Parte I Evoluzione dei Sistemi di Elaborazionesalza/AE/Teoria-I-14-15-1p.pdf · Evoluzione dei Sistemi di Elaborazione. Fondamenti di Informatica - Architetture di Elaborazione- prof

I.1Fondamenti di Informatica - Architetture di Elaborazione - prof. Silvio Salza - a.a. 2014-2015

Parte I

Evoluzione dei Sistemi di Elaborazione


Evoluzione degli Elaboratori (1)


Evoluzione degli Elaboratori

Un’accelerazione incredibile negli ultimi 60 anni

E poi l’evoluzione degli ultimi 15 anni (smartphone, tablet, etc.) che tutti ben conosciamo


I primordi (1600-1945)

• Pascal (1623-1662)– Pascaline: addizioni e sottrazioni

• Leibniz (1646-1716)– Anche moltiplicazioni e divisioni

• Charles Babbage (1792-1871)– Macchina Analitica– Prima macchina programmabile– Primo programmatore,una signora: Ada Byron Lovelace

(figlia di Lord Byron)– Memoria: 1000 x 50 cifre decimali– Limite: tecnologia meccanica


Poteva succedere …..• Nel 1835 Camillo Cavour incontra Babbage a Londra, sente parlare

della macchina analitica che lo colpisce (Cavour era ingegnere)

• Nel 1840 Charles Babbage è invitato e partecipa al primo Congresso degli scienziati italiani a Torino

• Babbage tiene una serie di Seminari a Torino e regala i disegni della sua macchina all’Accademia delle Scienze

• Nel 1842 Luigi Menabrea pubblica (in francese) la descrizione dell’architettura della macchina di Babbage

• Solo successivamente il lavoro di Menabrea è tradotto in inglese da Ada Byron Lovelace (detta da Babbage the Enchantress of numbers)

• Il Piemonte pensa a finanziare la costruzione dell’analytical engine

• Poi, come al solito, non se ne fece nulla ……

• Così Moncalieri è rimasto Moncalieri e non è diventato Cupertino


La dedica delle memorie di Babbage


La 2a guerra mondiale (1930-1955)

Tecnologia elettromeccanica (relè)

• Konrad Zuse (~1930 Germania)– Macchina a relè (distrutta nella guerra)

• John Atanasoff (~1940 USA)– Aritmetica binaria– Memoria a condensatori

• Howard Aiken (~1940 USA)– MARK 1: versione a relè della macchina di Babbage– Memoria: 72 x 23 cifre decimali– tempo di ciclo: 6 sec.– I/O su nastro perforato


La 2a guerra mondiale (continua)

Tecnologia a tubi termoionici (valvole)

• COLOSSUS (~1940 GB)– Gruppo di Alan Turing– Decifrazione del codice Enigma– Secretato dopo la fine della guerra

• ENIAC (~1946 USA)– 18.000 valvole– 30 tonnellate di peso– 140kw assorbimento– Programmabile tramite 6000 interruttori e pannelli cablati

– 20 registri da 10 cifre


La svolta: la macchina di Von Neumann

• IAS (~ 1950, Princeton USA)– Programma memorizzato– Aritmetica binaria– Memoria: 4096 x 40 bit– Formato istruzioni a 20 bit:

OPCODE INDIRIZZO128


John von Neumann

• Era una sorta di genio leonardesco: grande calcolatore mentale, leggeva un libro, capiva subito tutto, e lo ricordava pagina per pagina

• Ha dato contributi a molteplici settori di matematica e fisica• Era anche un buon ingegnere: concepiva cose che potevano funzionare• È lo scienziato pazzo immortalato da Peter Sellers nel film cult di Stanley

Kubrick Il dottor Stranamore (1964)


