Sistemi di Elaborazione 2001 Architettura dei sistemi di elaborazione Prima parte: HD e Software

Sistemi di Sistemi di Elaborazione Elaborazione 20012001

Architettura dei sistemi di elaborazione

Prima parte: HD e Software


Esempi di applicazione di sistemi di elaborazione• Regolazione del

riscaldamento• Sportello Bancomat• Prenotazione dei voli• Computer di bordo nell’auto• Previsioni meteorologiche


Esempi di applicazione di sistemi di elaborazione• Negli esempi precedenti

abbiamo:– Un sistema di acquisizione dati

dal mondo esterno– Un sistema capace di elaborarli

e di memorizzarli– Un sistema capace di fornire,

sulla base delle elaborazioni svolte, informazioni utili all’utente finale


Schema di un generico sistema di elaborazione

Dispositivo diINPUT

Dispositivo diOUTPUT

Unità di elaborazione

Memoria di massa(non volatile)

Dati in ingressoInformazione

in uscita


Tipologie di computer

• Sistemi “embedded”• Personal Computer• Workstation• Minicomputer• Mainframe• Supercomputer

Varia il livello di potenza e complessità


Sistemi “embedded”

• Es. computer che controlla le funzioni del motore e si adatta ai combiamenti delle condizioni di guida

• Agiscono all’interno di sistemi meccanici o elettrici più grandi e complessi senza il diretto controllo dell’operatore

• Ricevono gli input da sensori ed attivano meccanismi per controllare le condizioni operative, eseguendo un numero limitato di istruzioni preprogramate

• Si trovano all’interno di piccoli elettrodomestici, aerei, stereo, etc.


Personal Computer

• Desktop, laptop, notebook, palmari

• Tipicamente hanno un microprocessore

• “General Purpose”• Velocità: 30-120 MIPS• RAM: 32-128 MB


Workstation

• Stazioni di lavoro molto potenti con notevoli capacità grafiche

• Utilizzo “stand-alone”• Supportano il lavoro di

progettazione tecnica (CAD – Computer Aided Design)

• Velocità: 200-300 MIPS• RAM: 128-256 MB


Minicomputer

• Utilizzo in piccole aziende o divisioni di grandi compagnie

• Possono gestire centinaia di utenti

• Es. – gestione delle transazioni– Gestione del magazzino– Fatturazione


Mainframe

• Utilizzo in grandi compagnie, università, etc.

• Possono gestire migliaia di utenti• Es.

– Banche , catena di alberghi– Compagnie aeree, di assicurazioni..

• Gestiscono numerose periferiche, tipicamente dischi.


Schema di un generico sistema di elaborazione

Dispositivo diINPUT


Unità di elaborazione

Memoria di massa(non volatile)

Dati in ingressoInformazione

in uscita


Architettura di una CPU

Memoria RAM

CPU

Unità Aritmetico/LogicaALU

Unità di Controllo

Registri interni

Clock


Memoria Ram

• E’ costituita da locazioni singolarmente indirizzabili

• Ciascuna locazione contiene istruzioni o dati

Memoria RAM

CPU


Unità di Controllo

Clock

Random Access Memory


Caratteristiche della memoria

• Tempo di accesso• Velocità di trasferimento dei

dati• Ciclo di memoria (n. accessi

nell’unità di tempo)

dimensioni Tempo accesso

Velocità di trasferimento

Registri < 1K <0.5 ns

20.000 -100.000 MB/s

CAche <1MB <10 ns 5.000-10.000

Ram 64 –256 MB 40 ns 1000 -5000 Mb/s

Dischi 10-20 GB 10 ms 20-40 Mb/s


Tipi di memoria

• ROM (Read Only Memory) memoria dal contenuto fisso, non riscrivibile.

• PROM (Programmable ROM) si possono scrivere una sola volta.

• EPROM (Erasable PROM) si possono scrivere e ricancellare esponendole ai raggi UV.

• Memorie FLASH• ROM, PROM, EPROM non perdono il contenuto quando il

calcolatore viene spento.


ROM e BIOS

• Quando il calcolatore viene acceso, la RAM è vuota. Tuttavia la CPU deve poter trovare da qualche parte una sequenza di istruzioni (programma) da eseguire.

• In ogni computer c’è una ROM che contiene il BIOS (Basic Input/Output System).

• Il BIOS contiene un piccolo programma che consente di trasferire dalla memoria di massa a quella centrale il sistema operativo e altri dati essenziali (fase di caricamento o di boot) che mettono il computer in grado di funzionare.


