UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PARMA Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale Fondamenti di Informatica Architettura dei calcolatori elettronici Prof. M. Amoretti

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PARMACorso di Laurea in Ingegneria Gestionale Fondamenti di Informatica

Architettura dei calcolatori elettronici Prof. M. Amoretti

Architettura dei calcolatori elettronici

Prof. Michele Amoretti

Fondamenti di Informaticaa.a. 2007/2008



Sommario

Architettura vs Organizzazione

Modelli architetturali

CPU

Memoria

Sottosistema di I/O

Strutture di interconnessione



Architettura di un sistema di elaborazione

Riguarda le caratteristiche del sistema che sono visibili al programmatore.

Fanno parte dell’architettura i seguenti aspetti: • il numero di bit utilizzato per rappresentare i dati (numerici e

testuali)• il numero di registri della CPU• le modalità di indirizzamento• il repertorio delle istruzioni

Con il termine modello di programmazione ci si riferisce a ciò che vede il programmatore assembly, ovvero all’insieme dei registri che egli può manipolare e al repertorio di istruzioni assembly.In pratica il modello di programmazione è la traduzione in termini di programmazione dell’architettura.



Organizzazione di un sistema di elaborazione

Riguarda le relazioni strutturali tra le unità funzionali e il modo in cui esse realizzano una data architettura.

L’organizzazione di un calcolatore è tendenzialmente non visibile al

programmatore. Di essa fanno parte aspetti quali:

• la tecnologia impiegata• la struttura interna di certi moduli funzionali• la frequenza di clock• il modo in cui viene eseguita una data istruzione• il modo in cui vengono trasferiti i dati da una unità funzionale

all’altra



Perché distinguere i due concetti?

Mantenendo la stessa architettura si può passare da un modello di calcolatore meno potente a uno più potente mantenendo

inalterato il software (sia quello di sistema che quello applicativo).

La compatibilità architetturale è stata una delle chiavi del successo dei sistemi Intel.

Con il microprocessore 8086, introdotto nel 1978, è stata definita un’architettura (x86) che, seppure con aggiunte e miglioramenti, è arrivata ai giorni nostri e a quella che oggi viene chiamata IA32.Lungo questo percorso sono state impiegate nuove tecnologie microelettroniche e nuove strategie organizzative, ma è stata mantenuta la compatibilità (programmi eseguibili su un 8086 sono eseguibili anche su un Pentium 4).



Modelli architetturali

Un sistema di elaborazione, in generale, è una macchina che accetta in ingresso informazioni codificate in forma digitale, le elabora e produce informazioni in uscita.

I blocchi funzionali che lo compongono sono:- CPU (central processing unit - in italiano processore)- memoria- sistema di ingresso/uscita

Un computer, rispetto a una macchina calcolatrice convenzionale, ha in più il concetto di programma memorizzato.

Dati e istruzioni nella stessa memoria: modello di Von Neumann.

Dati e istruzioni in memorie separate: modello Harvard.



Modello di Von Neumann

Lo schema si basa su cinque componenti fondamentali:

1. CPU, che si divide a sua volta in 1. Unità operativa, nella quale uno dei sottosistemi più rilevanti è

l'ALU (Arithmetic Logic Unit) 2. Unità di controllo

2. Unità di memoria, intesa come memoria principale (la RAM) che contiene sia i dati da elaborare che le istruzioni da eseguire (programma)

3. Unità di input, tramite la quale i dati vengono inseriti nel calcolatore per essere elaborati

4. Unità di output, necessaria affinché i dati elaborati possano essere restituiti all'operatore

5. Bus, un canale che collega tutti i componenti fra loro



Schema architetturale di un PC moderno

CPU1

North bridge

Bus host

CPU2

South bridge

Bus PCI

Bus ISABios

Memoria principale

Bus AGP

Slot PCI

Slot ISA

EIDE

USB



CPU

La figura rappresenta lo schema più semplice di CPU, a livello RTL, secondo il modello di Von Neumann.

Vi sono 5 registri principali: DR, AR, PC, IR, ACC.

Vi è anche una ALU che esegue le operazioni aritmetico-logiche.



CPU

DR (Data Register) - Memorizza i dati provenienti e diretti alla memoria.

AR (Address Register) - Memorizza gli indirizzi da comunicare alla memoria.

PC (Program Counter o Contatore di Programma) - Memorizza l'indirizzo della istruzione da eseguire.

IR (Instruction Register) - Memorizza il codice dell'istruzione da eseguire.

ACC (Accumulator) – Immagazzina dati in ingresso e in uscita dalla ALU.



Ciclo base

Per una qualsiasi istruzione:

• FETCH: Lettura dell'istruzione in memoria. • ESECUZIONE: Lettura dei dati necessari.

Svolgimento dell'operazione.

La fase di FETCH consente l'acquisizione della nuova istruzione.

La fase di ESECUZIONE consente lo svolgimento della operazione.

La fase di FETCH è eguale per tutte le istruzioni che ovviamente si differenziano nella fase di ESECUZIONE.

Al termine della fase di ESECUZIONE viene eseguita la fase di FETCH della istruzione successiva.



Ciclo base

Ogni istruzione contiene in modo esplicito o implicito l’indicazione dell’istruzione successiva.

Modo esplicito: il codice dell’istruzione contiene l’indirizzo della cella di memoria dove è contenuta l’istruzione successiva.

