Architettura degli Elaboratori - Presentazione del corso - Unisa
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Architettura
degli Elaboratori
a.a. 2017/2018
Classe 2: matricole congrue ad 1
Presentazione
del corso
Barbara Masucci
Docente Barbara Masucci Ø Afferente al Dipartimento di Informatica dal 2002 Ø Corsi insegnati per la Laurea Triennale in Informatica ØSicurezza su Reti (dal 2002 al 2012) ØProgrammazione II (dal 2002 al 2004 e dal 2011 al 2016) ØComplementi di Sicurezza su Reti (dal 2007 al 2009) ØArchitettura degli Elaboratori (dal 2017) Ø Corsi insegnati per la Laurea Magistrale in Informatica ØElementi di Crittografia (2015) ØProgrammazione Sicura (dal 2017)
Docente Barbara Masucci Ø bmasucci@unisa.it Ø http://www.di.unisa.it/professori/masucci Ø Studio 43, quarto piano, stecca 7 Ø Dipartimento di Informatica Orario ricevimento (a partire da Ottobre) Ø Lunedì: 13:30 – 15:00 Ø Giovedì: 13:30 – 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/Architettura1819
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, di cui: Ø Tre appelli nel periodo 17 Dicembre 2018 – 22 Febbraio 2019 Ø Preappello: 17 Dicembre 2018 – 18 Gennaio 2019 Ø Primo appello: 21 Gennaio 2019 – 6 Febbraio 2019 Ø Secondo appello: 7 Febbraio 2019 – 22 Febbraio 2019 Ø Due appelli nel periodo 10 Giugno - 31 Luglio 2019 Ø Un appello nel periodo 2-13 Settembre 2019
Esami
Ø Per chi segue con profitto il corso
Ø Prima prova intercorso: Ottobre 2018
Ø Seconda prova intercorso: Dicembre 2018
Ø Il superamento di entrambe le prove
consente di confermare il voto dello
scritto o di accedere alla prova orale
(facoltativa)
Ø Per chi non ha seguito con profitto il
corso
Ø Gli appelli previsti nel corso dell’anno
accademico
Ø Esame scritto e orale obbligatorio
Home page del corso
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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 attivaRegole di
comportamento
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 ciòEd ora … qualcosa sui contenuti
Programma del corso
Ø Architettura dei calcolatori
Ø Sistemi di elaborazione: cenni storici
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 memorizzazioneProgramma 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, cache
Ø Gerarchie di memoria
Ø Misura delle prestazioni di un calcolatoreSistemi di elaborazione:
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 pallottoliereI 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 aritmeticheI 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
integraliI 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 secPrima Generazione:
ENIAC
Tecnologia a valvole termoioniche
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 (1946)
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, 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 palazzoENIAC
Prima Generazione:
UNIVAC
Ø Primo calcolatore elettronico secondo il
modello di Von Neumann
Ø In grado di conservare il programma all'interno
della memoriaSeconda 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 massaSeconda 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 esemplariSeconda 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 CRAYTerza Generazione
(1965-1980)
Tecnologie LSI (Large Scale Integration) e
VLSI (Very Large Scale Integration)
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 fisicaTerza 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 piattaformaI 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 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
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 DOSUn 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
Il linguaggio
dei computer
Ø Che lingua parla un elaboratore?
Ø Come codificare e memorizzare
opportunamente dati e informazioni?
Ø Come impartire le giuste istruzioni
per risolvere un problema?Il linguaggio
dei computer
Ø I computer «parlano» in binario
Ø Alfabeto costituito da due soli simboli, 0 e 1,
corrispondenti a
Ø Spento (OFF)
Ø Acceso (ON)
Ø Questi due simboli, detti bit = binary digit
corrispondono ai due stati possibili di un
circuito elettricoRappresentazione Binaria Ø Cosa possiamo rappresentare in binario? Ø Numeri (interi, col segno, con la virgola) Ø Parole Ø Istruzioni Ø Programma Ø Idea fondamentale su cui sono costruiti i calcolatori: Ø Programmi e dati rappresentati da numeri
Componenti di un
calcolatore
Le componenti di un elaboratore si dividono in
cinque categorie
Ø Dispositivi di input
Ø Dispositivi di output
Ø Memoria
Ø Unità di elaborazione dati
Ø Unità di controllo
Le ultime due componenti sono spesso unificate
in un’unica componente: il processoreProcessore