Memoria centrale e memoria di massa

• Differiscono per la – volatilita dei dati e per – le funzioni che svolgono– Per la tecnologia di

realizzazione



• Volatilita’

• La memoria centrale tiene i dati fino a quando e alimentata

• Nella memoria di massa i dati sono immagazzinati permanentemente



Funzione:• LA memoria centrale contiene i

programmi in esecuzione e i relativi dati

• LA velocita’ di accesso influenza notevolmente le prestazioni del sistema

• La memoria di massa contiene elevate quantita’ di dati che non devono essere utilizzate frequentemente



Tecnologia:• LA memoria centrale e’ realizzata

con tecnologie elettroniche (VLSI)

• Le memoria di massa vengono realizzate con tecnologie magnetiche oppure ottiche.


memoria di massa

Varie tipologie:• Nastri• DAT (digital audio tape) (fino

a qualche giga)• DISCHI


memoria di massa: Hard disk

Varie tipologie:• Nastri• DAT (digital audio tape) (fino

a qualche giga)• DISCHI


Modalità di esecuzione della CPU

• Fase di “fetch”: Acquisizione dalla RAM dell’ istruzione da eseguire

• Decodifica dell’istruzione

• Esecuzione dell’istruzione

Memoria RAM

CPU


Unità di Controllo

Clock

Ciclo Macchina


Come è fatta un’istruzione

Memoria RAM

0 1 2 3 4 ……. 256

Codice operativo Operando1 Operando2

Es. Somma Indirizzo Op1 Indirizzo Op2


Uno sguardo ai registri

• PC (Program Counter)Tiene traccia della prossima

istruzione da eseguire• IC (Instruction Register)

– Contiene una copia della istruzione corrente da eseguire

• MAR (Memory Address register)– Contiene l’indirizzo dal quale

estrarre o dove trascrivere un dato• MDR (memory Data register)

– Contiene una copia del dato da trattare

• PSW (Processor Status Word)– Informazioni sullo stato del

processore

Memoria RAM

CPU


Unità di Controllo

Clock

PC

IC

MAR

MDRPSW


Uno sguardo ai registri

• Inoltre l’ALU contiene un proprio set di registri usati per svolgere le elaborazioni intermedie sui dati

Memoria RAM

CPU


Unità di Controllo

Clock

PC

IC

MAR

MDRPSW

R1 R2 Rn….


Steps del Ciclo macchina

Memoria RAM

ALU

Unità di Controllo

Recupero istruzione dalla

RAM

Decodifica Istruzione

Parte posta nel registro istruzioni

Parte posta nel registro indirizzi

Dati spostati dalla RAM al registro MDR

ALU riceve il comando di effettuare l’operazione

ALU effettua l’operazione

Risultati posti nell’accumulatore


Tipologie di istruzioni

• Trasferimento dati tra CPU e RAM

• Trasferimento dati tra CPU e interfaccia di Ingresso/Uscita

• Elaborazione dati• Controllo del flusso delle

istruzioni


Istruzioni di elaborazione dati

• Operazioni aritmetiche– somma, prodotto, ...

• Operazioni relazionali– confronto tra dati

• Operazioni su caratteri e valori di verità (booleani)

• Altre operazioni numeriche– calcolo di logaritmi e funzioni

trigonometriche


Bus di collegamento

• Collegamento fisico tra i componenti: occorrono tre tipologie di BUS– BUS Dati– BUS Indirizzi– BUS Controllo

• La CPU ha il compito fondamentale di coordinare l’accesso ai Bus da parte dei vari componenti dei sistema


Ancora sui BUS

• Il bus di controllo fa transitare i segnali che identificano sorgente e destinatario dei dati e direzione del flusso (es. lettura o scrittura)

• L’ampiezza del bus è la quantità di dati che possono essere trasferiti contemporaneamente (32 bit, 64 bit)


