Le infrastrutture HardWare
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Capitolo 6
Le infrastrutture HardWare
L’architettura di riferimento
Architettura dei calcolatori
- Un calcolatore è un sistema composto da un numero
elevato di componenti.
- Il suo funzionamento può essere descritto se lo si
considera come un sistema strutturato in forma gerarchica,
come un insieme di elementi che interagiscono l'uno con
l'altro.
-Ogni livello di descrizione è caratterizzato dalla sua
struttura, ossia dall' organizzazione dei componenti propri
di quel livello.
- Ogni componente è contraddistinto da una funzione, cioè
dal compito da esso svolto nell' ambito della struttura
complessiva del sistema.
1
Architettura dei calcolatori (II)
- In termini generali, le funzioni svolte da un calcolatore
sono classificabili in quattro tipologie:
1- elaborazione di dati;
2- memorizzazione di dati;
3- trasferimento di dati da o verso l'esterno;
4- controllo.
Funzionalità di un calcolatore
Trasferimento
Ambiente
esterno
Controllo
Elaboraz ione Memorizzazione
Elaborazione
2
Architettura di elaborazione
- Il mercato ha spinto i progettisti a definire un’architettura di
elaborazione il più possibile generale in grado di coniugare
i seguenti aspetti:
• Flessibilità nel calcolo
• modularità della struttura
• scalabilità dei componenti
• standardizzazione dei componenti
• abbattimento dei costi
• semplicità di installazione e di esercizio del sistema
• disponibilità di applicazioni a basso prezzo di vendita
- L'architettura degli attuali calcolatori è quindi il risultato di
un insieme di compromessi riguardanti versatilità, efficienza
computazionale e costi.
Memorizzazione
- Una seconda funzione generale svolta dai calcolatori è
la memorizzazione dei dati, sia per brevi periodi (ad es.
risultati intermedi di una computazione) sia per tempi
più lunghi.
- Gli esempi di memorizzazione persistente dei dati in
formato elettronico sono ormai innumerevoli: dalla
gestione dei magazzini delle aziende agli archivi delle
banche, degli uffici anagrafici e del catasto.
3
Trasferimento dei dati
- Un calcolatore deve essere in grado di comunicare con
l'ambiente esterno sia per acquisire dati da elaborare
memorizzare sia per trasferire i risultati dell' elaborazione.
- Questi compiti normalmente vengono svolti da
dispositivi ausiliari direttamente connessi al calcolatore,
detti periferiche, con funzioni di sorgenti o destinatari dei
dati.
Trasferimento dei dati (II)
- Le operazioni di trasferimento dei dati tra ambiente e
calcolatore da parte delle periferiche sono chiamate
operazioni di ingresso/uscita (I/O).
- Tipiche unità di ingresso sono la tastiera e il mouse,
mentre lo schermo e la stampante sono esempi di
periferiche di uscita.
- Il trasferimento dei dati su lunghe distanze, per esempio
tramite linee telefoniche, è chiamato trasmissione dei dati.
- Un esempio al riguardo è il collegamento in rete di
calcolatori posti a distanze variabili da qualche metro a
migliaia di chilometri.
4
Controllo
- Le operazioni di elaborazione, memorizzazione e
trasferimento dei dati devono essere sottoposte a un
opportuno controllo.
- Tale funzione è spesso deputata all'utente del
calcolatore, che la realizza impartendo comandi al
calcolatore stesso.
- Internamente a ogni calcolatore è comunque presente
un'unità di controllo che coordina le risorse del calcolatore
al fine di svolgere le operazioni corrispondenti ai comandi
dell’utente.
L’architettura di riferimento
- Consideremo come modello di architettura quello di Von
Neumann.
- Elementi fondamentali sono la CPU (singola), la memoria
e il bus di sistema.
-Il collegamento con il mondo esterno è assicurato da
periferiche di I/O quali il terminale, le stampanti, etc.,
ciascuna collegata al bus di sistema attraverso opportune
interfacce di I/O.
5
Il calcolatore:
modello architetturale
1. 2.
