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I.1Fondamenti di Informatica - Architetture di Elaborazione - prof. Silvio Salza - a.a. 2017-2018

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


L’Analytical Engine

Engine Mill (CPU) Programma a schede perforate


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 INDIRIZZO

128


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’ a castrazione chimica

• Morì nel 1954 (pare) 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 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 transistor

Due 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 sec

– 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)

parte i evoluzione dei sistemi di elaborazionesalza/ae/teoria-i-17-18.pdf · • mercato limitato a...

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