Modo implicito: l’indirizzo della istruzione successiva è contenuto in un registro interno alla CPU.

La sequenza delle istruzioni è definita dal programma.



Ciclo base

Con riferimento alla figura, la fase di FETCH consiste nelle seguenti operazioni di trasferimento dati tra registri:

AR PCDR M(AR) ; lettura in memoria dell’istruzioneIR DR ; codice di istruzione all’unità di controllo

Prima di iniziare la fase di esecuzione, si aggiorna il PC con l’indirizzo dell’istruzione successiva.

Attenzione! l’istruzione successiva non è per forza nella successiva cella di memoria (vedi salti e chiamatea sottoprogrammi).



Lo stack

Lo stack (pila) è una struttura dati gestita secondo una politica LIFO (last in – first out).

La possibilità di gestire uno stack in memoria è comune a molte architetture. In tal caso il repertorio delle istruzioni prevede le operazioni

PUSH – inserimento di un dato nello stackPOP – prelievo di un dato dallo stack



Lo stack

Per la gestione dello stack servono due registri:

BP (Base Pointer) – punta entro lo stack come se si trattasse di una normale area di memoria

Es. LOAD R,[BP+8] carica in R il contenuto della cella dello stack il cui indirizzo è dato dalla somma del contenuto di BP con 8

SP (Stack Pointer) – punta sempre alla testa dello stack e viene aggiornato ad ogni esecuzione di una operazione PUSH o POP; non può essere impiegato come indicato sopra per BP



Lo stack

Lo stack viene utilizzato per:

- salvare temporaneamente il contenuto dei registri prima dell’esecuzione di un sottoprogramma (procedura)

- depositare i parametri passati a un sottoprogramma

Es. una istruzione di alto livello del tipo y = f(x1, x2, …, xn);

viene tradotta dal compilatore in una sequenza di PUSH dei parametri, a partire dall’ultimo, seguita dall’istruzione di chiamata a f; il valore y viene reso attraverso un registro predefinito (sempre lo stesso, per una data architettura).Per accedere ai parametri nello stack, il sottoprogramma usa il BP.



Interruzioni

• Eventi infrequenti ed eccezionali.• Generati internamente o esternamente.• Causano il trasferimento del controllo dal programma corrente a un

programma specifico di servizio dell'evento.

Classificazione:1. Interruzioni esterne (external interrupt o device interrupt): in genere

usate per gestire le operazioni di I/O, si verificano in modo asincrono rispetto all’esecuzione del programma.

2. Eccezioni (exception conditions): causate da situazioni anomale rilevate durante l’esecuzione del programma, si verificano in modo sincrono; esempio: divisione per zero.

3. Trappole (traps): generate da apposite istruzioni presenti nel programma (es. istruzione INT del processore 8086), si verificano in modo sincrono e sono predicibili – in pratica sono particolari operazioni di salto.



Interruzioni

• La presenza di un interrupt è segnalata alla CPU da una linea proveniente dall'esterno (o da un segnale interno).

• Il segnale è testato dalla CPU alla fine di ogni ciclo di istruzione.

• La CPU risponde trasferendo il controllo a un altro programma.



Interruzioni

Ancora sulle azioni della CPU in risposta alla richiesta di interruzione:

• Lo stato complessivo della CPU viene memorizzato nello stack a cura del programma di gestione.

• Nel PC viene immagazzinato l'indirizzo del sottoprogramma di gestione.

• L'esecuzione del sottoprogramma continua fino all'istruzione di RETURN che riporta il controllo al programma interrotto.



La codifica delle istruzioni a basso livello

Un possibile formato per la codifica di istruzioni su parole di 32 bit:

Es. LOAD R,Var

LOAD è il codice mnemonico per l’operazione di trasferimento dati dalla memoria. R è il registro destinazione. Var è il nome simbolico di una posizione di memoria (indirizzo). Quindi l’istruzione equivale all’istruzione RTL

R M[Var]

31 0

OP R Indirizzo



La codifica delle istruzioni a basso livello

Un altro possibile formato per la codifica di istruzioni su parole di 32 bit:

Es. ADD R1,R2,R3

ADD è il codice mnemonico per l’operazione di somma. R1 è il registro destinazione. R2 e R3 sono i registri che contengono gli addendi. Quindi l’istruzione equivale all’istruzione RTL

R1 R2+R3

31 0

OP Ra Rb Rc



Unità di controllo

Le connessioni non sono attive tutte contemporaneamente.L’unità di controllo seleziona i cammini che risultano attivi in un determinato istante.



Caratteristiche di un set di istruzioni

COMPLETEZZA: • Deve essere possibile valutare qualunque funzione che sia calcolabile con una disponibilità ragionevole di memoria.

EFFICIENZA: • Istruzioni usate frequentemente devono essere eseguite rapidamente.• Il controllo sull'efficienza deve essere misurato sul codice generato da compilatori.• Fornire primitive, non soluzioni.