Memoria
Memorizzazione
Elaborazione Memoria
Magnetica
Elettronica
Unità Centrale di
Elaborazione Interconnessione
Collegamenti
(BUS/Cavi) 3.
Comunicazione
(interfaccia)
Periferiche
Un moderno sistema di calcolo
6
CPU
- Il componente principale all'interno del calcolatore è l'unità
di elaborazione centrale (Central Processing Unit: CPU).
- Alla CPU sono affidate le operazioni di controllo e di
elaborazione.
- Da tempo, le CPU vengono realizzate tipicamente con
tecnologie microelettroniche e sono chiamate anche
microprocessori (o anche, più brevemente, processori)
Memoria centrale
- Per la memorizzazione dell'informazione (dati e
programmi) è presente un'unità chiamata memoria
centrale.
- La memoria centrale ospita sia i dati necessari per le
elaborazioni svolte dalla CPU sia i dati trasferiti attraverso
le unità di ingresso/uscita.
- La memoria può essere vista come un insieme di celle
adiacenti, ognuna caratterizzata da un proprio identificatore
univoco, chiamato indirizzo (memory address), e in cui
possono essere scritti o letti dati in formato binario.
7Bus
- Il bus è una linea alla quale sono contemporaneamente
connesse le unità del calcolatore e che consente il
trasferimento di dati tra tali unità.
- La CPU ha la gestione dell'intero sistema (un ruolo detto
master) e in particolare dell' accesso al bus, impedendo
alle unità periferiche (che assumono il ruolo di slave) la
possibilità di accedervi autonomamente.
- Ogni trasferimento di dati attraverso il bus avviene sotto la
supervisione della CPU, che identifica, mediante il loro
indirizzo la sorgente e la destinazione dei dati, e
sincronizza con segnali di controllo i dispositivi che devono
colloquiare.
- In questo modo nel bus si evita qualsiasi collisione fra dati
di competenza delle diverse periferiche.
Bus e motherboard
Il bus viene integrato nella scheda madre (motherboard)
del calcolatore: una superficie di materiale plastico su cui
sono spesso montati, oltre al bus, la CPU, la memoria
centrale e alcune interfacce di ingresso/uscita, per
esempio quelle della tastiera e del mouse.
8Motherboard
Connettori per
schede di I/O
aggiuntive
Zoccolo per
la CPU
Connettori
per la
memoria
Connettori per
dischi fissi
Lo schema di riferimento
RAM
CPU
Scheda madre
(motherboard)
Bus dati
Bus indirizzi
Bus di controllo
Interfacce Interfacce
Interfaccia di
di I/O di I/O
I/O
Tastiera e mouse Memoria di massa
Altoparlanti
Schermo
9Pregi di un collegamento a bus
☺ Semplicità
– un’unica linea di connessione costi ridotti di
produzione
☺ Estendibilità
– aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice
☺ Standardizzabilità
– regole per la comunicazione da parte di dispositivi
diversi
Difetti di un collegamento a bus
Lentezza
– utilizzo in mutua esclusione del bus
Limitatà capacità
– al crescere del numero di dispositivi collegati
Sovraccarico del processore (CPU)
– perchè funge da master sul controllo del bus
10Bus: suddivisione funzionale
- Il bus può essere suddiviso funzionalmente in tre
componenti:
• il bus dati, utilizzato per trasferire i dati, tipicamente fra
memoria e CPU ma anche fra CPU e interfacce di
ingresso/uscita;
• il bus indirizzi, che identifica la posizione delle celle di
memoria in cui la CPU va a scrivere o leggere;
• il bus di controllo, in cui transitano i segnali di controllo
che consentono di volta in volta di selezionare le unità
coinvolte in un trasferimento di dati (sorgente e
destinatario), di definire la direzione dello scambio (lettura
o scrittura) e in generale di coordinare il sistema.
L’ “esecutore”
- Un calcolatore basato sull’architettura di Von Neumann
esegue un programma sulla base dei seguenti principi:
– dati e istruzioni sono memorizzati in una memoria unica che
permette sia la scrittura che la lettura;
– i contenuti della memoria sono indirizzati in base alla loro
posizione, indipendentemente dal tipo di dato o istruzione
contenuto;
– le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale.
