Calcolatori Elettronici Prof. Ing. Fabio Roli Corso di ...unina.stidue.net/Calcolatori Elettronici 2/Materiale/Fabio Roli/1... · Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Capitolo

Calcolatori ElettroniciProf. Ing. Fabio Roli

Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica

Capitolo 1Introduzione

Fonte Principale: Stallings, W., "Architettura e organizzazionedei calcolatori, progetto e prestazioni", Pearson Education ItaliaSrl, 2004 (ISBN: 88-7192-201-8), Capp. 1 e 2

Calcolatori Elettronici Introduzione Prof. Fabio Roli 2

Scopi del Corso

• Il corso si occupa dei concetti fondamentali relativialla struttura ed al funzionamento dei calcolatorielettronici— Significa che cercheremo di capire quali sono le metodiche di

progetto, le tecnologie, ecc., di validità generale. Cercheremocioè di capire quali sono i concetti che sono rimasti validi, emolto probabilmente lo resteranno almeno per i prossimi anni,nonostante i cambiamenti rapidissimi della tecnologia

• Ci occuperemo soprattutto di Organizzazione edArchitettura dei calcolatori— Cercando di analizzarle, dove possibile in questo corso,

nell’ottica del paradigma costo/prestazioni che sta alla basedella progettazione di un calcolatore

• Esemplificheremo alcuni concetti con riferimento alleattuali architetture di calcolatore


Ancora due parole sugli scopi del corso

Scopo principale: studiare gliaspetti relativi all’organizzazioneed architettura del calcolatore chesono rimasti validi, e moltoprobabilmente lo resterannoalmeno per i prossimi anni,nonostante i cambiamentirapidissimi della tecnologia

In questo corso non impareremo né adinstallare un dispositivo, hw o sw, né autilizzare un calcolatore per“programmare” l’impianto di irrigazionedel giardino…..cose utilissime…ma cheun ingegnere può e deve imparare dopoaver imparato come funzional’indirizzamento della memoria “cache”

Non spiegheremo come funziona e perché sideve usare il “deframmentatore” diWindows….ma cercheremo di capire comemai il disco si “frammenta”(http://www.disi.unige.it/person/MoggiE/dicosmo.html)….per capire se e come lo sipotrebbe evitare

Cercheremo sostanzialmentedi imparare bene queiconcetti senza i quali sirischia, pur diventando degli“esperti”, di non essere ingrado di governare letecnologie e l’innovazione


Contenuti Fondamentali del Corso

1. Introduzione2. Reti Logiche3. Unità di Memoria4. CPU – Set di Istruzioni5. Linguaggio Assembly del MIPS6. CPU – ALU7. Unità di I/O


Obiettivi del Corso

• Alla fine del corso l’allievo deve conoscere:— Le metodiche di base per l’analisi e la sintesi delle reti logiche combinatorie e

sequenziali— I concetti e le tecniche fondamentali relativi alla organizzazione e

all’architettura di un moderno calcolatore— I concetti di base del linguaggio assembly MIPS

• Alla fine del corso l’allievo deve saper fare:— Risolvere esercizi di media complessità sulla analisi e sintesi di reti logiche— Risolvere esercizi di media complessità sulla analisi e progetto dei moduli

fondamentali di un calcolatore (CPU, Memoria, Unità I/O), e sullaorganizzazione e funzionamento di un calcolatore

— Scrivere e/o leggere semplici procedure in assembly MIPS


Valutazione dell’Apprendimento

• Prova scritta obbligatoria— Sostenibile durante i normali appelli di esame— Oppure mediante due prove intermedie in corso di semestre

• Prova orale facoltativa se voto prova scritta è maggiore od ugualea 21/30

• Voto finale = 70% Prova Scritta, 30% Prova Orale N.B. Durante i normali appelli d’esame, gli allievi che, avendo consegnato la

prova scritta dopo la correzione degli esercizi d’esame, conseguiranno unpunteggio minore di 16/30 non potranno presentarsi al successivo appellod’esame

N.B. In sede di prova scritta viene anche fissata la data per la comunicazionedegli esiti, per la registrazione dei voti e per gli orali. Chiunque non si presentiin tale data senza una motivata e ben documentata ragione perderà il diritto difare l’orale e comunque, per registrare l’esame ove possibile, dovrà presentareuna motivata giustificazione dell’assenza.