Caratteristiche di un set di istruzioni

REGOLARITA’:• Le istruzioni devono comportarsi in modo omogeneo rispetto ai modi di indirizzamento. • Quando ogni istruzione consente tutti i modi di indirizzamento possibili su tutti gli operandi: ORTOGONALITA'

COMPATIBILITA’:• Compatibilità sorgente: sono compatibili i codici mnemonici del linguaggio assembler.• Compatibilità binaria: sono compatibili i codici macchina. • Il codice macchina deve essere eseguibile su processori successivi della stessa famiglia.• 8080 8086 80186 ... Pentium ...• PDP11 VAX



Tipi di istruzioni

TRASFERIMENTO DATIMOVE Trasferisce dati tra registriLOAD Trasf. dati dalla memoria STORE Trasf. dati alla memoriaEXCHANGE Scambia datiSET/RESET Pone ad 1/0PUSH/POP Gestione stack

OPERAZIONI ARITMETICHEADD/SUB Somma/differenzaMULT/DIV Moltiplicazione/divisione ABS Valore assolutoNEG Cambio segnoINC/DEC Incrementa/decrementa



Tipi di istruzioni

OPERAZIONI LOGICHEANDORNOTXOR

OPERAZIONI PER LA MANIPOLAZIONE DEI BITSHIFT traslazione ROTATE rotazione

CONTROLLO DEL FLUSSOJUMP salto incondizionatoJUMP COND salto condizionatoCALL (COND) salto a sottoprogrammaRET (COND) uscita da sottoprogramma



Tipi di istruzioni

CONTROLLO CPUHALT blocco operazioni WAIT/HOLD blocco operazioni con ripresa condizionataNOP non svolge operazioni

INGRESSO E USCITAINPUT (READ) trasferimento dati da I/O verso memoria o registroOUTPUT (WRITE) trasferimento dati verso porta di I/O



Repertorio stile CISC

CISC = Complex Instruction Set Computers

Criteri di progettazione:• le istruzioni non hanno dimensione fissa• il campo del codice di operazione può occupare più o meno bit• numero ampio di formati: il codice di operazione non identifica univocamente il formato delle istruzioni, e da un formato all’altro i campi che identificano uguali entità possono occupare differenti posizioni

Esempi di processori CISC:Intel x86, Zylog Z80, Motorola 68000

Il mondo dei PC desktop e laptop è dominato dalla famiglia Intel x86 che continua ad adottare lo stile CISC per mantenere la compatibilità con le applicazioni.



Repertorio stile RISC

RISC = Reduced Instruction Set Computers

Criteri di progettazione:• le istruzioni hanno tutte la stessa dimensione (es. 32 bit)• il campo del codice di operazione occupa uno spazio predefinito• numero molto limitato di formati: il codice di operazione identifica univocamente il formato dell’istruzione, e nel passare da un formato all’altro i campi che identificano uguali entità occupano sempre la stessa posizione

Esempi di processori RISC:IBM PowerPC, Intel i880 e i960, AMD 29000, Sun SPARC

Utilizzati per: telefoni cellulari, palmari, automobili, console. Inoltre i processori RISC, dagli anni 90, sono i dominatori incontrastati dei server ad alte prestazioni.



CISC o RISC?

Prima degli anni 80 si riteneva che repertori estesi di istruzioni fossero preferibili, per facilitare la costruzione di compilatori.

L’uso efficiente della memoria centrale (allora costosa e poco performante) era il primo obiettivo di qualunque soluzione architettonica. Repertorio esteso significa programmi più corti che occupano meno memoria ma che richiedono una unità di controllo più complessa. La memoria di controllo era più veloce di quella centrale, per cui portare funzionalità nella prima avrebbe comunque migliorato le prestazioni della macchina.

Con l’avvento delle memorie a semiconduttore (che rimpiazzarono quelle a nuclei magnetici) e delle memorie cache, e la constatazione che l’80% delle istruzioni eseguite corrisponde al solo 20% del repertorio esteso, presero piede i microprocessori RISC.



Storia dei microprocessori

Il termine microprocessore venne usato per la prima volta da Intel nel 1971, quando introdusse un computer microprogrammabile su un unico chip, la CPU Intel 4004 era completa di:- sommatore parallelo a 4 bit- 16 registri a 4 bit- un accumulatore- uno stack

Frequenza massima di clock: 740KHz.

Con l’aggiunta di memorie di tipo RAM e ROM, la CPU 4004 costituiva il sistema MCS-4.

Realizzata con la stessa tecnologia, nel 1972 uscì la CPU Intel 8008, la prima in grado di operare a 8 bit.Frequenza massim di clock: 800KHz.




I microprocessori a 8 bit sono detti di prima generazione.

La grande diffusione di questi dispositivi inizio nel 1974, con l’introduzione della CPU Intel 8080, con frequenza di clock massima di 2MHz.I concorrenti erano il Motorola MC6800 (prodotto a basso costo perchè fu il primo ad avere alimentazione singola), e lo Zilog Z80 (che incorporava il repertorio di istruzioni dell’8080 e quindi aveva piena compatibilità con i programmi scritti per quella CPU).




Fu l’Intel 8086, messo sul mercato nel giugno 1978, a inaugurarela seconda generazione di microprocessori, capaci di operare su 16 bit alla volta.

L’8086 indirizzava 1MB di memoria e lavorava alla frequenza di 5MHz, per una capacità media elaborativa di 0,33 MIPS (milioni di istruzioni per secondo).

L’8086 definì le basi dell’architettura x86.

L’Intel 8088 (un 8086 con bus esterno a 8 bit) venne adottato a IBM per costruire il suo PC (Personal Computer), che ebbe un successo enorme anche grazie al software Microsoft.




Il principale concorrente dei processori Intel 8086/88 era il Motorola MC68000.