Funzionamento del bus

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

0000000100020003

00050004

0006MDR

MAR

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO


Fase di fetch

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

0000000100020003

00050004

0006MDR

MAR

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

0003

3FA8

0003


Fase di fetch

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

0000000100020003

00050004

0006MDR

MAR

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

0003

0003

LEGGI

3FA8


Fase di fetch

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

0000000100020003

00050004

0006MDR

MAR

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

0003

0003

LEGGI

3FA8

3FA8


Fase di decodifica

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

0000000100020003

00050004

0006MDR

MAR

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

3FA8

0003

3FA8

3FA8

Preleva il dato dalla prossimaLocazione di memoria e mettiloNel registro R1


Incremento del program counter

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

0000000100020003

00050004

0006MDR

0005

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

3FA8

0007

3FA8

0005

LEGGI


Prelievo del dato

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

0000000100020003

00050004

0006MDR

0005

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

3FA8

0007

3FA8

LEGGI

0001

0001


Scrittura nel registro della ALU

Memoria RAMCPU

Unità di Controllo

Clock

PC

IR

PSW ALUR1

R2

Rn

00010000000100020003

00050004

0006MDR

0005

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

3FA8

0007

3FA8

scrivi

0001

0001


Porta seriale e parallela

Memoria RAM

Memoria RAM

ClockClockMemoria

ROM

Memoria ROM

CPU

Dispositivo diINPUT


PORTAPORTA

PORTAPORTA

Controllers N

Controllers N

Dati

Indirizzi

Controllo


Interfaccia di Ingresso/uscita

PerifericaControllerBuffer

dati

RegistroDi stato

INDIRIZZI

DATI

controllo

Porta


Gestione delle periferiche

Le periferiche possono funzionare con tre tecniche:– Ciclo di “polling” – Interrupt– Accesso diretto alla memoria

(DMA)


Ciclo di polling


dati

RegistroDi stato

Interfaccia di ingresso/uscita

CPU

PProcesso

chiamante la periferica

INDIRIZZI

DATI

- P interroga ciclicamente il registro di stato- Quando il registro di stato segnala che i dati sono stati trasferiti P trasmette nuovi dati al buffer dei dati

controllo


Gestione con interrupt


dati

RegistroDi stato

Cavo di collegamento


CPU

PProcesso

chiamante la periferica

- P lancia il comando alla periferica e invia I primi dati-Si sospende




dati

RegistroDi stato



CPUP

Processo chiamante la

periferica

-La cpu passa ad un altro processo -Il controller notifica con un interrupt la CPU che è pronto a ricevere altri dati




dati

RegistroDi stato



CPU

-La CPU attiva il programma di risposta a interruzione, che attiverà il driver fisico della stampante per effettuare il successivo trasferimento dati

Driver fisicoP

Processo chiamante la

periferica


Accesso diretto alla memoria


dati

RegistroDi stato



CPU DMA

INDIRIZZI

DATI

CONTROLLO

RAM


Periferiche e caratteristiche

• Monitor (CRT e LCD)– Risoluzione– Memoria– Schede acceleratrici

• Stampanti– Inkjet– Laser– (DPI, PPM)


Scheda madre

• Alloggia il processore• La Ram• La cache memory• Ha slots di espansione

– (upgrades, schede grafiche, etc.)

• Un dispositivo di raffreddamento

• Un sistema di alimentazione


Valutazione delle Prestazioni di un sistema

• Velocità

• Lavoro svolto nell’unità di tempo (throughput)

• Affidabilità– MTTF (Mean Time to Failure)– MTTR (mean time to recovery)

• Un sistema è tanto affidabile quanto il meno affidabile dei suoi componenti


Valutazione delle Prestazioni di un sistema

• La valutazione delle prestazioni può essere svolta o in termini di distribuzioni di probabilità o in termini di valori medi (+ semplice)

• Lavoro svolto nell’unità di tempo (throughput)

• Elapsed time (tempo trascorso)• CPU time (tempo di elaborazione

impiegato dalla CPU)


Prestazioni della CPU

• Velocità del CLOCK: si misura in megahertz (MHZ) – Maggiore è la frequenza, piu’ cicli

macchina possono essere effettuati nell’unità di tempo

• MIPS (MILIONI DI ISTRUZIONI AL SECONDO) 100-1000

• MFLOPS (MILIONI DI OP. IN VIRGOLA MOBILE AL SECONDO) 10-100 MFLOPS <= MIPS <= FREQ. DI CLOCK



• Tcpu = Nclock X TclockNclock= n cicli necessari per il

completamento del processo

CPI = n cicli richiesti per completare un’istruzione (valore medio)

N(i) numero istruzioni eseguite per completare un processo

• Tcpu = CPI X N(i) / Fclock



• Le prestazioni dipendono comunque anche dal set di istruzioni proprio della CPU


Set di istruzioni e tipo di architettura utilizzataCISC (Complex Instruction Set Computer)RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Tipo di cpu cisc risc