Materiale didattico: http://www.diee.unica.it/calcolatori

Testo di riferimento (http://williamstallings.com/COA6e.html)Stallings, W., "Architettura e organizzazione dei calcolatori, progetto e prestazioni",Pearson Education Italia Srl, 2004 (ISBN: 88-7192-201-8)

• Altri testiPatterson, A.D., Hennessy, J., "Struttura, organizzazione e progetto dei calcolatorielettronici", Jackson Libri, Collana Università, 2000 (ISBN:8825615175)Tanenbaum, A., "Architettura dei computer: un approccio strutturato” Quartaedizione", UTET Libreria, 2000 (ISBN: 8877505931)

I lucidi utilizzati a lezione dal docente, testi d’esame, esercitazioni, ecc. sonodisponibili in rete (http://www.diee.unica.it/calcolatori)

NOTA BENE: Gli allievi non possono prepararsi all'esame soltanto con i lucidi,che non sono dispense e pertanto presentano gli argomenti in modo sintetico. I lucidivanno integrati con gli appunti presi a lezione e/o con lo studio dei testi di riferimento.Raccomandiamo di consultare i testi di riferimento, disponibili in Biblioteca, perchiarimenti ed approfondimenti. Per ogni capitolo del programma sono indicati suilucidi del docente i principali testi di riferimento e di approfondimento .


Concetti di Architettura e Organizzazione

• Architettura: tutti gli aspetti di un calcolatore che sono“visibili” al programmatore

• Organizzazione: unità funzionali ed interconnessioni cherealizzano l’architettura (non visibili al programmatore)

• Es. Aspetto architetturale: disponibilità di una istruzione“macchina” per moltiplicazione in virgola mobile

• Es. Aspetto organizzativo: come la moltiplicazione in virgolamobile è realizzata

• Tutti i calcolatori della famiglia Intel x86 hanno la stessaarchitettura base, ma diversi calcolatori hanno diverseorganizzazioni

• Mantenere uguale l’architettura favorisce la “portabilità” delsoftware

• Ovviamente cambi nell’organizzazione possono necessitarecambi dell’architettura


Concetti di Struttura e Funzione

• Un calcolatore elettronico è un sistema “complesso”costituito da tanti “moduli” e sotto moduli. Pertantodeve essere analizzato in modo gerarchico, a diversilivelli di “astrazione”

• A ciascun livello si analizza la Struttura e laFunzione di un modulo/sotto modulo

• La Struttura è il modo in cui i diversi moduli sonointerconnessi fra di loro

• La Funzione è il funzionamento di ciascun modulonell’ambito dell’intero sistema di elaborazione


Le Funzioni di un Calcolatore

•Le funzioni di uncalcolatore sono:

—Elaborazione dati

—Memorizzazione dati

—Trasferimento dati

—Controllo


La Struttura di un Calcolatore

Communicationlines

Computer

Main Memory

InputOutput

SystemsInterconnection

Peripherals

CentralProcessing Unit

Computer


Struttura – La CPU

Computer Arithmeticand Login Unit

ControlUnit

Internal CPUInterconnection

Registers

CPU

I/O

Memory

SystemBus

CPU


Calcolatore come macchina “virtuale” – Livelli di Astrazione

A.S. Tanenbaum

Structured ComputerOrganization

Prentice Hall 2001

Corso di Sistemidi Elaborazione

Corso di SistemiOperativi

Elettronica dei Sistemi Digitali

Elettronica dello Stato solido


Quattro livelli di descrizione di un calcolatore

1. Livello Gobale• Processore• Memoria• Etc.

2. Livello del Processore• Set Istruzioni Macchina• Rappresentazione dei dati• Etc.

3. Livello Registri• Elaborazione di insiemi di bit (“word”)

4. Livello Porte Logiche• Elaborazione a livello di bit


Breve Storia dei Calcolatori

L’Era “Meccanica”

Blaise Pascal (1642), Gottfried Liebniz (1673), George Boole(1847), etc., fino alla seconda guerra mondiale

Velocità di elaborazione limitata dall’inerzia meccanica

Difficoltà d’uso, scarsamente affidabili e molto costosi.