Pur avendo caratteristiche leggermente superiori all’8086, il ritardo di due anni con cui il 68000 arrivò sul mercato pregiudicò la loro affermazione.

Il 68000 ebbe comunque ottima accoglienza nel mercato delle cosiddette workstation, per i quali il sistema operativo Unix era la norma. Sun Microsystems e HP (i più accreditati costruttori di workstation) per anni adottarono il 68000.

Il declino del 68000 iniziò con con l’ingresso delle architetture RISC nel mercato delle workstation. Sun, in particolare, abbandonò Motorola e sviluppò una propria architettura (SPARC).




A un certo punto, le CPU a 16 bit entrarono in una fase di grande crescita, e apparvero componenti di corredo avanzati come gestori di memoria (MMU), unità aritmetiche in virgola mobile (FPU), controllori di accesso alla memoria (DMA).

1984: MC680201985: Intel 803861987: MC680301989: MC680401990: Intel 80486

Dal 1991: PowerPC di IBM, Apple e Motorola (AIM)Dal 1993: Intel Pentium e compatibili (es. AMD)

www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm



La legge di Moore

Nel 1965 Gordon Moore (che con Robert Noyce e Andy Groove fonderà Intel nel 1968) in un articolo sulla rivista Electronics ipotizzò che l’aumento della capacità elaborativa (intesa come numero di transistori nel singolo chip) sarebbe continuato, per tutti gli anni ’70, al ritmo di un raddoppio ogni 12 mesi.

Nel 1975 Moore fece una prima correzione: raddoppio ogni 2 anni.

A fine anni ’80 si corresse ancora e diede la stima che tutt’oggi è il metro di misura e l’obiettivo per le aziende che operano nel settore: raddoppio ogni 18 mesi.



Memoria

Parametri di valutazione:

Dimensione (nel senso di capacità) – data in bit o byte; spesso la dimensione viene riportata in modo da descrivere l’organizzazione interna. es. 64K x 8 bit indica una memoria di 65536 celle di 8 bit ciascuna.

Velocità – indicata come tempo di accesso (intervallo di tempo tra la richiesta del dato e il momento in cui viene reso disponibile).

Potenza – questo parametro indica la potenza media assorbita.

Costo – il parametro più aleatorio, dipende anche dal volume di acquisto.

Integrazione – maggiore l’integrazione, minore l’ingombro e il consumo e i costi di assemblaggio delle parti, dell’alimentazione e dello smaltimento del calore.

Idealmente un calcolatore dovrebbe avere quanta più memoria possibile, ad alta velocità, basso consumo, basso ingombro e minimo costo.



Memoria

La tecnologia consente di realizzare CPU sempre più veloci. Nel 2006 sono stati messi sul mercato processori con frequenza di clock superiore ai 3GHz.

Purtroppo le memorie non sono così veloci, cioè non hanno tempi di accesso paragonabili al periodo di clock delle CPU attuali.

Le prestazioni delle CPU non devono essere troppo negativamente influenzate dal tempo di accesso alle memorie.

In aiuto al progettista viene la proprietà di località spaziale e temporale esibita dai programmi.

200

100

ns

1980 1990 2000

Tempo di accesso memoria

Tempo di ciclo CPU



Principio di località

La modalità di accesso ai dati è in genere prevedibile, cioè vale il principio per cui

Questo significa che nel breve periodo gli indirizzi generati da un programma sono confinati in regioni limitate.

La distribuzione degli accessi alla memoria in un dato intervallo può essere misurato direttamente su un sistema.

se al tempo t si accede all'indirizzo X è "molto probabile" che l'indirizzo X+X sia richiesto fra t e t+ t.



Gerarchie di memoria

Idealmente un calcolatore dovrebbe avere quanta più memoria possibile, ad alta velocità, basso consumo, basso ingombro e minimo costo.

Non è possibile avere un’unica memoria con tutte queste caratteristiche, ma il principio di località suggerisce di realizzare una gerarchia:- memorie piccole e veloci (e costose) ai livelli alti, vicino alla CPU;- memorie ampie, più lente (e meno costose) ai livelli più bassi.

MemoriaM1

CPU …Memoria

M2




A diversi livelli, le memorie sono realizzate con tecnologie diverse.

Costo per bit: c1 > c2 > …Tempi di accesso: tA1 < tA2 < …Dimensioni: S1 < S2 < …

Un tipico sistema di memoria è il seguente:• memoria interna alla CPU• memoria ROM• memoria cache• memoria principale• memoria secondaria c tA S

MemoriaM1

CPU …Memoria

M2




I criteri di gestione si rifanno al principio di località:• I dati utilizzati più spesso vanno posti in memorie facilmente accessibili.• I dati utilizzati più raramente sono posti in memorie con tempi di accesso elevato.• Allocazione dinamica per utilizzare gli spazi disponibili con la massima efficienza.• Spostamento automatico dei dati tra i livelli.• Canali di comunicazione veloci fra i livelli.

Questa politica di gestione tende a mimare una memoria che abbia:• i tempi di accesso della più veloce,• le dimensioni della maggiore,• i costi della più economica.



Memoria virtuale

All’inizio dell’era informatica le memorie erano costose e poco capienti. I programmatori impiegavano molto tempo nel tentativo di assottigliare i programmi perché entrassero in memorie minuscole.

