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Una breve introduzione
06/10/2012Matteo Ceserani

 Tutto ciò che segue è ESTREMAMENTE
semplificato…

 I dati in ingresso e i risultati delle
elaborazioni in uscita sono sempre codificati
in binario come stringhe di bit (0/1)
ELABORATORE
Informazione in ingresso
Dati
Informazione in uscita
Risultati

 Un calcolatore elettronico è un complesso circuito
per l’elaborazione automatica dell’ informazione.
 La CPU (o le CPU) è il cuore del sistema, svolge nei
fatti le operazioni che costituiscono l’elaborazione.
 La memoria di sistema serve per memorizzare i dati
e i risultati dell’elaborazione.
 Sempre la memoria di sistema contiene il codice
delle istruzioni da eseguire sui dati (programmi)
 Le periferiche di I/O ricevono i dati dall’esterno
(Input) e forniscono in uscita i risultati
dell’elaborazione (Output).
 I diversi elementi sono collegati attraverso un
insieme di linee elettriche che prendono
complessivamente il nome di bus di sistema.

 Che tipo di operazioni è in grado di svolgere
una CPU?
 Aritmetica intera
 Logica delle proposizioni
 Aritmetica decimale
 Altre operazioni binarie
 Rotazioni di bit
 Swap
 Istruzioni speciali
 SIMD
 …

 L’esempio sopra riportato si riferisce a un
microprocessore molto semplice
 Un microcontrollore
 31 istruzioni
 Nella figura precedente ci sono quasi tutte
 Prendiamo l’instruction set reference della
architettura Intel a 32 bit
 978 pagine
 Circa 340 istruzioni
 Alcune davvero sofisticate

 Programmare
 Innanzitutto
occorre
progettare il
funzionamento
del
programma
dal punto di
vista logico
 Es. diagrammi
di flusso

 Programmare
 Si sceglie quindi
un linguaggio di
programmazione
tramite il quale
stendere il codice
del programma
 Es. Linguaggio C

 Programmare
 Si utilizza un
particolare
software per
tradurre il
linguaggio di
programmazione
in linguaggio
macchina
 Compilatore

 Il codice macchina ha
caratteristiche che
dipendono fortemente da
quelle dell’hardware su cui
il software dovrà essere
eseguito
 Non solo: anche i sistemi
operativi sono molto
differenti tra di loro
 Il programmatore deve
conoscere l’ambiente
hardware e software in cui
il suo programma dovrà
funzionare
 Il codice macchina
ottenuto non è portabile
su altre piattaforme

 Una situazione alternativa: Java

 La JVM (Java Virtual Machine) è un particolare
software che simula un hardware virtuale standard,
su cui vengono eseguiti i programmi scritti in Java
 Esiste una Java Virtual Machine per ogni piattaforma
hardware (32 bit, 64 bit) e per ogni sistema operativo
(Win, Linux, MacOS, Android etc…)
 Si realizza così la portabilità del codice, e il
programmatore si può astrarre da hardware e sistemi
operativi
 Altro esempio: Microsoft Visual Basic e il .NET
Framework
 Limitato al solo ambiente Windows
 Realizza la sola portabilità hardware
 Le specifiche però sono aperte: volendo…

 La RAM è composta da celle di
memoria che possono
contenere ciascuna un certo
numero di bit (in genere 8: un
Byte)
 Ogni cella di memoria è
individuata dal suo indirizzo,
un numero progressivo che
parte da 0.
 Le linee per i dati (D) sono
bidirezionali e permetto la
lettura e la scrittura delle
celle di memoria che
compongono la RAM.
 Le linee A (Address) servono
per fornire alla RAM gli
indirizzi delle celle da cui si
vuole leggere o in cui si vuole
scrivere.
 Il segnale CS (Chip Select)
abilita il dispositivo.
 I segnali RD e WR servono ad
avviare un’operazione di
lettura o di scrittura.

