UOMO

COMPUTER

Legge, ascolta istruzioni e dati attraverso organi di senso. Registra le istruzioni e i dati nella memoria. Elabora i dati utilizzando il cervello come unità di calcolo e di controllo. Talvolta usa carta, lavagna, etc. per registrare dati e istruzioni che non è in grado di ricordare (non entrano tutte insieme nel cervello che ha memoria limitata). Fornisce i dati in forma percepibile sensorialmente da altri uomini.

Acquisisce dati e programmi attraverso dispositivi di input. Registra i programmi e i dati nella memoria centrale. L’unità di controllo controlla la sequenza delle operazioni; l’unità logico - aritmetica (ALU) effettua i calcoli. Registra dati e programmi su memoria ausiliaria (dischi, nastri, etc.). Emette i risultati tramite i dispositivi di output.

Memoria Centrale

Þ Indirizzi (0..max)

Þ Parola (8, 16, 32 o 64 bit)

indirizzi indirizzi

0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1

1 1 0 1 0 0 1 0 1 2 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

parola di 16 bit

2 1 1 1 1 0 0 1 1 .....

3 0 0 0 0 0 0 0 0

... parola di 8 bit

Due modi differenti di organizzare una memoria a 8 o 16 bit

Capacità:

· kilobyte (KB) = 2¹⁰ byte = 1.024 byte @ 1.000 byte

· megabyte (MB) = 2²⁰ byte = 1.048.576 byte @ 1.000.000 byte

· gigabyte (GB) = 2³⁰ byte @ 1.000.000.000 byte

· terabyte (TB) = 2⁴⁰ byte @ 1.000.000.000.000 byte

Tempo di accesso:

· millisecondo (ms) = un millesimo di secondo = 10^-3 sec.

· microsecondo (ms) = un milionesimo di secondo = 10^-6 sec.

· nanosecondo (ns) = un miliardesimo di secondo = 10^-9 sec.

Memoria Centrale

PERMANENTI: il contenuto permane anche in assenza di alimentazione.

VOLATILI: il contenuto si perde senza alimentazione.

STATICHE: non necessitano di refresh.

DINAMICHE: richiedono una riscrittura periodica (refreshing) perché tendono a perdere il contenuto.

RAM: (Random Access Memory) sono memorie accessibili per scrittura e lettura.

ROM: (Read Only Memory) sono memorie usabili solo in lettura dopo una scrittura iniziale (il contenuto non può essere modificato).

EPROM: (Erasable Programmable ROM) sono memorie ROM riscrivibili con strumentazione ad hoc.

EEPROM: (Electrally Erasable PROM) sono memorie riscrivibili, ma con tempi di scrittura dell’ordine di millisecondi; sono usate tipicamente per memorizzare dati quasi costanti.

Memoria Centrale

PARAMETRI DI VALUTAZIONE

à CAPACITÀ in byte

à VELOCITÀ di accesso (attuale < 80 ns; a nuclei » 1 ms)

à DIMENSIONI FISICHE da uno o più MB; maggiore compattezza Þ maggiore velocità

à ASSORBIMENTO di energia (+ velocità Þ + energia Þ problemi di raffreddamento)

à LUNGHEZZA DELLA PAROLA: 8, 16, 32, 64 bit; parola + lunga Þ memoria + veloce

EVOLUZIONE DELLE DIMENSIONI

Elementi per cm²

10^21	Limite fisico
10^19	Memoria genetica
10^10	Cervello umano ¬ situazione attuale
10^9	Circuiti VVLSI (very very large scale integration)
10^8	Circuiti VLSI (very large scale integration)
10^6	Circuiti LSI (large scale integration)
10^5	Circuiti SSI (small scale integration)
10^3	Memorie a nuclei magnetici
1	Circuiti a transistor
10^-2	Circuiti a valvole

Memoria Centrale

Schema di una memoria centrale

memoria
	comando di lettura / scrittura

Registro indirizzamento

Registro di lettura/scrittura

· Registro Indirizzamento: indirizzo della cella di memoria da selezionare

· Registro di Lettura/Scrittura: dato da scrivere (comando di scrittura) o dato letto (comando di lettura)

La scelta del tipo di memoria dipende dall’applicazione sulla base della valutazione dei vari fattori: velocità, costo, dissipazione di potenza, ingombro, etc.