Alan Turing

• È l’altro grande padre fondatore dell’informatica• Matematico brillante, educato a Cambridge e con grossi problemi

caratteriali (immortalato nel recente film The Imitation game)• Ha inventato la macchina di Turing, un automa universale che può

eseguire qualsiasi procedura algoritmica• Ci ha dimostrato che ci sono problemi indecidibili, per cui non potrà

mai essere trovata soluzione algoritmica che termini in tempo finito• Ha svolto un ruolo fondamentale nella decifrazione del codice Enigma• Nel 1953 fu condannato per ‘gross indecency’ (castrazione chimica)• Morì nel 1954 addentando una mela intrisa di cianuro: suicidio o

vendetta dei nazisti? (Comunque aveva visto il film Biancaneve!)• Ha ottenuto nel 2013 il perdono reale, un po’ tardivo e alla memoria ...• Galileo però aveva dovuto aspettare oltre 400 anni ….


Primi sistemi commerciali (a valvole)• Mercato limitato a pochi grandi clienti • Inizialmente dominato da UNIVAC• IBM entra nel mercato nel 1953, e assume una posizione

dominante che manterrà fino agli anni ’80• Le capacità di queste macchine ci fanno sorridere:

– IBM 701 (1953):• Memoria: 2k word di 36 bit (circa 8 KB!!!)• 2 istruzioni per word

– IBM 704 (1956):• Memoria: 4k word di 36 bit• Istruzioni a 36 bit• Floating-point hardware


Arrivano i semiconduttori (1955-1965)

Tecnologia a transistorDue diverse tipologie di computer

Mainframe: grossi calcolatori usati per applicazioni scientifiche, militari e nella pubblica amministrazione

• IBM 7090– Memoria 32k word a 36 bit, tempo di ciclo 2 μsec– Pochi esemplari, costano milioni di $

Piccoli sistemi: per medie aziende o di appoggio ai mainframe

• IBM 1401– Stessa capacità di I/O del 7090– Memoria 4k word 8bit (1byte)– Sistema orientato alla manipolazione di caratteri


Piccolo è bello: il minicomputer

• DEC PDP-8 (1965) • Interconnessione a bus, molto flessibile• Architettura incentrata sull’I/O• Possibilità di connettere qualsiasi periferica• Molto meno costoso dei mainframe (1/100)• Prodotto in oltre 50.000 esemplari


Mostri fuori concorso: i supercomputer

• Macchine molto potenti dedicate al number crunching

• 10 volte più veloci dei mainframe

• Architettura molto sofisticata

• Parallelismo all’interno della CPU

• Nicchia di mercato molto specifica (vero anche oggi)

• Tipico rappresentante: CDC 6600 (1964)

• Progettista del CDC 6600 è Seymour Cray, poi fondatore della CRAY, anche oggi leader di mercato


Integrazione su larga scala (1965-1980)

Dal transistor al circuito integrato

• Evoluzione dell’architettura HW:– Microprogrammazione– Unità veloci floating-point– Processori ausiliari dedicati alla gestione dell’I/O

• Evoluzione dei Sistemi Operativi

– Virtualizzazione delle risorse– Multitasking: esecuzione concorrente di più programmi– Memoria Virtuale: rimuove le limitazioni dovute alle

dimensioni della memoria fisica


L’animale domestico: il PC (1980)

• Diretto discendente del minicomputer:– Architettura a bus– Parole e istruzioni a 16 bit – Interfaccia grafica (GUI, Graphical User Interface)

• Nasce nel 1980 all’IBM (che dà così avvio alla propria decadenza)

• Esplosione del mercato dei ‘cloni’• Crollo dei costi ed enorme espansione dell’utenza• L’espansione del PC è trainata da tre fattori:

– Aumento della capacità della CPU– Discesa dei costi della memoria– Discesa dei costi dei dischi


Mobile è bello: palmari, tablet etc.