 Ciclo di lettura
 RD  1
 A  Indirizzo della cella di memoria da leggere
 CS  1
 Dopo un certo tempo (ns) il contenuto della cella di
indirizzo A è disponibile sulle linee D
 Ciclo di scrittura
 WR  1
 A  Indirizzo della cella di memoria in cui scrivere
 D  Parola di bit da scrivere nella cella
 CS  1
 Dopo un certo tempo (ns) la parola di bit posta in
ingresso sulle linee D è memorizzata nella cella di
indirizzo A

 Le linee del bus si dividono logicamente in tre
gruppi
 Linee che trasportano dati e istruzioni (bidirezionali)
 Linee che trasportano indirizzi di celle di memoria e di
periferiche (unidirezionali)
 Altre linee di controllo (unidirezionali)

 Per permettere l’interfacciamento della CPU
con la memoria
 le linee D degli integrati di RAM vengono
collegate al bus dei dati
 Le linee A degli integrati di RAM vengono
collegate al bus degli indirizzi
 Le linee CS, RD e WR vengono collegate a tre
linee in uscita del bus dei controlli
 È sempre la CPU a gestire le letture e le
scritture in memoria
 Eccezione: DMA (Direct Memory Access) ma è
un’altra storia

 Qual è la dimensione massima della memoria
RAM di un sistema di elaborazione?
 20 bit  1 MB
 32 bit  4 GB
 64 bit  2097152 TB
 Perché?
M
L 2
L = dimensione della memoria (parole, in genere Byte)
M = dimensione del bus degli indirizzi (numero di linee)

Unità di misura Definizione In byte
1 Byte 8 bit 1
1 KB 1024 Byte 1024
1 MB 1024 KB 1048576
1 GB 1024 MB 1073741824
1 TB 1024 GB 1099511627776
 Perché 1 Byte è composto da 8 bit?
 Perché si procede di 1024 in 1024?

 Le periferiche di Input e Output in linea di
massima funzionano come delle celle di
memoria:
 Possiedono un indirizzo e le corrispondenti linee
A da collegare al bus degli indirizzi
 Possono essere lette (Input) o scritte (Output)
dalla CPU attraverso le loro linee D collegate al
bus dei dati
 Possiedono linee di abilitazione (CS) e di lettura
e scrittura (RD, WR)

 Una CPU funziona ripetendo continuamente
quello che si chiama CICLO DI MACCHINA
 Approssimativamente un ciclo di macchina
corrisponde all’esecuzione di un’istruzione
da parte della CPU
 Il ciclo di macchina si divide in due parti
fondamentali:
 Fase di FETCH
 Caricamento da parte della CPU del codice
dell’istruzione da eseguire
 Fase di EXECUTE
 Esecuzione da parte della CPU dell’istruzione il cui
codice è stato caricato nella fase di fetch

 UC: Unità di Controllo
 Circuito elettronico molto complesso
 Responsabile sia della fase di Fetch che di quella di
Execute
 Produce i segnali di comando che determinano
l’esecuzione delle istruzioni (fanno parte del bus dei
controlli)
 IR: Instruction Register
 contiene il codice dell’istruzione da eseguire
 È una cella di memoria
 PC: Program Counter
 contiene l’indirizzo della cella di RAM che contiene il
codice della prossima istruzione da eseguire
 È una cella di memoria

 MAR: Memory Address Register
 cella di memoria per l’interfacciamento con il
bus degli indirizzi
 MDR: Memory Data Register
 cella di memoria per l’interfacciamento con il
bus dei dati

 La fase di Fetch si ripete sempre uguale
 Passi della fase di Fetch
 MAR  PC
 Bus degli indirizzi  MAR
 CS  1
 RD  1
 MDR  Bus dei dati
 IR  MDR
 PC  PC + 1

 La fase di Execute è diversa per ogni
istruzione che la CPU è in grado di eseguire
 In realtà può essere distinta in due fasi
 UC legge il contenuto di IR e lo decodifica,
producendo i corrispondenti segnali di comando
 La RAM, le periferiche e le altre parti interne
della CPU si attivano in risposta ai segnali di
comando per eseguire l’istruzione
 Vediamo un esempio, si spera semplice
 ADD R0,R1,R2
 R0  R1 + R2

