Architettura degli Elaboratori - Barbara Masucci a.a. 2017/2018 Classe 2: matricole congrue ad 1 - Unisa

Architettura
degli Elaboratori
              a.a. 2017/2018
    Classe 2: matricole congrue ad 1

  Barbara Masucci

Docente
Barbara Masucci
   Ø http://www.di.unisa.it/professori/masucci
   Ø bmasucci@unisa.it
   Ø studio 43, quarto piano, stecca 7
   Ø Dipartimento di Informatica

Orario ricevimento (a partire da Ottobre)
   Ø Martedì: 14:00 – 16:00
   Ø Giovedì: 14:00 – 15:00

Informazioni sul corso
ØDurata: 72 ore (9 CFU)
   Ø 56 ore di lezione (7 CFU)
   Ø 16 ore di esercitazione (2 CFU)

ØOrario lezioni:
   Ø Lunedì: 11:00 – 13:00, aula P4
   Ø Martedì: 11:00 – 13:00, aula P4
   Ø Giovedì: 11:00 – 13:00, aula P4

ØHome-page del corso:
   Ø http://www.di.unisa.it/professori/masucci/Architettura1718

Testi di riferimento
                                D. A. Patterson , J. L. Hennessy
                    Struttura e progetto dei calcolatori, IV ed.
                                            Zanichelli Ed., 2014

F. Preparata
Introduzione alla organizzazione e progettazione
di un elaboratore elettronico
Franco Angeli Ed., 2012

Esami
L'esame prevede una prova scritta e una prova orale

Sono previsti sei appelli (+ due straordinari), di cui:

Ø Tre appelli nel periodo 8 Gennaio – 23 Febbraio 2018
   Ø Preappello: 10 Gennaio 2018, ore 9:00, aule P3, P4

   Ø Primo appello: 24 Gennaio 2018, ore 9:00, aule P3, P4

   Ø Secondo appello: 14 Febbraio 2018, ore 9:00, aule P3, P4

Ø Due appelli nel periodo 11 Giugno - 31 Luglio 2018

Ø Un appello nel periodo 3-14 Settembre 2018
Ø Due appelli straordinari ad Aprile e Novembre 2018

Esami
Ø Per chi segue con profitto il corso
     Ø Prima prova intercorso: 25 Ottobre 2017,
       ore 13:00, aule P3, P4
     Ø Seconda prova intercorso: 19 Dicembre 2017,
       ore 15:00, aule P3, P4
  Ø Il superamento di tali prove consente di
    accedere alla prova orale
Ø Per chi non ha seguito con profitto il
  corso
  Ø Gli appelli previsti nel corso dell’anno
    accademico

Come studiare
Ø Prerequisiti: Allo studente non è richiesta nessuna
  particolare conoscenza informatica
Ø La frequenza alle lezione e alle esercitazioni è
  fortemente consigliata
Ø Gli studenti devono essere preparati a trascorrere
  una congrua quantità di tempo nello studio al di fuori
  delle lezioni
  Ø 1CFU = 25 ore di lavoro = 8 ore di lezione frontale + 17ore di
    studio individuale
Ø Studiare in maniera attiva

Un po’ di regole
Ad ogni lezione faremo una pausa di 5/10 minuti
durante la quale potete:
  sgranchirvi, bere, mangiare, telefonare, controllare
  le vostre chat, parlare coi vostri «colleghi» o con
  me, etc etc….

                      QUINDI

       Durante la lezione NON farete
             niente di tutto ciò

Ed ora …
qualcosa sui
contenuti

Programma del corso
Ø Architettura dei calcolatori
   Ø Tipi di calcolatori
   Ø Componenti di un calcolatore
   Ø Esecuzione di un programma
Ø Rappresentazione dell’informazione
   Ø Algoritmi di conversione per interi
   Ø Rappresentazione e aritmetica in complemento a due e in virgola
     mobile
   Ø Codifica ASCII
Ø Logica digitale
   Ø Algebra Booleana, funzioni ed espressioni Booleane
   Ø Reti combinatorie: analisi, sintesi e minimizzazione
   Ø Moduli combinatori ed elementi di memorizzazione