Quando il programma era troppo grande, veniva messo nella memoria secondaria diviso in pezzi, ciascuno dei quali poteva entrare in memoria principale. I pezzi venivano portati nella memoria principale ed eseguiti uno alla volta. La gestione di questo procedimento era interamente nelle mani dei programmatori.

Nel 1968 un gruppo di ricercatori propose di automatizzare questo processo separando i concetti di spazio degli indirizzi e di locazioni di memoria.

Questo metodo è oggi chiamato MEMORIA VIRTUALE.



Memoria virtuale

Ad es. una CPU a 16 bit vede uno spazio degli indirizzi che va da 0 a 65535 (216 parole di memoria virtuale). La memoria principale può avere comunque, fisicamente, meno di 65536 locazioni (supponiamo 4096).

Indirizzi utilizzabili dal programma: indirizzi virtuali (o logici).

Indirizzi effettivi della memoria principale: indirizzi fisici.

Esiste una corrispondenza (se necessaria) tra indirizzo logico e indirizzo fisico.

La corrispondenza prende il nome di allocazione, ed è una funzione f tale che:

indirizzo fisico = f(indirizzo logico)



Memoria interna alla CPU

Registri interni alla CPU:- visibili o no al programmatore- memorizzano temporaneamente dati e istruzioni- dimensione: qualche byte- tempo di accesso: qualche ns

In tempi recenti si è iniziato a collocare sullo stesso chip della CPU anche memorie di tipo cache.

Nelle CPU più recenti cresce la quantità di risorse dedicate alla memoria:

– 1980: processori senza cache (I386)– 1995: Alpha 21164 55% dei transistor– 2000: Merced (Intel-HP) 85% dei transistor



Memoria ROM

- memoria elettronica (è una matrice logica)

- ad accesso casuale (il tempo di accesso a una cella è indipendente dalla sua posizione)

- a sola lettura

Impiegata per contenere i programmi che inizializzano la macchina all’atto dell’accensione e il nucleo di base del sistema operativo.



Memoria cache

La cache è una memoria veloce e di piccole dimensioni posta fra la CPU e la memoria principale.La cache e la memoria principale formano una gerarchia di memoria.

I tre livelli di memoria:Cache - Memoria principale - Memoria secondariasono gestiti come due gerarchie a due livelli:• Memoria principale - Memoria secondaria.• Cache - Memoria principale.

Memoria Cache

CPU

MemoriaPrincipale



Memoria cache

Le prestazioni della memoria cache dipendono anche dalla sua posizione rispetto alla CPU:• cache su scheda• cache su chipLa presenza di una memoria cache sullo stesso chip del processore rappresenta la soluzione che garantisce la maggiore efficienza.Nei sistemi più recenti sono presenti entrambe le soluzioni.

MemoriaPrincipaleCache

L1CPU

Cache

L2

Cache

L3

CHIP SCHEDA MADRE



Memoria cache

Ciclo delle operazioni:

Un indirizzo fisico viene inviato dalla CPU.La cache confronta la parte rilevante dell'indirizzo.

Se vi è {hit} viene completato il ciclo.

In caso di {miss} la cache inizia la lettura da memoria principale di dati che comprendono quello richiesto.

Politiche di sostituzione come per la memoria virtuale.



Memoria principale

- memoria elettronica

- ad accesso casuale

- in lettura/scrittura

Contiene i programmi che la CPU esegue e i dati cui la stessa CPU può accedere direttamente.

L’informazione scompare se viene meno la tensione di alimentazione.

E’ veloce e di grande capacità (decine-centinaia di Mbyte).

Genericamente parlando, viene indicata come RAM (Random Access Memory). Viene divisa in SRAM e DRAM a seconda della modalità (statica o dinamica) in cui l’informazione viene memorizzata.



Memoria principale

Schematizazione dello spazio di memoria diviso in blocchi contigui di dimensione C (celle) e realizzazione circuitale. I due bit più significativi dell’indirizzo vengono decodificati per selezionare l’integrato corrispondente a uno dei blocchi di dimensione C.Le restanti log2C linee del bus degli indirizzi vengono collegate ai piedini corrispondenti sugli integrati.



Memoria principale

Struttura interna di ciascunblocco di dimensione C=2N



Memoria principale

Schema di principio di un bit di memoria RAM statica (SRAM):

Il singolo flip-flop si realizza con 4 o 6 transistor, quindi su piccola o media scala con tempi di accesso piuttosto bassi (da qualche nsec a un centinaio).

L’assorbimento di potenza non è trascurabile, specialmente per i tipi più veloci, per cui le memorie SRAM sono utilizzate per realizzare i registri della CPU e memorie di piccole dimensioni come la cache.



Memoria principale

Nelle memorie RAM dinamiche (DRAM) l’informazione è rappresentata attraverso la carica immagazzinata in un condensatore integrato MOS.

E’ richiesto un solo transistore per bit; la capacità viene ricavata sulla struttura del transistore stesso, ottimizzando lo spazio occupato.

Condensatore carico: 1Condensatore scarico: 0

La carica si esaurisce in pochi millisecondi, per cui deve esserci un’operazione periodica di rinfresco (lettura e riscrittura) eseguita da un circuito interno alla memoria stessa.Questo comporta un certo dispendio di energia e rendono più lenta la memoria (in fase di refresh l’accesso è negato).