11Linguaggio macchina
- Il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore
è detto linguaggio macchina.
- Le istruzioni scritte in linguaggio macchina sono
piuttosto rudimentali:
– il concetto di tipo di dato è quasi assente,
– il numero di operandi è limitato (in genere non più di due),
– il numero di operazioni previste è ridotto.
Istruzione che effettua la
somma di due operandi
Struttura istruzione codice operativo dest src1 src2
Linguaggio add R01 R02 R03
assemblatore
Linguaggio 000000 00000 100000 00001 00010 00011
macchina
12Linguaggio macchina
- Ogni istruzione è identificata da un codice operativo
- Gli operandi indicano gli indirizzi dove recuperare i
dati su cui operare e dove copiare i risultati.
- Ogni CPU e’ caratterizzata funzionalmente da suo
linguaggio macchina
- cioé l’insieme delle istruzioni che è in grado di eseguire e le
modalità di rappresentazione degli operandi.
Fetch, decode, execute
La CPU può essere intesa come un dispositivo che
opera in modo ciclico, ripetendo per ogni istruzione le
seguenti tre fasi:
- lettura (fetch): acquisizione dalla memoria di una istruzione
- decodifica (decode): identificazione dell’istruzione e delle
operazioni che devono essere svolte.
- esecuzione (execute): effettuazione delle operazioni
corrispondenti all’istruzione.
13Le parti di una CPU (I)
All’interno di un processore si identificano due parti
principali: data path ed unità di controllo.
- Data path (o percorso dei dati)
– è la parte che si occupa dell’effettiva elaborazione dei dati;
– comprende dispositivi diversi
• una o più unità aritmetico-logiche, dette ALU (Arithmetic
Logic Unit);
• alcune unità di memorizzazione temporanea, i registri,
memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e
informazioni di controllo (il valore massimo memorizzabile
in un registro è determinato dalle dimensioni del registro).
Le parti di una CPU (II)
- Unità di controllo
– coordina le operazioni di tutto il processore (anche quelle del
data path!);
– regola il flusso dei dati e indica quali registri debbano essere
collegati agli ingressi e all’uscita dell’ALU;
– invia all’ALU il codice dell’operazione da eseguire;
– riceve indicazioni sull’esito dell’operazione appena eseguita
dall’ALU e gestisce opportunamente queste informazioni;
– comprende alcuni registri di uso specifico
• Program Counter (PC) – qual è l’istruzione successiva;
• Instruction Register (IR) – istruzione in corso
d’esecuzione;
• …
14Program Counter
- Uno dei compiti dell’unità di controllo è di provvedere
al prelievo in memoria (fetch) delle istruzioni da
eseguire.
- L’indirizzo dell’istruzione corrente viene conservato
all’interno di un registro detto Program Counter.
Fase di fetch
- All’inizio della fase di fetch il contenuto del PC viene
trasferito sul bus indirizzi e trasmesso alla memoria
indicando sul bus di controllo che si tratta di una
operazione di lettura.
- La memoria legge il contenuto della locazione
indicata e lo trasferisce sul bus dati.
- All’interno della CPU il contenuto del bus dati viene
copiato nell’IR (Intruction Register).
- Il contenuto del PC viene aggiornato
15Ciclo Fetch – Decode - Execute
1. Prendi l’istruzione corrente dalla memoria (individuata dal
contenuto del PC) e mettila nell’IR (Instruction Register),
contemporaneamente incrementa il Program Counter (PC)
in modo che contenga l’indirizzo dell’istruzione successiva
(fetch)
2. Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode)
3. Se l’istruzione usa dei dati presenti in memoria,
determinane la posizione;
4. Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU;
5. Esegui l’istruzione (execute)
6. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l’istruzione successiva.
Tipologie di istruzioni (I)
- Architettura di riferimento: load/store
– le operazioni aritmetico-logiche possono essere eseguite
solo su dati che siano già stati caricati nei registri;
– le operazioni di caricamento dei dati dalla memoria nei
registri (load) e di archiviazione dei risultati dai registri nella
memoria (store) debbono essere previste esplicitamente.