Programma del corso
Ø Linguaggio assembler di una macchina RISC                       add
                                                                    sub
   Ø Operazioni aritmetiche e logiche                                 lw
   Ø Istruzioni per prendere decisioni, Chiamata di procedure           sw
   Ø Decodifica delle istruzioni macchina
Ø Il processore
   Ø L’Unità Aritmetico Logica (ALU)
   Ø Unità di elaborazione a ciclo singolo e unità di controllo
   Ø Unità di elaborazione con pipeline e unità di controllo
Ø Misura delle prestazioni e gerarchie di memoria
   Ø   Memoria RAM e ROM
   Ø   Memoria cache
   Ø   Memoria secondaria
   Ø   Misura delle prestazioni di
       un calcolatore

Sistemi di elaborazione:
                    la preistoria

Ø Fin dai tempi antichi si è sentita la necessità
  di costruire macchine per semplificare i
  calcoli ed evitare errori

Ø Alcuni esempi
  Ø Abaco o pallottoliere

I primi elaboratori
Macchine non programmabili, dotate di un
numero prestabilito di operazioni

  Ø Blaise Pascal (1623-1662)
     Prima macchina a ruote dentate in
     grado di eseguire somme e sottrazioni

  Ø Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716)
     Prima macchina in grado di eseguire tutte e
     quattro le operazioni aritmetiche

I primi elaboratori
Ø Inizio '800 Babbage
  Ø Macchina alle differenze
  Ø Utilizzo di tavole di calcolo

Ø Fine '800 Hollerith
  Ø Censimento U.S.A. 1890
  Ø Utilizzo di schede perforate

Ø 1927 Bush
  Ø Macchina per il calcolo degli
    integrali

I primi elaboratori
Zuse (Germania) 1938
  Ø Costruzione dello Z1
    (interamente meccanico)
  Ø Operazioni binarie in virgola
    mobile
  Ø Nastro contenente le
    operazioni da eseguire
  Ø Passaggio ai relais
    (elettromeccanico) nella
    costruzione dello Z2 e
    successivamente dello Z3
    (1941)

I primi elaboratori
Aiken (U.S.A.) 1943
  Ø Costruzione del Mark I
    nei laboratori I.B.M.
  Ø Elettromeccanico

Prestazioni:
  Ø Somma in 0.3 sec
  Ø Moltiplicazione in 4 sec
  Ø Divisione in 10 sec

Prima Generazione:
                         ENIAC
Ø Electronic Numerical Integrator And Computer
Ø E’ la prima macchina completamente elettronica
   Ø non programmabile
Ø Costruita nell’immediato dopoguerra, presso
  l’Università della Pennsylvania
Ø Commissionata dal Ministero della Difesa degli USA
  per calcolare le traiettorie di bombe e proiettili
Ø Caratteristiche:
   Ø   18.000 valvole termoioniche
   Ø   30 tonnellate
   Ø   alta 2,5 m, occupava 160 mq
   Ø   aveva bisogno di 150 kw di energia elettrica, producendo una
       quantità di calore con cui si poteva riscaldare un intero palazzo

ENIAC

Prima Generazione:
                   UNIVAC

Ø Primo calcolatore elettronico secondo il
  modello di Von Neumann
  Ø In grado di conservare il programma all'interno
    della memoria

Seconda Generazione
                        (1955-1965)
            Tecnologia a transistor
Ø TXO e TX2 macchine sperimentali costruite
  al MIT
Ø Uno dei progettisti del TX2 fonda una propria
  società la Digital Equipment Corporation (DEC)

Ø La DEC produce il PDP-1 (1961):
  Ø Memoria: 4k parole di 18 bit
   Ø   Tempo di ciclo di 4µsec
   Ø   Prestazioni simili all’IBM 7090, prezzo molto inferiore
   Ø   Schermo grafico 512 × 512 pixel (primi videogiochi)
   Ø   Inizia la produzione di massa

Seconda Generazione:
                 Minicomputer

DEC PDP-8 (1965)
Ø   Successore diretto del PDP-1
Ø   Interconnessione a bus, molto flessibile
Ø   Architettura incentrata sull’I/O
Ø   Possibilità di connettere qualsiasi periferica
Ø   Prodotto in oltre 50.000 esemplari