• Evoluzione verso dispositivi portatili e molto piccoli• PDA (Personal Digital Assistent) cioè computer palmari• Smart phone: fusione di PDA e cellulare• Tablet: computer senza tastiera, con interazione tattile• Sistemi operativi ad hoc: Android, iOS, Windows Phone• Sistemi embedded

– Funzionalità intelligenti aggiunte a elettrodomestici e dispositivi di vario tipo

– Il software nasce (e muore) col dispositivo, è caricato nel firmware su memoria flash ed è spesso aggiornabile


La nuova frontiera: il ‘cloud computing’• L’idea è di fornire la potenza di calcolo come servizio• Ci si era pensato negli anni ’60, ma i tempi non erano maturi• Oggi è fattibile per via della connettività Internet (cloud)• Enormi server farm esistono (in luoghi spesso tenuti segreti)

– Risorse di calcolo: tempo di CPU e memoria– Memoria di massa: sterminate disk farm– Schemi di memorizzazione ridondanti

• L’utente sottoscrive contratti di servizio• Rinuncia a sapere dove i suoi dati sono conservati e dove le

sue elaborazioni saranno effettuate• Vantaggi:

– Abbattimento di investimenti e costi di gestione– Crescita dinamica: meno cruciale la pianificazione


La legge di Moore (1965)

Il numero di transistor per chip raddoppia ogni 18 mesi

• Circa un aumento del 60% all’anno• Conseguenze:

– Aumento della capacità dei chip di memoria– Aumento della capacità delle CPU


Legge di Moore per le CPU

• Più transistor in una CPU significano:– Eseguire direttamente istruzioni più complesse– Maggiore memoria sul chip (cache)– Maggiore parallelismo interno

• Altro fattore decisivo è la frequenza di funzionamento


Legge di Nathan (1997)

Il software è un gas: riempie sempre completamentequalsiasi contenitore in cui lo si metta

(ma sicuramente non è un gas perfetto!)

• Le dimensioni del software sono sempre cresciute col calare dei costi e con l’aumentare della memoria disponibile

• Il Circolo Virtuoso– Costi più bassi e prodotti migliori– Aumento dei volumi di mercato– Fattori di scala nella produzione– Costi più bassi …...


Tipologie di computer

Tipo Prezzo € Applicazione

Computer usa e getta 0.10 - 0.50 Cartoline d'auguri, pupazzetti

Microcontroller 1 -10 Orologi, elettrodomestici, automobili

Game computer 50 -150 Console per videogiochi

Personal computer 200 - 1000 Desktop e laptop computer

PDA e Tablet 200 - 800 Smartphone e dispositivi ad alta portabilità

Server 3000 - 10.000 Server di rete e di applicazione

Mainframe 1 M - 5 M Grandi applicazioni legacy


Tipologie di computer: PC e server

• Personal Computer– Sappiamo tutti chi è – Microprocessore a 32/64 bit– Memoria di 2- 16 GByte– Capacità dei dischi dell’ordine dei TByte (1012 Byte)– Per il 95% basato sulla piattaforma Intel

• Server– Su rete locale o Web server– Memorie di decine di GByte– Capacità dei dischi dell’ordine di decine di TByte– Gestione di rete efficiente


Tipologie di computer: PDA • Ormai integrati in telefoni mobili (smartphone)• Sempre con me !• Configurazione hardware

– CPU specializzate e molto evolute– Display fino a 960 x 640 (retina display iPhone5)– Memoria di massa allo stato solido– Fotocamera/telecamera– Connettività WiFi e 3G (4G)– Interfaccia tattile

• Applicazioni principali– Gestione agenda e rubrica– Navigazione Internet e posta elettronica– Fruizione multimediale


Tipologie di computer: Tablet• Evoluzione del laptop comparsa nei primi anni 2000…

… ma il mercato non era maturo• L’idea: per molte cose la tastiera non serve• Rilanciato clamorosamente dall’iPAD nel 2010• Interfacce tattili con tastiere virtuali• Configurazione tipo PDA potenziato• Connettività basata su WiFi e GSM (aspettando WiMax ..)• Applicazioni tipiche:

