Architettura dei computer

Motori per l’esecuzione di istruzioni

• Quello che i computer possono fare – eseguire deterministicamente istruzioni per elaborare

informazione

– il computer deve ricevere una serie di istruzioni da seguire

• Quello che i computer non possono fare

– non hanno immaginazione né creatività

– non hanno alcun intuito

– non sono crudeli né vendicativi (almeno in molti casi …)

– non hanno alcuna forma di libero arbitrio

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Il ciclo macchina

• Un ciclo in cinque passi:

1. Fetch istruzione

2. Decodifica istruzione

3. Fetch Dati

4. Esecuzione Istruzione

5. Restituzione Risultato

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Anatomia di un computer

• I computer sono costituiti da cinque parti:

– memoria, unità di controllo, unità aritmetico/logica (ALU), unità di input e unità di output

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Memoria

• La memoria contiene il programma in esecuzione e i dati su cui il programma stesso opera

• Caratteristiche della memoria:

– locazioni discrete. Ogni locazione è pari a 1 byte

– indirizzi. Ogni locazione di memoria ha un indirizzo(un numero intero a partire da 0)

– valori. Le locazioni di memoria memorizzano valori

– capacità finita. Le locazioni di memoria hanno una capacità finita—i programmatori devono tenere presente che la quantità di dati che è possibile scrivere è limitata

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Locazioni di memoria da un byte

• Generalmente un diagramma della memoria di un computer rappresenta le locazioni discrete come piccoli rettangoli

• L’indirizzo delle locazioni è indicato sopra il rettangolo.

• I valori delle locazioni sono riportati nel rettangolo corrispondente.

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Locazioni di memoria da un byte (cont.)

• Ogni locazione contiene 1 byte che memorizza un carattere ASCII o un numero compreso tra 0 e 256

• I programmatori utilizzano una sequenza di locazioni di memoria adiacenti, ignorando il fatto che hanno differenti indirizzi

– i blocchi di 4 byte sono usati come singola unità così frequentemente che hanno preso il nome di "parole di memoria“ (word)

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Memoria ad accesso casuale

• "ad accesso casuale" significa che il computer può accedere a qualsiasi locazione di memoria

• Spesso è misurata in megabyte (MB)

• Avere tanta memoria è preferibile per non avere problemi di spazio per i programmi e i dati

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Unità di controllo

• Implementa il ciclo macchina direttamente via hardware

• I suoi circuiti recuperano un’istruzione dalla memoria ed eseguono altre operazioni del ciclo

– un’istruzione tipica ha la forma ADD 2000, 2080, 4000

– quest’istruzione chiede che i numeri memorizzati nelle locazioni 2000 e 2080 siano sommati e che il risultato sia inserito nella locazione 4000

– il passo di Fetch Dati deve estrarre i due valori; dopo aver effettuato la somma il passo Restituzione Risultato inserirà la somma nella locazione 4000

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Unità Aritmetico/Logica

• Esegue tutti i calcoli

• Generalmente è responsabile del passo del ciclo macchina denominato Esecuzione Istruzione

• Un circuito nell’ALU può sommare due numeri

• Ci sono anche circuiti dedicati alla moltiplicazione, al confronto ecc.

• Le istruzioni di puro trasferimento dei dati non usano l’ALU

• Il passo del ciclo macchina Fetch Dati recupera i valori necessari all’ALU (operandi)

• Quando l’ALU ha completato l’operazione, il passo Restituzione Risultato trasferisce il risultato (somma o prodotto o qualche altro valore) dall’ALU in un indirizzo di memoria specificato nell’istruzione

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Unità di input e output

• Le piste e i circuiti attraverso cui l’informazione entra ed esce dal computer

• Le periferiche: si collegano alle porte di input/output del computer. Non sono considerate parti vere e proprie del computer, ma terminali specializzati che codificano/decodificano l’informazione scambiata tra computer e mondo fisico.

