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Unità centrale CPU
Controllo
Unità
Aritmetico
logica
Un calcolatore digitale è composto da CPU,
memorie e dispositivi di input/output.
Dispositivi di ingresso\uscita
Registri
Memoria
Principale
Unità
Disco
Display
bus
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Central Processing Unit
Descrizione
Organizzazione
Funzionamento
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La CPU e’ il “cervello” del calcolatore e il suo
compito è quello di eseguire i programmi,
residenti nella memoria, leggendo ed eseguendo
le loro istruzioni.
I componenti sono collegati tra loro attraverso
dei bus.
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Un bus, che è un gruppo di fili tra loro paralleli, ha il compito
di trasportare segnali di controllo, dati e indirizzi. Il Bus puo’
essere esterno alla CPU e ha lo scopo di permettere la
comunicazione tra la memoria e i dispositivi di I\O.
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A+B
Registri
A
B
A
B
L’organizzazione interna di una CPU è
caratterizzata dal data path, che è costituito da
una serie di componenti, tra i quali l’ALU, i registri,
e molti bus di comunicazione.
Registro ALU
dell’ingresso
Bus di ingresso dell’ALU
ALU
A+B
Registro di uscita
dell’ALU
l
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Arithmetic Logic Unit
L’ALU esegue dei calcoli matematici sui dati e poi memorizza il risultato in
un registro in uscita.
I dati hanno due possibilità di percorsi:
registro-memoria i dati vengono trasportati dal registro di uscita alle
memoria e/o viceversa;
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La memoria della CPU, che è ad alta velocità, viene utilizzata per
memorizzare temporaneamente istruzioni e dati più frequentemente
acceduti.
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Il funzionamento della CPU si basa su una sequenza di operazioni, che insieme
prendono il nome di fetch-decode-execute:
1
prelievo delle istruzioni dalla memoria, e immissione di queste nel registro
delle istruzioni; Caricamento del nuovo program counter
2
dterminazione del tipo di istrizzone
3
ricerca operandi ed esegui l’istruzione.
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L’hardware e’ l’insieme degli elementi costitutivi di un elaboratore
Il software serve per utilizzare il calcolatore.
Il software suddivide le istruzioni in piccole porzioni che esegue in modo più
semplice attraverso un interprete, mentre l’hardware le esegue direttamente.
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Durante gli anni 70’ dello scorso secolo il mercato dei calcolatori era in pieno sviluppo e
aumentava sempre di più la richiesta di calcolatori a basso costo. Lo sviluppo di software
eliminava i limiti di costo inerenti alla esecuzione di istruzioni complesse.
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Ci sono dei principi di progettazione chiamati principi di progettazione RISC, che gli
architetti delle CPU possono seguire. Tra i più importanti troviamo:
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Tutte le istruzioni comuni vengono eseguite direttamente
dall’hardware e non vengono interpretate da microcodice, per cui il
sistema e’ più veloce. Mentre per i calcolatori che implementano
istruction set CISC le istruzioni vengono scomposte in
miscroistruzioni anche se questo passaggio rallenta la macchina.
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I calcolatori moderni cercano di iniziare piu’ istruzioni possibili al secondo. Il
parallelismo svolge quindi un ruolo fondamentale nel miglioramento delle
prestazioni perché inviare una grossa quantità di istruzioni lente a intervalli brevi
e’ possibile solo se istruzioni multiple si possono eseguire contemporaneamente.
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Una limitazione della velocita’ con la quale vengono mandate in esecuzione le
istruzioni e’ dovuta alla decodifica delle istruzioni. Per eliminare questo
problema bisogna usare istruzioni con struttura regolare, di lunghezza fissa,
con un numero limitato di campi e con formati molto simili.
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La maggior parte delle operazioni di load e store trasferiscono dati tra la
memoria e i registri. Queste operazioni di trasferimento sono piu’ lente e quindi
talvolta si sovrappongono con le altre istruzioni;
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Poiche’ l’accesso alla memoria e’ molto lento e’ necessario disporre di molti
registri, almeno 32, in modo che un’istruzione, una volta letta, possa
essere conservata in un registro fin quando non e’ piu’ necessaria.
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Un modo per accelerare il funzionamento dei chip e’ aumentare la velocità del
clock e i ricercatori utilizzano il parallelismo, nel tentativo di eseguire due o piu’
operazioni contemporaneamente per ottenere maggiori prestazioni con la
frequenza di clock a disposizione.
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Per eseguire piu’ istruzioni parallelamente si usava un prefetch buffer,
che le prelevava invece di aspettare la lettura completa della memoria.
Quindi il processo si divideva in due parti: lettura della memoria e
esecuzione.
Stadio di
lettura delle
istruzioni
Stadio di
decodifica
delle
istruzioni
Stadio di
lettura degli
operandi
Stadio di
esecuzione
delle
istruzioni
Stadio di
scrittura
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Registri
+lente
Da 32KB a alcuni MB
Cache
+capacita`di
memorizzazione
Memoria principale
Da 16MB a decine di
GB
Dischi magnetici
Nastri
Memorizzazione
permanente
Dischi ottici
Memorizzazione di
archivi
Da alcuni GB a
decine di TB
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Storicamente la capacita’ di accesso ai dati da parte delle CPU e’ sempre stata
limitata dalla velocita’ di I/O della memoria.
In realta`non si tratta di un problema tecnologico, ma economico; gli ingegneri sono in
grado di costruire memorie veloci come le CPU, ma il costo complessivo del sistema
sarebbe molto elevato.
.
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La validita’ di questo metodo dipende dalla quantità` di parole che si trovano
nella cache. Statisticamente i programmi non accedono alla memoria a caso:
se La CPU richiede un dato della memoria di indirizzo A, e` assai probabile che
l`accesso seguente si troverà` nelle vicinanze di A.
CPU
cache
Memoria
principale
bus
Configurazione comune di CPU, cache e
memoria
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La memoria e`quella parte del calcolatore dove vengono immagazzinati
i programmi e i dati. Alcuni ricercatori del settore usano il termine
store (magazzino) o storage (immagazzinamento) invece di memoria,
anche se il termine storage solitamente si riferisce alla
memorizzazione su disco.