Cpi Cicli clock per istruzione alto basso

N (i) basso alto

F clock media alta



• I MIPS non sono un parametro affidabile– In realtà occorre considerare il tipo di

lavoro che la CPU deve svolgere abitualmente

• Si utilizzano i benchmark – Programmi campione scritti in

linguaggi di programmazione ad alto livello

– Definiti dalla SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation)


Caratteristiche principali di un microprocessore

• Repertorio di istruzioni– le istruzioni del linguaggio macchina del processore

• velocità (misurata come frequenza del clock)– l’esecuzione di ciascuna istruzione richiede

solitamente più cicli macchina

• Ampiezza del bus– numero di bit nel bus interno del processore

• Co-processore– i moderni processori sono integrati a co-processori

specializzati (ad esempio, il co-processore matematico)

• Cache– una memoria veloce locale al processore, che

consente un’accelerazione nell’esecuzione dei programmi


Fattori collegati all’ampiezza del bus e dei registri • Lunghezza delle parole binarie che

la CPU e' in grado di elaborare, espressa in numero di bit (8, 16, 32, 64)

– Lunghezza delle parole binarie che e' in grado di scambiare con l'esterno con un'unica operazione (8, 16, 32, 64)

– Capacita' di indirizzamento (MB, GB) (spesso riferita come memoria RIM -

Registro Istruzioni Memoria)


Estensioni all'architettura di Von Neumann

• processori dedicati o co-processori per eseguire in modo particolarmente efficiente e in

parallelo alla CPU particolari operazioni, come quelle aritmetiche (processore aritmetico) o per la presentazione della grafica sul video (processore grafico, vulgo scheda grafica).

• possibilità di eseguire alcune istruzioni parzialmente in parallelo

• uso di gerarchie di memorie con prestazioni e costi decrescenti, come una memoria cache in cui tenere copia di parte dei dati della memoria centrale con accesso più rapido.


Estensioni all'architettura di Von Neumann

• macchine aventi diverse CPU che agiscono contemporaneamente (macchine parallele o multiprocessore), come i supercomputer per eseguire calcoli complicatissimi molto velocemente.


Evoluzione del PC

Legge di Moore: La potenza dei calcolatori raddoppia ogni 18 mesi.

– Inizi anni 80 (Personal Computer IBM AT)– Architettura 16 bit interna, 8 bit esterna (Intel

8088)– Clock 4.77 MHz, RAM 512 kB, Hard Disk 10 Mb– Prezzo: oltre 10 milioni (dell’epoca)

– Ieri (configurazione tipica di un PC di fascia media)– Architettura 32 bit (Intel P III/AMD Athlon)– Clock 1.2 GHz, RAM 128 MB, Hard Disk 20 Gb– Prezzo: meno di 2 milioni


Riferimenti bibliografici

Introduzione ai sistemi informatici

Sciuto, Buonanno, Fornaciari, Mari

Mc Graw Hill

• Capitoli N.3 e N.8 (I edizione)• Capitolo 4 (II edizione)


Introduzione alla programmazione

• Algoritmo• Programma• Linguaggio di

programmazione


Descrivere un programma con un diagramma di flusso

Leggi x e y

K x - y

K >0

ScriviMax = x

ScriviMax = y

fine

start

Calcolare il max fra due numeri

si no


Descrivere un programma con un diagramma di flusso

Leggi x e y

K x - y

K >0

ScriviMax = x

ScriviMax = y

fine

start

Calcolare il max fra due numeri

Lettura/scrittura

elaborazione

decisione no


Leggi la lista x1…xn

Prendi I primi due numeri x1 e x2

Altri numeri da esaminare

ScriviMax = m

fine

startCalcolare il max in una lista numeri

m max (x1,x2)

nosi

Prendi il successivo xi

m max (m,xi)


• Nell’esempio precedente notiamo il concetto di chiamata a sottoprogramma (ovvero un programma in grado di calcolare il max fra due numeri)


Tipologie di istruzioni

• Istruzioni di ingresso/uscita• Istruzioni aritmetico logiche• Istruzioni di controllo


Linguaggio di programmazione

• E’ caratterizzato da:• Sintassi• Lessico

La scrittura degli enunciati di un programma e’ regolata dalla sintassi

Un enunciato racchiude una serie di istruzioni


Linguaggio di programmazione

In un linguaggio di programmazione sono importanti:

• I tipi di dati disponibili• Gli operatori• Le variabili e le operazioni di

assegnazione di valori alle variabili

• I costrutti di programmazione

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