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Le periferiche

• La tastiera trasforma le battute sui tasti in un formato binario

• Il monitor rappresenta l’informazione contenuta nella memoria del computer visualizzandola su uno schermo a colori

• Chiavi USB e hard disk sono utilizzati sia come input che come output. Sono dispositivi di memorizzazione in cui il computer può archiviare permanentemente informazioni per poi recuperarle al momento del bisogno

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Un driver per ogni periferica

• Le periferiche sono "stupide” perché forniscono solo un servizio base di traduzione da fenomeno fisico a segnale binario

• Ogni ulteriore informazione è demandata al computer che deve aggiungere ogni comportamento “intelligente”

• Ad es., quando il computer riceve la segnalazione che l’utente ha premuto contemporaneamente shift e q converte l’input nella lettera maiuscola Q. Il software che opera la conversione è chiamato driver.

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Il Program Counter: un “PC” nel PC

• Come fa il computer a determinare qual è l’istruzione successiva da eseguire?

• L’indirizzo dell’istruzione successiva è memorizzato nell’unità di controllo ed è chiamato Program Counter (PC)

• Dato che le istruzioni occupano 4 byte di memoria, l’istruzione successiva dovrebbe essere PC + 4

• Il PC è incrementato di 4, così, quando il ciclo macchina ritornerà al passo Fetch Istruzione, il PC starà già "puntando" all’istruzione successiva

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Istruzioni di salto

• L’istruzione può includere l’indirizzo dell’istruzione successiva. Questo modifica il PC che invece di aggiungere 4 automaticamente, "salta" alla locazione specificata

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Interpretazione delle istruzioni

• Processo di esecuzione di un programma– il computer interpreta i nostri comandi, ma

espressi nel suo proprio linguaggio

• Prima che il ciclo macchini inizi, qualche locazione di memoria e il PC sono visibili nell’unità di controllo

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Interpretazione delle istruzioni (cont.)

• L’esecuzione comincia trasferendo dalla memoria all’unità di controllo l’istruzione contenuta all’indirizzo specificato dal PC

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Interpretazione delle istruzioni (cont.)

• I bit dell’istruzione sono copiati nel circuito decodificatore dell’unità di controllo

• Una volta fatto questo, il PC può essere configurato per il recupero dell’istruzione successiva

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Interpretazione delle istruzioni (cont.)

• Nel passo Decodifica Istruzione, l’ALU è configurata per eseguire l’operazione desiderata

• Il decodificatore troverà gli indirizzi dei dati in ingresso (operandi sorgente)– la maggior parte delle istruzioni contiene gli indirizzi di due operandi

sorgente (come ADD)

– questi indirizzi sono passati al circuito che li recupera durante il passo successivo, Fetch Dati

• Il decodificatore estrae l’indirizzo di destinazione per il passo Restituzione Risultato e lo inserisce in un circuito RR

• Il decodificatore determina quali operazioni l’ALU dovrà eseguire e la configura in modo appropriato

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Interpretazione delle istruzioni (cont.)

• Esecuzione Istruzione: è il passo in cui sono effettivamente eseguiti i calcoli. Nel caso dell’istruzione ADD, il circuito effettua la somma dei due operandi sorgente

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Interpretazione delle istruzioni (cont.)

• Restituzione Risultato: restituisce il risultato dell’elaborazione nella locazione di memoria specificata dall’indirizzo di destinazione

• Una volta concluso questo passo, il ciclo ricomincia

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Moltissime operazioni semplici

• I computer possono eseguire solo circa 100 istruzioni diverse– circa 20 tipi di operazioni distinte (ma servono

istruzioni diverse per sommare byte, parole di memoria, numeri decimali ecc.)

• Tutto ciò che chiediamo al computer deve essere ricondotto a una combinazione di queste operazioni primitive, supportate direttamente dall’hardware

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Esempi di altre istruzioni

• Oltre ad ADD, MULT (moltiplicazione) e DIV (divisione), altri esempi di istruzioni includono:– lo spostamento (shift) dei bit di una parola di memoria verso

destra o verso sinistra, riempiendo gli spazi che si vengono a creare con degli zeri e buttando via i bit che “strabordano”

– il calcolo dell’AND logico, che verifica se due bit valgono entrambi 1, o dell’OR logico, che verifica se almeno uno di essi vale 1

– il test che appura se un singolo bit vale zero o no, e salta a un nuovo blocco di istruzioni a seconda del risultato

– lo spostamento dei dati da un’area all’altra della memoria

– la ricezione di segnali dai dispositivi di input/output

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Quanto è veloce il ciclo macchina?

