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
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
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