Linea indirizzi

Linea dati

50pC



Memoria principale

Ancora sulle memorie DRAM:

anno dimensioni t di ciclo 1980 64 Kbit 250 ns 1983 256 Kbit 220 ns 1986 1 Mbit 190 ns1989 4 Mbit 165 ns1992 16 Mbit 140 ns1995 64 Mbit 120 ns2000 512 Mbit 100 ns2002 1 Gbit 70 ns2006 4 Gbit 50 ns

Nel 2006: 0,1 $ per MB



Memoria secondaria

- memoria magnetica o ottica o a stato solido

- ad accesso seriale o semi-casuale o casuale

- in lettura/scrittura

Dispositivi quali nastri magnetici, floppy, dischi rigidi, CD-ROM, memorie flash rapresentano memorie non volatili, con tempi di accesso decisamente maggiori rispetto alla memoria principale.

Lo scopo delle memorie ausiliarie è quello di conservare in modo persistente grandi quantità di dati.



Memoria secondaria

NASTRI MAGNETICI, DISCHI MAGNETICI E OTTICI

• Condividono il sistema (o testina) di lettura e scrittura tra diverse locazioni di memoria.• La sequenza di locazioni che condivide la stessa testina si chiama traccia.• L'accesso alla locazione di memoria avviene spostando la testina o la traccia.• La traccia o parte di essa deve essere letta completamente per accedere al singolo dato.• Le memorie ad accesso seriale hanno raggiunto con la tecnologia magnetica e ottica costi per bit estremamente bassi.



Memoria secondaria

Un disco rigido consiste di un certo numero di piatti di alluminio ricoperti da materiale magnetico. Attualmente il diametro dei piatti varia da 3 a 12 cm, e un disco rigido ospita da 1 a 20 piatti.

I piatti sono in perenne rotazione (tra 3600 e 7200 giri/min, ma ci sono anche dischi che vanno a 15000 giri/min).

I dati sulla superfice del disco sono scritti in cerchi concentrici che sono denominate tracce.

Ogni traccia è divisa in settori (da 512 byte, ma anche 1024 e 2048 byte), ciascuno contenente un gruppo di dati con le informazioni per correggere eventuali errori e un preambolo per la sincronizzazione.

L’insieme delle tracce che stanno su di un cerchio di dato raggio costituisce un cilindro.



Memoria secondaria

Le testine di lettura/scrittura sono solidali tra loro, ma solo una alla volta legge/scrive in un certo istante.

L’accesso è semi-casuale perché per poter effettuare una operazione di lettura/scrittura occorre prima portare la testina sulla traccia e poi attendere che il settore cercato passi sotto di essa.



Memoria secondaria

Le memorie seriali hanno tempi di accesso elevati perché:

• Occorre tempo per posizionare la testina di lettura.• La traccia si muove a velocità ridotta.• Il trasferimento dati è seriale.• La testina di lettura è condivisa fra più tracce.

- seek time (tseek): tempo necessario a portare la testina sulla traccia

- latency time o latenza di rotazione (tlat): è il tempo medio speso nell’attesa che il settore passi sotto l’unità di lettura/scrittura

- velocità di rotazione del disco (r): si misura in giri al secondo (rps)

- tempo di trasferimento (ttrasf): è il tempo richiesto per trasferire un settore (valori usuali sono compresi tra 2 e 15 MB/s)



Memoria secondaria

Si noti che: tlat = (2r)-1

Il tempo di accesso viene definito come:

tacc = tseek + tlat + ttrasf



Memoria secondaria

Un CD-ROM è un disco di policarbonato con una superficie di alluminio riflettente protetta da un film di resina.

Le informazioni sono memorizzate come successioni di "buchi" (pits) e "terre"(lands) nel policarbonato, letti per mezzo di un laser. I dati su di un CD sono memorizzati a spirale.

La velocità di scansione è di 1,2 m/s costante con una velocità di rotazione che varia da 500 (settori esterni) a 200 giri/min (settori interni).

I dati sono memorizzati in settori che contengono:

Preambolo (16 byte) – Dati (2048 byte) – ECC (288 byte)

La velocità di lettura 1x è di circa 75 settori/s che corrispondono a circa 150 Kbyte/s. Velocità massima di lettura: 52x.

Un CD contiene fino a 800MB di dati (80 minuti di musica).



Memoria secondaria

Le memorie flash sono dispositivi a stato solido (non hanno parti in movimento) non volatili (mantengono l’informazione anche se non sono alimentate) che stanno prendendo il posto dei dischi.

• Velocità di lettura ~ 20 MB/s di scrittura ~ 10 MB/s

• Latenza ~ 25 μs per iniziare a leggere, ~ 100 μs per leggere 2KB ~ 200 μs per scrivere 2KB

In futuro sostituiranno i dischi rigidi.



Sottosistema di I/O

Il sottosistema di I/O è la parte attraverso la quale si esplica la comunicazione tra il calcolatore e il mondo esterno.

Ne fanno parte:- dispositivi per la comunicazione uomo-macchina (video, stampanti, mouse, ecc.)- dispositivi di memoria secondaria (unità a dischi, a nastri magnetici, ecc.)



Sottosistema di I/O

Ogni dispositivo di I/O è collegato al bus di sistema attraverso una interfaccia (o controllore), che realizza l’adattamento logico e fisico tra le periferiche e il calcolatore.