16Tipologie di istruzioni (II)
Un processore in architettura load/store dovrà quindi essere
in grado di eseguire le seguenti categorie di istruzioni:
– Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati)
• Somma, Sottrazione, Divisione, …
• And, Or, Xor, …
• Maggiore, Minore, Uguale, Minore o uguale, …
– Controllo del flusso delle istruzioni
• Sequenza
• Salto condizionato o non condizionato (per realizzare
selezioni e cicli)
– Trasferimento di informazione
• Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria
• Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di
ingresso/uscita (attraverso le relative interfacce)
Esempi di istruzioni
Istruzione Significato Categoria
add R01,R02,R03 R01 ← R02 + R03 aritmetico-logica
addi R01,R02,421 R01 ← R02 + 421 aritmetico-logica
lw R01,R02,421 R01 ← M[R02 + 421] trasferimento
sw R01,R02,421 M[R02 + 421] ← R01 trasferimento
beq R01,R02,–421 se (R01 == R02) vai a PC– salto (condizionato)
421
j 84210 vai a 84210 salto (non
condizionato)
17Istruzioni aritmetico-logiche
• Un’istruzione aritmetico-logica, come add RZ,RX,RY,
viene eseguita in quattro passi:
1. l’istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell’IR mentre il
PC viene incrementato (fasefase di fetch);
fetch
2. viene letto il contenuto dei due registri RX e RY (l’unità di
controllo attiva i collegamenti tra i registri RX e RY, individuati dal
contenuto dell’IR, e i registri di ingresso all’ALU e provvede a
effettuare il trasferimento dei dati);
3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri, eseguendo
l’operazione indicata dal codice compreso nell’istruzione (l’unità di
controllo attiva il collegamento di un pezzo dell’IR con l’ingresso di
controllo dell’ALU);
4. il risultato calcolato dall’ALU viene scritto nel registro RZ (anche
il registro destinazione viene individuato a partire dal contenuto
dell’IR).
Istruzioni di trasferimento
- Un’istruzione di trasferimento, come lw RY,RX,base,
viene eseguita in cinque passi:
1. l’istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell’IR
mentre il PC viene incrementato;
2. viene letto il contenuto del registro RX;
3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri e sulla base
scritta nell’IR;
4. il risultato calcolato dall’ALU viene utilizzato come
indirizzo per la memoria dati;
5. il dato proveniente dalla memoria viene scritto nel registro
RY.
18Istruzioni di controllo
- Un’istruzione di controllo, come beq RX,RY,salto, viene
eseguita in quattro passi:
1. l’istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell’IR
mentre il PC viene incrementato;
2. viene letto il contenuto dei due registri RX e RY;
3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri, eseguendo
l’operazione indicata dal codice compreso nell’istruzione (nel
caso dell’esempio si tratta di una sottrazione, per verificare poi
se il risultato è uguale o diverso da zero);
contemporaneamente il contenuto del PC viene sommato al
valore del salto per calcolare l’eventuale destinazione del
salto;
4. l’esito dell’operazione viene utilizzato per decidere quale
valore debba essere memorizzato nel PC.
Unità funzionali richieste
dai diversi tipi di istruzioni
Tipo di istruzione Unità funzionali utilizzate
Aritmetico-logico Memoria Banco ALU Banco
(istruzioni) registri registri
Trasferimento Memoria Banco ALU Memoria Banco
(registri memoria) (istruzioni) registri (dati)
Salto Memoria Banco ALU
(condizionato) (istruzioni) registri
Salto Memoria
(non condizionato) (istruzioni)
19Durata indicativa di ogni categoria di
istruzione (tempi in ns).
Tipo di istruzione Memoria Lettura ALU Memori Scrittura Totale
istruzioni registro a registro
(MI) (LR) (AL) dati (SR)
(MD)
Aritmetico-
Aritmetico-logico 10 5 10 – 5 30
Trasferimento 10 5 10 10 5 40
(registri ← memoria)
Trasferimento 10 5 10 10 – 35
(registri → memoria)
Salto 10 5 10 – – 25
(condizionato)
Salto 10 – – – – 10
(non condizionato)
Un esempio (I)
- Esecuzione di una successione di quattro istruzioni
per il caricamento di due dati dalla memoria nei registri
R01 e R02, la loro somma e la registrazione in memoria
del risultato.
