuzione contemporaneamente

esecuzione in parallelo (“come se”)

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Memoria singolo processo

allocazione di memoria per il processo

protezione dagli accessi indesiderati

OS P1

P2 P3

Memoria virtuale

meccanismo per simulare una memoria centrale di dimensione maggiore di quella esistente utilizzando porzioni di memoria secondaria (disco)

swap area

File system - generalità

gestione dei file

file sequenza finita di bit individuata da un nome

nome sequenza finita di caratteri alfanumerici

interpretazione del contenuto

significato della sequenza di bit

•

testo

•

immagine

•

...

non univoca, può dipendere dal contesto

estensione nel nome

foto.jpeg lettera.txt libro.doc dati.tar.gz

magic number

primi n bit del file ne codificano il tipo

File system - funzionalità

gestione automatica e trasparente del supporto di memorizzazione

operazioni sui file

creazione

identificazione

accesso

modifica

cancellazione

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File system - struttura

file il cui contenuto viene interpretato come elenco di altri file

struttura ad albero

pb/

|-- dati/

| |-- dati1.dat

| ‘-- dati2.dat

|-- lettere/

| |-- fisco.doc

| ‘-- personali/

| |-- fisco.doc

| ‘-- love.doc

‘-- tmp/

File system - individuazione file

pathname

percorso dalla radice attraverso le sottodirectory fino al file

sequenza dei nomi separati da un carattere speciale

UNIX= / DOS= \

assoluto vs. relativo

•

root madre di tutte le directory

•

directory corrente

esempi

/pb/dati/dati1.dat

\pb\lettere\fisco.doc personali\fisco.doc fisco.doc

Software base

software per facilitare l’uso del calcolatore

programmi

interfaccia utente (UI)

sviluppo software

comandi file system

produttività individuale

rete

librerie

matematiche

grafiche

Interfaccia utente

gestisce l’interazione dell’utente con il sistema

grafica

sistemi a finestre

testuale

linea di comando (CLI)

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Comandi file system

programmi per la gestione del file system

UNIX DOS

cd cd

cp copy

ls dir

mkdir mkdir

mv ren

pwd -

rm del

rmdir rmdir - undelete

Sviluppo software

programmi per lo sviluppo di altri programmi

editor

assembler

compilatori e interpreti

macchina virtuale

Software utente

software (programmi/librerie) sviluppato dall’utente

basato sulle funzionalità fornite dal sistema operativo e dal software di base

ciclo di sviluppo

→ scrittura/modifica

↑ ⇓

← compilazione

↑ ⇓

← esecuzione

Assembler (ASM)

assembly

istruzioni macchina espresse in forma mnemonica

LOAD

STORE

ADD

JUMP

converte codice assembly in istruzioni macchina

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High Level Languages (HLL)

astrazione del modello di calcolo

indipendenza dalla piattaforma hardware

maggiore leggibilità e comprensibilità

traduzione in linguaggio macchina

programma sorgente −→ programma eseguibile

Compilatore vs. interprete

compilatore

converte l’intero programma sorgente nel corrispondente programma eseguibile

interprete

converte ed esegue immediatamente una ad una le istruzioni del programma sorgente

Virtual Machine (VM)

combinazione di compilazione ed interpretazione

si compila in un codice intermedio che poi viene interpretato Java Virtual Machine