Seconda Generazione:
               Supercomputer

Ø Macchine molto potenti dedicate al number crunching
Ø 10 volte più veloci dell’IBM 7090
Ø Architettura molto sofisticata
Ø Parallelismo all’interno della CPU
Ø Nicchia di mercato molto specifica
Ø CDC 6600 (1964)
   Ø Progettista: Seymour Cray,
     poi fondatore della CRAY

Terza Generazione
                  (1965-1980)
            Tecnologia LSI e VLSI
Evoluzione dell’architettura HW
  Ø Microprogrammazione
  Ø Unità veloci floating-point
  Ø Processori ausiliari dedicati alla gestione dell’I/O

Evoluzione dei Sistemi Operativi
   Ø Virtualizzazione delle risorse
   Ø Esecuzione concorrente di più programmi
   Ø Memoria Virtuale: rimuove le limitazioni dovute
     alle dimensioni della memoria fisica

Terza Generazione
Ø IBM: Serie IBM System/360
   Ø   Famiglia di elaboratori con lo stesso linguaggio
   Ø   Completa compatibilità
   Ø   Portabilità totale delle applicazioni
   Ø   OS comune: OS/360

Ø Digital PDP 11
   Ø Architettura a bus (Unibus)
   Ø Prodotto in milioni di esemplari
   Ø Sistema operativo UNIX, indipendente
     dalla piattaforma

I primi microprocessori
Ø Primo computer microprogrammabile su un unico chip:
  la CPU Intel 4004 (1971)
Ø Caratteristiche:
   Ø   addizionatore parallelo a 4 bit
   Ø   16 registri a 4 bit
   Ø   un accumulatore e uno stack
   Ø   frequenza massima di clock: 740KHz

Ø Con l’aggiunta di memorie di tipo RAM e ROM, la CPU
  4004 costituiva il sistema MCS-4

Ø Con la stessa tecnologia, nel 1972 uscì la CPU Intel
  8008
   Ø la prima in grado di operare a 8 bit
   Ø frequenza massima di clock: 800KHz

Nascita del
    Personal Computer
Ø Fine anni 70: Apple I, progettato in un garage
  e venduto in scatola di montaggio

Ø 1981: PC IBM con Intel 8088 e MS DOS
  (Disk Operating System) della minuscola
  Microsoft

Ø 1981: PC M-20, della Olivetti
   Ø processore Z8001 a 16 bit, OS proprietario, PCOS

Ø 1983: PC M-24, della Olivetti
   Ø processore 8086, MS DOS

Un moderno elaboratore
Sistema elettronico digitale programmabile

Sistema:
Costituito da componenti (input, output, memoria,
scheda madre, processore,…) che interagiscono in modo
organico fra loro

Elettronico digitale:
Sfrutta componenti elettronici digitali

Programmabile:
Il comportamento del sistema è flessibile e specificato
mediante un programma, ossia un insieme di ordini

Modelli di Riferimento
Due diversi modelli di riferimento per
l’architettura di un elaboratore:

Ø Modello di Von Neumann:
  Dati e istruzioni nella stessa
  memoria

Ø Modello Harward:
  Dati e istruzioni in memorie
  separate

Processore
Ø È il cuore di un elaboratore elettronico
Ø Realizzato con milioni di piccoli componenti
  elementari (transistor)
Ø È impossibile da studiare e da capire
  partendo dal singolo transistor
Ø Abbiamo necessità di astrazione
  Ø Tralasciare dettagli non necessari

Processore MIPS
Ø Studieremo una versione semplificata
  del processore MIPS
  Ø Microprocessor without Interlocked
    Pipeline Stages
  Ø Architettura RISC (Reduced Instruction Set
    Computer), proposta nel 1981 da MIPS Computer
    Systems Inc.
Ø Perché questa scelta?
  Ø Si tratta di un processore realmente utilizzato
    Ø   Nintendo64, Sony PS, Sony PS2, Sony PSP
  Ø La sua architettura e il suo set di istruzioni sono
    molto semplici

Processore MIPS
          Versione semplificata
          Elementi principali dello schema:
Unità di Controllo, Unità Aritmetico Logica, Memoria