20Un esempio (II)
l w R01,R11,421 MI LR AL MD SR Tempo
40 ns
lw R02,R11,842 MI LR AL MD SR
30 ns
40 ns
add R03,R01,R02 MI LR AL SR
35 ns
sw R03,R11,421 MI LR AL MD
145 ns
Ordine di esecuzione
delle istruzioni
Primi due passi dell’esecuzione
- Molte delle operazioni che devono essere effettuate per
completare l'esecuzione di un'istruzione non dipendono
dall'istruzione stessa ma sono uguali per tutte le istruzioni.
- In particolare, i primi due passi dell' esecuzione sono sempre:
1- l'invio del contenuto del PC alla memoria che contiene le istruzioni
per prelevare quella corrente e trasferirla nell'IR (fase di fetch);
2- la lettura del contenuto di uno o due registri utilizzando pezzi
dell'istruzione registrata nell'IR per selezionare i registri ai quali
accedere.
- Dopo questi due passi, le istruzioni comprese nella stessa
categoria (aritmetico-logica, di trasferimento o di salto)
richiedono il completamento delle stesse azioni,
indipendentemente dall' esatto codice operativo.
21Categorie di istruzioni (I)
- Anche tra le diverse categorie di istruzioni ci sono delle
similitudini.
- Tutte le istruzioni, dopo aver letto i registri, usano l’ ALU:
- le istruzioni aritmetico-logiche la usano per l'esecuzione del
codice operativo;
- le istruzioni di trasferimento per calcolare l'indirizzo effettivo;
- i salti condizionati per valutare l'esito dei confronti.
Categorie di istruzioni (II)
- Dopo aver utilizzato l'ALU, le azioni richieste per
completare le varie istruzioni si differenziano:
- un'istruzione aritmetico-logica deve accedere ai registri per
scrivere il risultato proveniente dall'ALU;
- un'istruzione di trasferimento richiede l'accesso alla
memoria dati;
- infine, per un'istruzione di salto potrebbe essere necessario
cambiare l'indirizzo dell'istruzione successiva sulla base dell'
esito del confronto.
22Architettura del processore:
fase di fetch
- Per definire l'architettura complessiva del processore,
partiamo dai componenti che servono per completare
l'esecuzione delle diverse fasi di ciascuna istruzione.
- Innanzitutto si consideri la fase di fetch, comune a tutte le
istruzioni, che consiste nel prelievo dell’ istruzione corrente (il
cui indirizzo si trova nel PC) e nel suo caricamento nell'IR.
- Oltre ai due registri coinvolti (PC e IR) è necessario disporre
di una memoria per le istruzioni e di un sommatore capace di
incrementare il PC senza richiedere l'intervento dell'ALD.
- Per semplicità, dividiamo logicamente la memoria in due
parti, una per le istruzioni e una per i dati:
Elementi dell'unità di centrale elaborazione necessari per
prelevare le istruzioni dalla memoria e incrementare il PC.
23Architettura del processore:
istruzioni aritmetico-logiche (I)
- Le istruzioni aritmetico-logiche leggono in genere 2
registri ed effettuano un' operazione che coinvolge
l'ALU. Quindi scrivono il risultato in 1 registro.
- Se si considerano i registri come un unico blocco
funzionale, si può prevedere che ogni lettura richieda 1
ingresso (il numero del registro da leggere) e 1 uscita (il
valore letto),
- mentre una scrittura richiede 2 ingressi (il numero del
registro destinazione e il valore da scrivervi).
Architettura del processore:
istruzioni aritmetico-logiche (II)
- Per eseguire le istruzioni aritmetico-logiche servono
quindi in totale 4 ingressi (2 per i due registri sorgente,
per la lettura, e 2 per il registro destinazione, per la
scrittura) e 2 uscite (per i due registri sorgente).