 Registri di uso generale
 Celle di memoria
 Possono essere utilizzate per memorizzare qualsiasi
valore
 Dati
 Risultati
 …
 ALU: Unità Aritmetico Logica
 Svolge calcoli matematici e logici su numeri interi e
espressioni logiche
 Viene affiancata da una FPU (Floating Point Unit) per il
calcolo in virgola mobile
 Accumulatore
 Cella di memoria speciale
 Contiene sempre uno dei due operandi della ALU
 In esso viene posto il risultato delle operazioni svolte
dalla ALU

 Dopo la decodifica da parte di UC i passi sono
i seguenti
 Accumulatore  R1
 Accumulatore  Accumulatore + R2
 R0  Accumulatore
 Questa fase di Execute non coinvolge in
alcun modo la memoria di sistema…
 Possiamo nel frattempo svolgere la fase di Fetch
successiva (Pipeline)
 Esistono ovviamente istruzioni che hanno bisogno
di accedere alla memoria di sistema per essere
eseguite

 Altro esempio…
 ADD [3F55],R0,R1
 Il risultato della somma del contenuto di R0 e R1
viene memorizzato nella cella di memoria di
indirizzo 3F55H = 16213D = 0011111101010101B
 I passi sono i seguenti
 Accumulatore  R0
 Accumulatore  Accumulatore + R1
 WR  1
 MAR  3F55H
 MDR  Accumulatore
 CS  1
Somma
Scrittura in memoria

 Durante la somma si può eseguire il fetch
dell’istruzione successiva (il bus è libero)
 Durante la scrittura della memoria si può
utilizzare la ALU per un’altra operazione (il
bus non si può utilizzare perché è occupato)
 L’efficienza della pipeline è uno dei fattori
principali per l’incremento delle prestazioni
della CPU
 Un altro fattore è il parallelismo
 Più CPU che lavorano in parallelo possono
svolgere più istruzioni contemporaneamente

 Come è fatto un software? Un esempio in
linguaggio C…
1. float CalcoloMedia(int N){
2. float Somma;
3. Somma = 0;
4. for(i=0;i<N;i++){
5. scanf(“%d”,&Numero);
6. Somma = Somma + Numero;
7. }
8. Somma = Somma / N;
9. return Somma;
10. }

 Ordine di esecuzione…
3.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
4. 5. 6.
8.
9.
N = 9

 Principio di località spaziale
 Se si sta eseguendo l’istruzione memorizzata
nella cella di memoria di indirizzo X, è probabile
che la prossima istruzione da eseguire sia
memorizzata nella cella di indirizzo X + 1
 Principio di località temporale
 Se si sta eseguendo un’istruzione, è probabile
che la stessa istruzione venga rieseguita dopo
breve tempo
 Perché caricare continuamente dalla
memoria di sistema lo stesso codice, tenendo
occupati i bus?

 Per sfruttare i principi di località spaziale e
temporale si è introdotta nelle CPU la memoria
cache
 Si tratta di una memoria molto veloce integrata
nella CPU
 I tempi di accesso alla cache sono molto inferiori a
quelli di accesso alla RAM di sistema
 Il codice di una istruzione (o un dato) vengono
dapprima cercati dalla CPU nella cache
 Se il dato o l’istruzione vengono trovati (cache hit) la
CPU risparmia un accesso alla memoria esterna
 Se il dato o l’istruzione non vengono trovati (cache
miss) la CPU accede alla memoria esterna, carica il
dato o l’istruzione e li copia anche nella cache

 Statisticamente l’utilizzo della cache riduce
drasticamente il numero di accessi alla memoria
di sistema
 Per ottimizzare le prestazioni si utilizza una
cache gerarchica (almeno due livelli, ma anche
tre)
 L1: livello più interno. Ogni CPU possiede la sua cache
L1 privata, a volte divisa in cache per i dati e cache
per le istruzioni. Dimensioni dell’ordine delle decine
di KB.
 L2: livello più esterno. Di solito condivisa tra tutte le
CPU del microprocessore. Dimensioni dell’ordine di
qualche MB.
 L3: in alcuni casi il livello più esterno è il terzo. In tal
caso la cache L2 non è condivisa, mentre lo è la L3.