– Gestione e-mail e navigazione web– Accesso ai media: giornali, TV …– Lettura documenti (integra e-book reader)

Ha modificato il paradigma d’interazione uomo-macchina


Playstation

• Computer dedicati con elevate capacità di elaborazione grafica• Playstation 4 di Sony (2013)

– CPU 8-core a 64 bit e 6 processori ausiliari (SPE) a 128 bit– GPU (processore grafico) con 18 unità per 1.84 Tflops– 8 GB di memoria GDDR5 + 2 GB MB di memoria video– Grafica ad alte prestazioni e chip audio dedicato– Hard disk fino a 500 GB– Dischi ottici blue-ray– Controllori sofisticati con rilevazione di movimento

• Si tratta di sistemi chiusi– Poco espandibili– Ottimizzate per un particolare tipo di applicazioni


Microcontrollori: nascosti e onnipresenti• Piccoli computer integrati nei dispositivi

– Elettrodomestici– Dispositivi per la comunicazione: telefoni, fax, cellulari– Dispositivi multimediali: fotocamere, televisori etc.– Armi: missili, siluri– Giochi sofisticati

• In un’auto moderna sono presenti tipicamente una cinquantina di microcontrollori (ABS, iniezione, radio, GPS, …..)

• Sono sistemi con architettura completa• Versioni a 4, 8, 16 e 32 bit (ora anche a 64 bit)• Scelte architetturali basate sui costi

Un microcontrollore a 8 bit costa circa 10 centesimi


Computer usa e getta

• Dispositivi del costo di pochi centesimi, da inserire in biglietti di auguri etc.

• Dispositivi RFID (Radio Frequency Identification)– Costano pochi centesimi– Emettono un codice di identificazione a 128 bit– Si caricano grazie ad un segnale entrante– Sostituiscono etichette con codice a barre– Applicazioni ‘tipo Telepass’– Gestione dei bagagli– Inseriti anche nel bestiame, e nei cani e gatti– Si pensa di inserirli anche nelle banconote


Tipologie di Computer: mainframe

• Diretti discendenti della serie IBM/360• Gestione efficiente dell’I/O• Periferie di dischi di Petabyte (1015 byte)• Centinaia di terminali connessi• Costi di molti milioni di Euro

Perché sopravvivono?– Gestiscono applicazioni legacy– Costi di migrazione delle applicazioni molto superiori a quelli dell’hardware


La famiglia Intel


Perché Intel ha monopolizzato il mercato?

• Intel oggi detiene ben oltre il 90% del mercato desktop, laptop e server

• Persino Apple, dopo feroce resistenza, si è arresa• Una delle carte vincenti è stata la compatibilità all’indietro:− Significa che tutti i membri della famiglia sono in grado di

eseguire in modo nativo il codice dei loro predecessori− Ciò è vero partire dal 8088 (anno 1979)− Ad esempio il Core i7 a 64 bit esegue in modo nativo anche

il codice a 32 bit del Pentium e quello a 16 bit del 8088− Ciò ha garantito nel corso degli anni la portabilità del

software, e quindi l’assenza di brusche discontinuità• Una proposta che non si poteva rifiutare ….


L’architettura ARM

• Architettura RISC a 32 bit (64 nell'ultima versione) a basso consumo• Chip costruiti su licenza: Apple, Samsung, AMD, Nvidia, Sony ….. • Spesso usata come componente in SoC (System on a Chip)• 8-10 miliardi di pezzi prodotti all'anno. Presente in:

– 95% degli smartphone e tablet (iPhone, iPod, iPad, Galaxy.....)– 90% dei controllori di hard disk– 40% dei televisori digitali– 15% dei microcontrollori, router, switch– 20% degli altri dispositivi mobili (navigatori GPS, fotocamere ...)

Advanced RISC Machine)Sviluppato da ARM Holding (Cambridge, UK)IP core business: vendono IP (Intellectual Property)

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