C.P.U.

PC:=indirizzo iniziale	nel registro PC viene caricato l’indirizzo della prima istruzione
loop	inizio ciclo di esecuzione
IR:=memoria(PC)	nel registro IR viene trasferita l’istruzione di indirizzo PC (fetch)
decode	decodifica dell’istruzione
incremento di PC	a seconda della lunghezza dell’istruzione, per indirizzare la prossima
execute	esecuzione dell’istruzione corrente
end loop	nuova iterazione

C.P.U.

Architettura PC “IBM compatibile” =

microprocessori Intel famiglia 80x86

Modelli:

· 1981: CPU 8088 (4,77 Mhz; 8 bit; max memoria 1MB)

· 1982: CPU 8086 (8/16 bit; frequenza più elevata)

· 1983: CPU 80286 (16 bit; frequenze 6¸16 Mhz; max memoria 16MB)

· 1985: CPU 80386 (32 bit; frequenze 16¸40 Mhz; max memoria 4GB)

· 1988: CPU 80486 (32 bit; frequenze 25¸100 Mhz; coprocessore matematico ed MMU incorporati)

· 1992: CPU Pentium (CISC & RISC; 64 bit; frequenze 60¸90 Mhz; max memoria 2⁶⁴ @ 4 milioni di terabyte)

· 1995: CPU Pentium Pro (P6)

Architetture CISC e RISC

· metà anni ‘80 prime CPU di tipo RISC

· basso costo

· elevate prestazioni, raggiungibili per l’architettura semplificata

· sensibile aumento della frequenza di clock (sino ed oltre i 200 Mhz)

· maggiore dotazione di cache (primaria e secondaria)

· elevato parallelismo nelle istruzioni macchina (pipeline).

· supporto di sistemi multiprocessore

· architettura di tipo generale, e non solo per applicazioni scientifiche.

· nel 1992 passaggio ai 64 bit

· meno “intelligenza” cablata Þ gestione a carico dei compilatori

· Tempo di CPU = N.ro di Istruzioni * Cicli/Istruzione * Tempo di Ciclo Þ meno Cicli per Istruzione, più basso Tempo di Ciclo

· altre caratteristiche:

- set di istruzioni macchina semplici e a lunghezza fissa Þ n.ro complessivo di istruzioni 2¸4 volte maggiore;

- alto numero di registri;

- accesso alla memoria del tipo load/store.

· evoluzioni recenti:

- bus indirizzi separato dal bus dati (architettura Harvard);

- memorie cache separate per istruzioni e dati;

- struttura interna a bus multipli per supportare più unità di esecuzione;

- unità di esecuzione con schema pipeline, l’unico in grado di fornire un risultato per ogni ciclo di clock.

C.P.U.

L ’ U n i t à L o g i c o - A r i t m e t i c A

Þ Contiene una serie di registri nei quali vengono memorizzati i dati su cui operare ed i risultati ottenuti.

Þ Riceve in ingresso i segnali su cui operare ed il codice dell’istruzione e produce i segnali di output.

Inp = segnali di Input

Out = segnali di Output

Sel = segnali di selezione operazione

Architetture Bus Standard

· 1981: primo bus a 8 bit (PC e XT)

· 1983: bus I.S.A. a 16 bit (AT Bus)

· 1985: bus a 32 bit M.C.A. (di IBM) ed E.I.S.A. (altri)

· 1988: local-bus V.E.S.A. a 32 bit (accelerazione video; totale dipendenza dalla CPU)

· 1990: bus P.C.I. a 32/64 bit (intermedio tra bus tradizionale, CPU e memoria; asincrono ed indipendente dalla CPU; clock fisso di 33 Mhz Þ 132¸260 MB/sec; bus-mastering multiplo)

C.P.U.

Istruzioni macchina

C O D I C E O P E R A T I V O ½ O P E R A N D I

|----------------------------------------- p a r o l a ------------------------------------------|

· codice operativo: sequenza di bit che identifica l’operazione da eseguire

· operandi: valori costanti oppure indirizzi di memoria (in binario)

Operazioni tipiche:

· su registri (load/store)

· salti (“branch”) condizionati

· salti incondizionati

· aritmetiche

· logiche

C.P.U.