 I sistemi operativi gestiscono l’esecuzione di molti
programmi contemporaneamente (multitasking)
 Questa gestione deve essere completamente
trasparente al programmatore
 Il programmatore non si deve dover preoccupare del
multitasking: scrive il codice come se il suo programma
possa disporre del processore in maniera esclusiva
 Ovviamente solo un programma può essere in
esecuzione in un certo istante (almeno su una singola
CPU)
 I diversi processi vengono posti in esecuzione a
rotazione, assegnando a ciascuno di essi una piccola
quantità di tempo di processore (quanto di tempo)
 L’utente ha la sensazione che i programmi vengano
eseguiti parallelamente tra loro

 Stati di un processo
 Running Il processo è in esecuzione, sta utilizzando il
processore.
 Ready Il processo dispone di tutte le risorse
necessarie all’esecuzione ma non dispone del
processore.
 Wait Il processo è in attesa della disponibilità di una
certa risorsa (es. operazioni di I/O). In generale il
tempo di attesa può essere indefinito.
 Init Fase di creazione e inizializzazione di un
processo.
 End Termina l’esecuzione.
 Abort Terminazione anormale del processo. Viene
generato un file di dump (copia della memoria) per
l’analisi dell’applicazione volta a determinare
l’errore.

Ready Running
End
Abort
WaitInit
Manca una
risorsa

 La gestione dei processi in attesa o pronti
per l’esecuzione è compito del sistema
operativo (uno dei più importanti)
 La CPU e il sistema di elaborazione in
generale devono però supportare il
meccanismo di rotazione dei processi
 Oggi il multitasking è uno standard per tutti i
calcolatori
 Almeno dal PC in su…
 Arduino non ha nemmeno un sistema operativo!

 Obiettivo: far sì che ciascun processo abbia
l’illusione di disporre dell’intera memoria
indirizzabile dal processore
 Questo di solito vuol dire superare il limite
della memoria fisicamente presente sulle
macchine, mantenendo il solo vincolo legato
alla dimensione del bus degli indirizzi
 Si noti che questo deve verificarsi per
ciascun processo in esecuzione sulla
macchina

 Conservare in memoria centrale solo le porzioni di codice e
dati che presumibilmente saranno necessarie e/o
evolveranno in un prossimo futuro
 Occorre farlo in maniera assolutamente trasparente al
programmatore
 Duplice divisione della memoria:
 Si divide lo spazio di memoria del programma (limitato solo
dalla dimensione del bus indirizzi) in pagine logiche di
dimensione fissa
 Si divide lo spazio fisico di memoria (fissato dall’hardware) in
pagine fisiche aventi la stessa dimensione di quelle logiche
 Meccanismo della paginazione:
 mappare le pagine logiche necessarie in un certo istante
all’esecuzione di un processo su corrispondenti pagine fisiche
 Una MMU (Memory Management Unit) si occupa della
traduzione degli indirizzi logici nei corrispondenti indirizzi
fisici.

B
D E
A
C
F
G
A
B
C
D
E
G
H
F
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
MEMORIA
LOGICA
MEMORIA
FISICA
0
1
2
3
4
5
6
7
v
v
v
v
i
i
i
i
3
6
10
11
TABELLA
DELLE
PAGINE MEMORIA DI
SWAP
Pagina
fisica
Bit di
validità
H

 Il processo è convinto di poter accedere a tutta
la memoria indirizzabile
 Richiede l’accesso a una cella appartenente a
una certa pagina logica
 Consultando una tabella delle pagine si controlla
se la pagina logica è presente in quel momento
in memoria centrale
 Se non è presente la si carica da una memoria di
swap (di solito una parte del disco)
 Se necessario si scarica dalla memoria centrale
una pagina logica ritenuta meno utile

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Architetture dei calcolatori elettronici

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