Dal punto di vista logico, l’interfaccia deve:• fornire porte di ingresso per i dati che devono essere inviati alla CPU, e porte di uscita per i dati che devono essere trasferiti alla periferica (in entrambi i casi è coinvolto il data bus);• essere in grado di decodificare istruzioni e indirizzi delle porte da utilizzare (le istruzioni viaggiano sul control bus, gli indirizzi sull’address bus);• fornire eventuali registri o buffer di appoggio per i comandi alla periferica;• tenere traccia dello stato della periferica e delle eventuali condizioni di malfunzionamento o di errore, consentendone la lettura (segnali di stato – es. BUSY e READY).



Sottosistema di I/O

Il processore può comunicare con uno o più dispositivi esterni secondo schemi temporali imprevedibili che dipendono dalle richieste di I/O del programma.

I periferici sono normalmente più lenti a paragone della velocità di esecuzione delle istruzioni di una CPU. Inoltre essi procedono in modo autonomo e quindi si rende necessario introdurre qualche meccanismo di sincronizzazione.

Le tecniche fondamentali sono:- gestione a controllo di programma- gestione sotto controllo di interruzione- gestione tramite accesso diretto alla memoria (DMA)



Gestione a controllo di programma

Si realizzano più sottoprogrammi di gestione per ogni periferica, richiamabili dal programma principale.

Il grosso limite della gestione a controllo di programma: si va alla velocità della periferica (che in genere è molto più lenta della CPU).

La maggior parte del tempo di CPU è sprecato nell’osservare lo stato della periferica in attesa che sia pronta per un nuovo trasferimento.

Es.

la CPU esegue 100 M istr./secla stampante stampa 100 car/sec, cioè 1 carattere ogni 10 msec tra carattere e carattere la CPU avrebbe tempo per eseguire 106 istr.



Gestione sotto controllo di interruzione

Ricordiamo cosa sono le interruzioni:

• eventi infrequenti ed eccezionali• generati internamente o esternamente• causano il trasferimento del controllo dal programma corrente a un programma specifico di servizio dell'evento

In questo contesto, ci interessano le interruzioni esterne (external interupt o device interrupt): in genere usate per gestire le operazioni di I/O, si verificano in modo asincrono rispetto all’esecuzione del programma.



Gestione sotto controllo di interruzione

La CPU non deve verificare con continuità lo stato dei dispositivi di I/O. Devono essere questi ultimi a richiamare l'attenzione della CPU.

Accesso diretto e rapido alla CPU per:• richiesta inizio operazione.• segnalazione di fine operazione.

E’ necessario assegnare urgenze o priorità diverse alle varie richieste di intervento se contemporanee.



Accesso diretto alla memoria (DMA)

Se la periferica è molto veloce, è possibile che la frequenza delle interruzioni sia così alta da non lasciare, tra interruzione e interruzione, il tempo necessario all’intera esecuzione della routine di servizio.

E’ il caso delle unità a disco, la cui velocità di trasferimento può superare il milione di caratteri per secondo (stesso ordine di grandezza della velocità di esecuzione delle istruzioni in una CPU di prestazioni medie).

Tecnica più efficiente: un dispositivo gestisce il trasferimento diretto dei dati tra periferiche e memoria, senza coinvolgere la CPU (a cui ruba cicli di bus – cycle stealing). Tale dispositivo prende il nome di Direct Memory Access Controller (DMAC).



Strutture di interconnessione

Le strutture di interconnessione collegano i moduli che devono scambiarsi informazioni.

In un sistema di calcolo le prestazioni, l’affidabilità e il costo delle interconnessioni hanno un ruolo fondamentale.

Tipo: la connessione può essere di tipo serie (una sola connessione fisica) o parallelo (più connessioni fisiche).

Prestazioni: si misurano in (M,K)Bytes o (M,K)bit al secondo trasferiti.

Affidabiltà: dipende principalmente dal connettore.

Costo: legato al tipo di connessione e alla standardizzazione.



Bus di sistema

Internamente ad un sistema digitale la principale struttura di interconnessione è il bus.

Il bus è un insieme di conduttori che trasferiscono le informazioni da un elemento sorgente a un elemento destinazione.

• bus dedicato: collega in modo esclusivo due moduli• bus condiviso: collega tra loro più moduli (collegamenti fra elementi diversi avvengono in tempi diversi - time multiplexing)

Il bus di sistema, anche se condiviso, in genere si compone di tre sotto-bus:

• bus dei controlli• bus degli indirizzi• bus dei dati



Bus di sistema

Usando bus dedicati, per collegare N moduli ne servono N(N-1).Questa soluzione consente di effettuare contemporaneamente più operazioni di trasferimento dati.

L'uso di una struttura di interconnessione condivisa e standardizzata consente di ridurre i costi e di ottenere una struttura modulare scalabile, a scapito delle prestazioni. Questa soluzione è comunque la più utilizzata nei moderni sistemi di elaborazione.



Bus di sistema

ISA (Industrial Standard Architecture)Ci sono due versioni del bus ISA: quella a 8 bit con una frequenza di clock di 4.77 MHz e quella a 16 bit, con frequenza pari a 8.3 MHz. Il throughput varia dai 4 ai 5 MB/s.

EISA (Extended Industry Standard Architecture) Prima evoluzione di questo standard usata sui computer IBM dal 1988. EISA aumentò il Bus ISA da 16 a 32 Bit e permise a più di una CPU di usare questo Bus in contemporanea. Venne usata principalmente come interfaccia per schede SCSI. Questo slot fu abbandonato con l'arrivo del VESA e del successivo PCI.

