Struttura dei calcolatori (cenni)
Corso: Architetture degli Elaboratori
Docente: Franco Barbanera
Lucidi by G. Bella
UNIVERSITA’ DI CATANIA
Dip. di Matematica e Informatica
Componenti fondamentali
Processore
(CPU)
dispositivi di input/output (I/O)
Memoria
principale
Unità
disco
Stampante
bus
F. Barbanera, G. Bella
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
Il Processore
Processore
(CPU)
unita’ di
controllo
unita’
aritmetico
logica (ALU)
memoria
ad alta
velocita’
F. Barbanera, G. Bella
L’unita’ di controllo legge le istruzioni dalla
memoria centrale e ne determina il tipo
L’unita’ aritmetico-logica esegue operazioni
aritmetiche e logiche necessarie per
l’esecuzione delle istruzioni
La memoria e’ un insieme di registri.
Ogni registro puo’ memorizzare un valore piu’
o meno grande, dipendente dalle dimensioni
del registro.
Lettura o scrittura su registro sono molto
veloci.
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
registri
Il data path
L’ALU, i registri e molti bus
costituiscono il data path.
registri di
input
L’ALU puo’ avere 2 registri
di input e 1 di output.
ALU
I registri sono collegati ai
registri di input.
Il registro di output e’
collegato ai registri.
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registro di
output
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
A+B
registri
Le istruzioni
A
B
• registro-memoria:
trasferisce un dato dalla
memoria (esterna) ai
registri, o viceversa
A
• registro-registro:
trasferisce un dato da un
registro a un altro
registri di
input
B
ALU
Ciclo del data path: passaggio
di due operandi attraverso la
ALU e memorizzazione del
risultato nei registri.
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A+B
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registro di
output
Struttura dei Calcolatori v.2.1
Implementazione delle istruzioni
1. via hardware, nella CPU
2. via software, ossia con un interprete
implementato secondo (1)
•Esistevano le architetture CISC (Complex Instruction Set
Computer), sostenute dai colossi IBM, VAX, Intel, …
basate su molte e complicate istruzioni, interpretate
•Nascono negli anni ’80 le architetture RISC (Reduced
Instruction Set Computer), come il DEC Alpha,
basate su poche e semplici istruzioni, non interpretate
Oggi, anche il Pentium e’ ibridato con tecnologia RISC.
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
Parallelismo delle istruzioni
Prefetching. Esecuzione di un’istruzione divisa in due fasi:
lettura dalla memoria ed esecuzione vera e propria.
Pipelining. Esecuzione di un’istruzione divisa in molteplici fasi,
ognuna gestita da un pezzo di hardware dedicato.
lettura
delle
istruzioni
decodifica
delle
istruzioni
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lettura
degli
operandi
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esecuzione
delle
istruzioni
scrittura
Struttura dei Calcolatori v.2.1
Parallelismo delle istruzioni
Doppio Pipelining. Lo stadio di lettura legge due istruzioni
mettendo ciascuna in una pipeline (con la propria ALU).
lettura
delle
istruzioni
decodifica
delle
istruzioni
lettura
degli
operandi
esecuzione
delle
istruzioni
scrittura
decodifica
delle
istruzioni
lettura
degli
operandi
esecuzione
delle
istruzioni
scrittura
Due istruzioni possono essere eseguite in parallelo se non
si contendono la stessa risorsa, e non dipendono l’una dal
risultato dell’altra.
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
Parallelismo delle istruzioni
Architettura superscalare. Una singola pipeline con unita’
funzionali multiple.
ALU
lettura
delle
istruzioni
decodifica
delle
istruzioni
lettura
degli
operandi
ALU
LOAD
scrittura
STORE
Floating
point
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
Parallelismo dei processori
array processor : alto numero di coppie
processore-memoria
vector processor : come sopra ma con unico
sommatore per le addizioni
multiprocessori : piu’ processori con memoria
condivisa
multicalcolatori : piu’ calcolatori, ciascuno con
memoria privata
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
Organizzazione della memoria
registri
cache
memoria principale
dischi magnetici
nastri
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dischi ottici
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Struttura dei Calcolatori v.2.1
La memoria cache
piccola e veloce, si trova sullo stesso chip del
processore
contiene le parole piu’ usate
cercando una parola, il processore ispeziona
prima la cache
la parola cercata viene messa in cache
insieme alle sue adiacenti (principio di
localita’)
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La memoria principale
BIT (Binary digIT ), byte, parola (word )
Tipicamente la memoria si divide in celle (o
locazioni), ciascuna contenente un fissato
numero di bit
Ogni locazione ha un numero, l’indirizzo, che
serve per individuarla
I byte di una parola possono essere
memorizzati da sinistra a destra (big endian)
o da destra a sinistra (little endian)
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I dischi magnetici
uno o piu’ piatti di alluminio (diametri 3-12
cm) con rivestimento magnetizzabile
testina sospesa da cuscino d’aria negli harddisc, tocca il disco nei floppy-disc
la corrente della testina magnetizza la
superficie, allineandone le particelle
(scrittura)
la superficie magnetizzata induce una
corrente nella testina (lettura)
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Piatti, testine, superfici,
tracce, settori, cilindri
settore
(di lunghezza fissa)
superficie 7
superficie 6
piatto 4
superficie 5
superficie 4
piatto 3
superficie 3
superficie 2
testine
piatto 2
superficie 1
superficie 0
traccia
piatto 1
cilindro
(sequenza circolare di bit)
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(tracce in una data posizione radiale)
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