Esempio di istruzioni macchina:

prodotto di due numeri A e B

R₃ ¬ 0

R₁ ¬ memoria(300)

R₂ ¬ memoria(301)

L1: se R₂ = 0 vai a L2

R₃ ¬ R₃ + R₁

R₂ ¬ R₂ - 1

vai a L1

L2: memoria(302) ¬ R₃

fine

Memorie di massa

· archiviazione permanente di dati e programmi

· basso costo

· elevata capacità

· non volatili

“I dati ed i programmi cui può accedere direttamente il processore sono solo quelli presenti in memoria centrale. Per essere utilizzati, i dati e i programmi registrati su memoria di massa devono essere trasferiti in memoria centrale”

Memorie di massa

Parametri:

· CAPACITÀ (relativamente alta)

· COSTO (basso)

· TEMPO DI ACCESSO (dischi³5 ms)

· TIPO DI ACCESSO:

- diretto (dischi magnetici)

- sequenziale (nastri magnetici)

Dischi magnetici:

· uno o più piatti rigidi (hard-disk) o disco flessibile (floppy-disk)

· ruotano a velocità costante (hard-disk) o su richiesta (floppy)

· lettura/scrittura effettuata per mezzo di testine per tracce concentriche (cilindri), suddivise in settori

· densità di registrazioneattuale = 10⁸ bit/cm²

· dimensioni (diametro): 14”®8”®5¼”®3½”®2”®...

· capacità 400MB ¸ 4GB

D i s c h i

Tempo di accesso

latenza (³4,16 ms)

seek (pochi ms)

avvio motore (10¸100 ms)

D i s c h i

Tipologie:

· dischi rigidi estraibili (minore capacità, trasportabili)

· dischi fissi (tecnologia “winchester” sotto vuoto)

· floppy disk (supporto flessibile, molto leggeri, densità minore, meno affidabili, basso costo)

· dischi a testine fisse (tamburi): minimo tempo di accesso

DISCHI MAGNETICI

RIGIDI FLESSIBILI

REMOVIBILI FISSI

TESTINA FISSA TESTINA MOBILE

(tamburi)

D i s c h i

Caratteristiche tecniche:

· tempi di accesso attuali ~ 4,16 ms

· dischi a testine fisse non più in uso

· più testine sullo stesso braccio

· dischi di piccole dimensioni Þ avviamento su richiesta

· costo ~ 10^-4 £/bit

· “accesso ciclico”

· cache-controller

	Costo		Maneg- gevolez-za	Tempo di accesso		Affidabilità		Capacità
Flessibili	basso	alta		200 ms	bassa		bassa (1-2 MB)
Testina fissa	alto	bassa		5-8 ms	alta		bassa (in disuso)
Testina mob.	medio	bassa		10-15 ms	alta		alta (200MB-4GB)
Removibili	medio-alto	media		10-50 ms	medio-alta		alta (100MB-2GB)

Dischi Ottici e Magneto-Ottici

Þ CD-ROM o WORM: scrivibili una sola volta; usano superfici sensibili ad un raggio laser

Þ magneto-ottici (riscrivibili; usano superfici anche magnetiche)

Caratteristiche:

· bassissimo costo supporto (CD-ROM);

· capacità attuale circa 1 GB;

· estraibili;

· tempo di accesso 50-150 ms;

· idonei alla registrazione di dati, voce, immagini (fisse ed in movimento);

· utilizzati nelle applicazioni multimediali;

· juke-box di CD-ROM con capacità di centinaia di GB.

N a s t r i M a g n e t i c i

Utilizzati essenzialmente per operazioni di backup e trasporto dati

¨unità a bobina: costose, poco capaci ed ingombranti

¨unità streamer: economiche, capaci e poco ingombranti (cartucce magnetiche da 1/4” o cassette da 8 mm; capacità alcuni GB)

Canali di Input/Output

¨unità dedicate al trasferimento dei dati

¨dotate di capacità elaborative proprie

¨gestiscono l’I/O, sollevando la CPU da questo compito

I n t e r f a c c e

Dispositivi per il collegamento delle periferiche ai canali di I/O o al BUS

seriale

(un bit alla volta)

parallela

(8 bit = 1 byte alla volta)

controller (dispositivi intelligenti, con comandi indipendenti dal particolare device, usati per dischi, nastri, etc.)

Tecnologia DMA

accesso diretto alla memoria ®

più unità cooperanti