VESA Local BusSuccessore dell'EISA, fu usato prevalentemente nei computer basati sul processore Intel 80486 e fu studiato per eliminare il problema della bassa larghezza di banda dello slot ISA. Lavorava sul Bus ISA ma, a differenza di quest'ultimo, aveva un accesso diretto alla memoria di sistema che lo rendeva molto più veloce. Per controparte aveva però alcune importanti limitazioni (compatibilità, limite al numero di slot, corruzione dei dati).



Bus di sistema

PCI (Peripheral Component Interconnect)Sviluppato dalla Intel nel 1992 (in sostituzione del bus ISA). Diverse versioni: PCI, PCI 2.0, PCI 2.1, PCI 2.2, PCI 3.0, PCI-X. Linee dati-indirizzi (sovrapposte) (multiplexed). Clock a 33 – 66 – 133 – 266 MHz. Alimentazione 5 – 3,3 Volt. Il trasferimento che avviene attraverso un bus PCI è un "burst", composto da una fase di indirizzamento e da una o più fasi di dato. Bassa latenza ed elevato throughput.

PCI Express (PCIe)Il PCI Express è il successore (seriale) del bus di espansione PCI (parallelo) e sarà destinato a sostituire il bus AGP fino ad ora in uso per le schede grafiche.L'architettura è completamente differente dal bus PCI classico.La sua caratteristica seriale aiuta a semplificare il layout delle schede madri ed è costituito da una serie di canali. Tali canali possono essere aggregati secondo le esigenze rendendo di fatto il sistema molto flessibile. La banda a disposizione di ciascun canale (FULL DUPLEX) è dedicata e quindi non condivisa con gli altri.Un canale PCIe (detto x1) ha una banda disponibile di 266 MByte/sec. Pertanto, nelle moderne schede video che utilizzano 16 canali PCIe la banda a disposizione è di circa 4 GByte/sec (il doppio del bus AGP 8x).



Bus di sistema

ATA (Advanced Technology Attachment)Consiste in un'interfaccia standard per la connessione di dispositivi di memorizzazione quali hard disk e unità CD-ROM all'interno dei personal computer. Sono molti i termini utilizzati per designare tale standard, comprese abbreviazioni e acronimi quali IDE, EIDE, ATAPI, UDMA ed il più recente PATA (Parallel-ATA) per differenziarsi dal SATA (Serial-ATA) che è altra cosa. Gli standard ATA permettono collegamenti con lunghezze di cavo comprese tra 45 e 90 cm, quindi l'utilizzo prevalente per tale tecnologia è per le memorie di massa all'interno dei personal computer. I cavi Parallel ATA permettono il trasferimento di dati con 16 o 32 bit per volta.

UDMA0 16.7 MB/sUDMA1 25 MB/sUDMA2 33.3 MB/sUDMA3 44.4 MB/sUDMA4 66.7 MB/sUDMA5 100 MB/sUDMA6 133 MB/s



Bus di sistema

SCSI (Small Computer System Interface)L'interfaccia SCSI viene per lo più usata per la comunicazione con unità hard disk e unità nastro di memorizzazione di massa, ma anche per connettere una vasta gamma di dispositivi, come scanner d'immagini, lettori e scrittori di CD (CD-R e CD-RW), lettori DVD. In effetti lo standard SCSI è stato ideato per favorire l'intercambiabiltà e la compatibilità dei dispositivi (tutti, almeno in teoria). Esistono anche stampanti SCSI.

In passato l'interfaccia SCSI era molto diffusa in ogni tipologia di computer, mentre attualmente trova un vasto impiego solamente in workstation, server e periferiche di fascia alta (cioè con elevate prestazioni). I computer desktop e portatili sono invece di solito equipaggiati con l'interfaccia ATA/IDE (acronimi rispettivamente di Advanced Technology Attachment e Integrated Drive Electronics) per gli hard disk e con l'interfaccia USB (Universal Serial Bus) per altre periferiche di uso comune.



Bus di sistema

USB (Universal Serial Bus)Standard di comunicazione seriale per il collegamento di periferiche (lente).Consiste in un singolo gestore e molte periferiche collegate da una struttura simile ad un albero attraverso dei dispositivi chiamati hub (concentratori). Supporta fino ad un massimo di 127 periferiche per gestore, nel computo vanno inclusi anche gli hub e il gestore stesso quindi in realtà il numero totale di dispositivi collegabili è sensibilmente inferiore. Le porte USB sono dotate del supporto del Plug and Play e supportano i dispositivi hot swap quindi se il sistema operativo lo consente supportano la rimozione a caldo e il reinserimento delle periferiche senza dover riavviare il computer.

All'interno del computer, l'USB non ha rimpiazzato lo standard ATA o SCSI per via della sua lentezza. Il nuovo standard serial ATA per esempio consente trasferimenti dell'ordine di 150 Mbyte per secondo, una velocità molto più elevata dello standard USB, che nella versione 2.0 raggiunge un massimo di 60 Mbyte per secondo (480 Mbits/s). L'USB viene molto usato negli hard disk esterni dove si preferisce privilegiare la praticità di poter collegare e scollegare a caldo il componente rispetto alla velocità di una connessione tipo ATA.

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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PARMA Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale Fondamenti di Informatica Architettura dei calcolatori elettronici Prof. M. Amoretti