• L’impressionante capacità dei computer deriva dalla loro possibilità di eseguire in un secondo un enorme numero di istruzioni

• Il clock del computer determina la velocità del ciclo macchina

– misurato in megahertz, o milioni di cicli al secondo

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Quanto è importante la velocità del clock?

• I computer moderni tentano di cominciare un’istruzione a ogni tick del clock

• I circuiti si passano l’istruzione l’un l’altro (pipelining)– possono essere processate 5 istruzioni simultaneamente

• Un clock a 1 GHz può veramente eseguire un miliardo di istruzioni al secondo?– in realtà i computer non possono cominciare cominciare

un’istruzione a ogni tick, ma possono eseguire più istruzioni alla volta

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Software

• Il software visto dal computer – la macchina vede un oggetto binario, una lunga

sequenza di parole (gruppi di 4 byte)

• Il linguaggio assembler– forma alternativa del linguaggio macchina che usa

lettere e numeri in modo che le persone lo possano comprendere più facilmente

– il computer esamina il programma in assembler e quando incontra le parole le cerca in una tabella per trovare la corrispondente cifra binaria; quindi converte in binario e assembla i pezzi “costruendo” l’istruzione macchina completa

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Software (cont.)

• Linguaggi di programmazione di alto livello– oggi la maggior parte del software è scritta in un

linguaggio di alto livello che è compilato (tradotto) in linguaggio assembler, che viene a sua volta assemblato per ottenere un file binario

– I linguaggi includono strutture speciali che aiutano i programmatori a esprimere istruzioni complicate

• Esempio: un blocco if è composto di tre parti

– una domanda a cui si può rispondere sì e no (il test)

– le istruzioni che il computer dovrà eseguire se il test risulta vero

– le istruzioni che il computer dovrà eseguire se il test risulta falso.

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Sistemi operativi

• Offrono le operazioni base necessarie per l’uso efficace del computer, ma non supportate direttamente dall’hardware

• I tre più usati sono:– Microsoft Windows

– MacOSX di Apple

– Unix

• Il sistema operativo (OS) esegue il boot, gestisce la memoria, le periferiche, i file e la connessione a Internet

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Programmazione avanzata

• I programmatori riutilizzano software precedentemente sviluppato per rendere più facile il loro lavoro

• Esempio: la GUI (interfaccia utente)– i bordi delle finestre, le barre di

scorrimento, i pulsanti, i puntatori, ecc. sono “impacchettati” per i programmatori e forniti con l’OS

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Circuiti integrati

• Miniaturizzazione– la velocità del clock è così alta perché il

microprocessore è piccolissimo (i segnali elettrici percorrono circa 30 centimetri in un nanosecondo)

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Circuiti integrati

• Fotolitografia

– Processo di stampa. Invece di collegare i circuiti a mano, si usa una tecnica fotografica applicata più volte consecutive

– Il costo del circuito è indipendente dalla sua complessità

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La tecnologia dei semiconduttori

• Integrazione– I componenti attivi e le piste che li collegano

sono costruiti insieme, in un singolo processo e con gli stessi materiali

– Si risparmia spazio e si producono componenti monolitici, più affidabili

• Il silicio è un semiconduttore– La capacità di controllare il passaggio di

corrente in un semiconduttore è fondamentale per la costruzione dei computer

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Dall’applicazione agli elettroni

• Riepilogo:

– Partiamo da un processo di elaborazione dell’informazione

– Il processo è svolto da un’applicazione, implementata sotto forma di programma in un linguaggio di alto livello come C o Java

– Il programma esegue operazioni specifiche; i servizi standard come stampa o salvataggio su disco sono messi a disposizione dal sistema operativo

– I comandi del programma sono compilati, cioè tradotti in istruzioni in linguaggio assembler

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Dall’applicazione agli elettroni (cont.)

– Le istruzioni assembler sono tradotte in codice macchina binario

– Le istruzioni binarie sono registrate sull’hard disk

– Le istruzioni macchina vengono trasferite dal disco nella memoria RAM

– Il ciclo macchina esegue le istruzioni una dopo l’altra

– Tutte le istruzioni del computer sono eseguite dai circuiti contenuti nell’ALU, utilizzando il modello descritto precedentemente