L’Era Elettronica

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), Eckertand Mauchly, Univ. of Pennsylvania, 1943-1946

John Von Neumann introduce, parallelamente ad Alan Turing, ilconcetto di programma memorizzato e realizza il calcolatore IAS

EDVAC (Elec. Discrete Variable Computer)


•Decimale (non binario)

•20 accumulatori da 10 cifre

•Programmato “manualmente”

•18.000 tubi a vuoto

•30 tonnellate di peso

•140 kW di potenza consumata

•5.000 addizioni per secondo

ENIAC


Architettura di von Neumann


Calcolatore IAS• 1000 x 40 bit “words”

— Numeri binari— Istruzioni da 2 x 20 bit

• Set di registri della CPU— Memory Buffer Register— Memory Address Register— Instruction Register— Instruction Buffer

Register— Program Counter— Accumulatore— Moltiplicatore/Quoziente

Conteneva la maggiorparte dei concettifondamentali, tutt’oggiusati !!


Generazioni di Calcolatori2^ Generazione

• Cambio di tecnologia –Transistor• Aritmetica in virgola mobile• Linguaggi di alto livello

3^ Generazione (1964 – 1974)• Circuiti Integrati• Memorie a Semiconduttore• Microprogrammazione / Multiprogrammazione

4^ Generazione (1974 – oggi)• LSI / VLSI• Calcolatori Paralleli, Embedded systems, etc.

5^ Generazione (? – ?)• ULSI, PDA, Tablet PC• “Intelligenza” Artificiale


Legge di Moore

Gordon Moore – uno dei creatori di Intel

Il numero di transistors su chip raddoppierà ogni anno

• Dal 1970 questo incremento è stato quasi rispettato— Raddoppio ogni 18 mesi

• Il costo di un chip è rimasto quasi lo stesso• L’aumento del numero di transistor su chip (“densità” di

integrazione) significa aumento delle prestazioni• Riduzione del consumo di potenza• Aumento affidabilità


Crescita del numero di transistor


Misura delle Prestazioni

Problema estremamente complesso !

In questo corso vedremo solo gli aspetti più semplici

Es. Quanto conta la frequenza di clock della CPU ?

In assoluto sapere che ho comprato un Pentium X da Y GHznon vuol dire nulla. Se almeno non ho un’idea sulla ampiezza dibanda della memoria, e non ho chiaro cosa ne voglio fare.

Amdahl's Law

The performance improvement to be gained from using somefaster mode of execution is limited by the fraction of time thefaster mode can be used


Misura delle Prestazioni: Analogia - Homework

Consider the problem of leaving West Virginia or civilization inVirginia. Assume that you must walk out of the mountains andthat portion of the trip takes 20 hours. Once in Virginia, 200miles are traversed in one of several modes of travel.Compute the total travel time for each mode and the speedupcompared to walking the entire trip.Modes:» Walk at 4 MPH» Ride a bike at 10 MPH» Drive a Honda Excel at 50 MPH» Drive a Ferrari at 120 MPH» Drive a rocket car at 600 MPH


Misura delle prestazioniMIPS (Millions of instructions per second)

Apparentemente più sono meglio è…..ma i MIPS non servonoper confrontare macchine che hanno set di istruzioni diversi

MFLOPS (Millions of floating point operations per second)

Anche in questo caso le operazioni FP possono essere diverse

Programmi di Benchmark

Altri parametri: Costo, Affidabilità, Portabilità del SW, etc

Cosa ne devo fare del calcolatore….

Per saperne di più: J. L. Hennessy, D. A. Patterson, Architetturedei Calcolatori: Metodi di Valutazione e di Progetto, Zanichelli


• Per la storia dei calcolatori vedi il sito delCharles Babbage Institute (www.cbi.umn.edu)

• Produttori di Calcolatori

• http://www.intel.com/

• http://www.ibm.com

• http://www.dec.com

• http://e-www.motorola.com

http://williamstallings.com/COA6e.html (sito dellibro di riferimento)

Per saperne di più

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