Ø È il cuore di un elaboratore elettronico
Ø Si compone di
Ø Unità di elaborazione dati
Ø Unità di controllo
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 (tralasciare
dettagli non necessari)Componenti di
un processore
Ø All’interno di un processore abbiamo due
tipi di componenti:
Ø Combinatorie (senza memoria)
Ø Sequenziali (con memoria)
Ø Studieremo entrambi i tipi di componenti,
allo scopo di capire come è fatto un
processore
Ø In particolare, lo studio delle componenti
combinatorie comporterà lo studio
dell’Algebra BooleanaProcessore 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 sempliciProcessore MIPS Ø Considereremo due diverse implementazioni hardware del set di istruzioni del MIPS Ø Una implementazione di base (a ciclo singolo) Ø Una implementazione più realistica, basata su pipeline
Implementazione
a Ciclo Singolo
Ø In questa implementazione, tutte le istruzioni hanno la
stessa durata (ciclo singolo di clock)
Ø Esamineremo una implementazione che comprende un
insieme di istruzioni ridotto
Ø Istruzioni di accesso alla memoria
Ø Istruzioni aritmetico-logiche
Ø Istruzioni di salto condizionato
Ø I concetti descritti per l’implementazione di questo set di
istruzioni sono universali
Ø Su di essi si basa la maggior parte dei calcolatoriImplementazione
a Ciclo Singolo
Ø Vedremo uno schema astratto dell’implementazione di un
sottoinsieme delle istruzioni MIPS
Ø Tale schema comprende diverse unità funzionali:
Ø Program Counter (PC)
Ø Memoria Istruzioni
Ø Banco dei Registri
Ø Unità Aritmetico Logica
Ø Memoria DatiImplementazione
con Pipeline
Ø Nella implementazione con pipeline c’è una
sovrapposizione temporale dell’esecuzione delle varie
istruzioni
Ø L’idea su cui si basa è la stessa utilizzata nelle catene di
montaggio (assembly line)
Ø Introdotte da Henry Ford ai primi del ‘900
Ø Consentono di ridurre i tempi necessari per
la realizzazione di un manufatto complesso,
dividendo il lavoro degli operai in compitiEsempio: il bucato
Ø Supponiamo di dover fare il bucato e che questo consista
nelle seguenti attività
Ø Mettere la biancheria nella lavatrice
Ø Terminato il lavaggio, mettere la biancheria bagnata
nell’asciugatrice
Ø Terminata l’asciugatura, procedere alla stiratura
Ø Terminata la stiratura, riporre la biancheria nell’armadio
Ø L’approccio non basato su pipeline procede ad un nuovo
ciclo per il bucato solo quando il precedente è terminato
Ø L’approccio basato su pipeline consente di risparmiare
tempo, effettuando più cicli di bucato contemporaneamenteIl bucato con pipeline
Ø Nell’approccio basato su pipeline
Ø Quando la lavatrice termina il lavaggio del primo carico, viene
subito caricata per il secondo ciclo, mentre l’asciugatrice asciuga il
primo carico
Ø Quando l’asciugatrice termina il primo carico, viene subito caricata
per il secondo ciclo, mentre viene stirato il primo carico e la
lavatrice procede al terzo carico
Ø Quando la stiratura del primo carico viene terminata e i panni
vengono riposti nell’armadio, si passa a stirare il secondo carico,
mentre l’asciugatrice viene caricata per il terzo ciclo e la lavatrice
per il quarto cicloRappresentazione grafica
La Memoria
Ø La memoria è il luogo dove vengono tenuti i programmi
in esecuzione e i dati di cui essi necessitano
Ø Possiamo immaginare la a memoria come un grande vettore
unidimensionale di “parole”, o “celle” in sequenza
Ø Ogni parola di memoria ha un indirizzo attraverso il quale si può
accedere ad essa
Ø Studieremo varie tecnologie per la
realizzazione dei diversi tipi di memoriaLa Memoria
La memoria è caratterizzata a diversi parametri
Ø Dimensione o capacità
Indica la quantità di dati memorizzabili
Ø Velocità o tempo di accesso
Indica l’intervallo di tempo tra la richiesta del dato e il
momento in cui viene reso disponibile
Ø Consumo
Indica la potenza media assorbita
Idealmente un calcolatore dovrebbe avere
quanta più memoria possibile,
ad alta velocità, e basso consumoGerarchie di memoria
Ø Non è possibile avere un’unica memoria con
tutte le caratteristiche ideali
Ø Possiamo organizzare una gerarchia in cui
Ø Le memorie piccole, più veloci (e costose) sono
poste ai livelli alti, vicino al processore
Ø Le memorie ampie, più lente (e meno costose) sono
poste ai livelli più bassi
Memoria Memoria
CPU …
M1 M2Gerarchia di memoria Ø L’obiettivo della gerarchia di memoria è quello di creare l’illusione di avere a disposizione una memoria che sia Ø Grande Ø Veloce Ø Economica Ø Vedremo come realizzare una gerarchia di memoria
Nella prossima lezione
Ø Che lingua parla un elaboratore?
Ø Come codificare e memorizzare
opportunamente dati e informazioni?
Ø Come impartire le giuste istruzioni
per risolvere un problema?Puoi anche leggere