- Il banco di registri fornisce sempre in uscita il
contenuto dei registri i cui numeri sono specificati sugli
ingressi del registro di lettura.
- Le scritture, invece, sono controllate da un apposito
segnale che proviene dall'unità di controllo,
- la quale provvede anche a indicare all'ALU quale operazione
eseguire.
24Elementi dell'unità di centrale elaborazione necessari
per eseguire le istruzioni aritmetico-logiche.
Architettura del processore:
istruzioni di trasferimento dati
- Si considerino ora le istruzioni di trasferimento dei dati
da e verso la memoria.
- In entrambi i casi si deve calcolare l'indirizzo della
cella di memoria cui si vuole accedere,
- quindi si deve leggere dalla memoria dati il valore da
scrivere nei registri (load) oppure si deve leggere dal
banco dei registri il valore da scrivere nella memoria
(store)
25Elementi dell'unità dì centrale elaborazione per
eseguire le istruzioni di trasferimento sia dalla
memoria ai registri sia dai registri alla memoria
Salto condizionato e non
condizionato (I)
- Rimangono infine da considerare le istruzioni di salto,
condizionato e non condizionato.
- Nel caso dei salti condizionati, l'esecuzione dell'istruzione
deve prevedere due azioni:
1- il calcolo dell'indirizzo di destinazione del salto e
2- il confronto del contenuto dei registri indicati dall'istruzione per
capire se effettivamente il salto deve essere effettuato.
- Per calcolare l'indirizzo di destinazione è necessario un
sommatore aggiuntivo cui inviare il risultato ottenuto
dall'incremento del PC durante la fase di fetch.
26Salto condizionato e non
condizionato (II)
- Per quanto riguarda invece il confronto degli operandi,
basta seguire il procedimento già adottato in precedenza
per le istruzioni aritmetico-logiche.
- In questo caso, però, il risultato non deve essere salvato
in un registro ma solo esaminato per valutare l'esito dell'
operazione.
- L'istruzione di salto non condizionato è molto più
semplice e viene effettuata sostituendo una parte del PC
con alcuni dei bit contenuti nell'IR.
Elementi dell'unità di centrale elaborazione necessari
per eseguire le istruzioni di salto condizionato
- l'ALU confronta gli operandi mentre un sommatore ad hoc calcola
l'indirizzo di destinazione sommando al PC (già incrementato) il valore
contenuto nell'istruzione. L'unità di controllo decide, in base all'esito del
confronto, il nuovo valore del Pc.
27Unità centrale di elaborazione (I)
- A questo punto, combinando i diversi elementi che
sono stati presentati finora, è possibile realizzare
un'unità centrale di elaborazione completa.
- Per semplificare la struttura finale, ci si basa sull’
ipotesi che nessuna risorsa dell'unità di calcolo possa
essere utilizzata più di una volta dalla stessa istruzione.
- Quindi qualsiasi elemento di cui si ha bisogno più di
una volta dovrà essere replicato:
- questa è un'ulteriore ipotesi che impone la separazione tra la
memoria in cui sono contenute le istruzioni e la memoria che
contiene i dati
Unità centrale di elaborazione (II)
- Se lo stesso elemento dell'unità di calcolo deve essere
utilizzato in modo diverso da due diverse categorie di
istruzioni, è necessario prevedere connessioni multiple
all'ingresso di questo elemento e avere segnali di
selezione tra gli ingressi governati dall'unità di controllo.
- Questo viene generalmente realizzato mediante un
elemento chiamato multiplexer (selezionatore di dati) e
indicato in figura con un piccolo cerchio:
- il multiplexer seleziona uno tra i vari ingressi in base alla
configurazione delle linee di controllo (non riportate nelle
figure).
28Combinazione di tutti gli elementi dell'unità di
elaborazione richiesti dalle diverse istruzioni.
- Questa unità di calcolo può eseguire le istruzioni elementari
(caricamento/memorizzazione dati, operazioni aritmetico-logiche
e salti condizionati) in un unico ciclo di clock.
29Puoi anche leggere
