Architettura del Calcolatore - Corso di Laurea

Informatica (Fisica - Informatica - Statistica)

• Corso di Laurea Magistrale a Ciclo Unico in Medicina Veterinaria
• Anno Accademico 2024/2025
• Docente: Dr. Luigi Vesce ([email protected])
• Coordinatore del Corso Integrato: Prof. Nicola Toschi

Architettura del Calcolatore

• L'architettura del set di istruzioni di un calcolatore:
  • Descrive le caratteristiche del sistema, influenzando l'esecuzione dei programmi.
  • È la parte del sistema visibile al programmatore (inclusa quella dei compilatori).
• Organizzazione del calcolatore:
  • Descrive le unità operazionali e le loro connessioni a livello elevato.
  • Realizza le specifiche dell'architettura del set di istruzioni.
• Hardware:
  • Definisce le specifiche del calcolatore, inclusi dettagli sul livello logico-digitale e la tecnologia di packaging.

Architettura del set di istruzioni

• Insieme delle istruzioni:
  • Elenco delle istruzioni eseguibili da un calcolatore.
• Numero di bit per i tipi di dati:
  • Quanti bit sono usati per rappresentare diversi tipi di dati.
• Tecniche di indirizzamento della memoria:
  • Metodi per indirizzare la memoria del computer.

Set di istruzioni

• L'insieme di istruzioni elementari di una CPU
• I computer possono eseguire circa 100 istruzioni diverse.
• Circa 20 tipi di operazioni distinte (Addizione, sottrazione, ecc).
• Processori RISC (Reduced Instruction Set Computer) e CISC (Complex Instruction Set Computer).
• Le operazioni sono molto elementari.
• Tutto ciò che viene richiesto al computer deve essere ricondotto a queste operazioni elementari.

Organizzazione del calcolatore

• L'organizzazione di un calcolatore riguarda:
  • Le capacità e le prestazioni delle unità principali del sistema (registri, ALU...).
  • I segnali di controllo tra le diverse unità.
  • Il modo di interconnessione tra le unità funzionali.
  • L'organizzazione del sottosistema di memorizzazione.
• Il termine "architettura di un calcolatore" include questi tre aspetti:
  • L'architettura del set di istruzioni.
  • L'organizzazione del calcolatore.
  • L'hardware.

Architettura del calcolatore - Von Neumann (1946)

• Un calcolatore deve:
  • Memorizzare i dati su cui operare.
  • Memorizzare sequenze di istruzioni.
  • Eseguire le istruzioni sui dati.
  • Controllare il flusso di esecuzione.
  • Comunicare con gli utenti e con altri dispositivi.

Schema dei sottosistemi principali

• Cinque sottosistemi principali: Unità di Controllo, Unità Aritmetico-Logica (ALU), Memoria, Unità di Input, Unità di Output.

Schema - interconnessione

• Il processore, l'unità di controllo, l'unità di elaborazione dati, la memoria, le interfacce di I/O e il BUS (dati, indirizzi, controllo).

La scheda madre (motherboard)

• La base della struttura è la scheda madre stessa
• Assicura la connessione tra le varie componenti (processore, memoria, dispositivi di I/O)
• L'alimentazione a tutte le componenti.
• Il controllo dello stato della macchina.
• Il bus, costituito da piste sul circuito stampato, può implementare funzionalità come controller di hard disk e floppy disk, schede audio/video.

La CPU (Central Processing Unit)

• Formato da ALU (Arithmetic Logic Unit) e Unità di Controllo.

La Memoria

• Contiene il programma in esecuzione e i dati su cui il programma opera.
  • Le locazioni di memoria sono discrete e hanno un indirizzo univoco.
  • Ogni locazione di memoria ha una capacità finita (1 byte).
  • I dati sono memorizzati come sequenze di bit.
• RAM (Random Access Memory):
  • Accesso casuale alle locazioni di memoria.
  • Misurata in MB o GB.

Unità di input e output

• Le periferiche sono i dispositivi che permettono l'input e l'output dei dati dal/al computer.
• Possono essere considerate terminali specializzati che codificano/decodificano l'informazione scambiata tra il computer e il mondo esterno.
• Le periferiche di input trasmettono dati dalla periferica alla memoria.
• Le periferiche di output trasmettono dati dalla memoria alla periferica.

Le periferiche

• La tastiera trasforma la pressione dei tasti in dati binari.
• Il monitor visualizza l'informazione contenuta nella memoria del computer su uno schermo a colori.
• I dispositivi di memorizzazione di massa (come USB drive e hard disk) sono periferiche di input/output privilegiate che estendono la memoria principale del computer.

Il monitor

• Tipologie di monitor: LCD (Liquid Crystal Display) basato sulla polarizzazione della luce.
• Tipi di Display: a Matrice Attiva (pixel sono controllati da una matrice di selezione) e a colori.

Un driver per ogni periferica

• Le periferiche forniscono solo un servizio base di traduzione da fenomeno fisico a segnale binario.
• Il computer deve aggiungere comportamenti intelligenti attraverso i drivers.
• Ad esempio, la conversione da input all'utente in output come lettera maiuscola.

La CPU

• Interconnessa con altre componenti (motherboard, memorie di massa (HDD, Floppy, CD-ROM, USB) e periferiche (es. tastiera, mouse, monitor, stampante)

Collegamento a BUS

• Semplicità del collegamento con un unico bus.
• Estendibilità, aggiunta di nuovi dispositivi agevole.
• Standardizzazione (stesse regole di comunicazione).
• Lentezza (utilizzo alternato per la comunicazione).
• Limitata capacità di collegamento.
• CPU come master.

CPU e memoria

• Architettura di Von Neumann, dove CPU e memoria condividono lo stesso bus.

Architettura di Von Neumann

• Blocchi principali: ALU (Arithmetic Logic Unit), ACC (Accumulatore), PC (Program Counter), IR (Instruction Register), DR (Data Register), AR (Address Register) e CONTROLLO.
  • ALU: Esegue calcoli.
  • ACC: Immagazzina i dati temporaneamente.
  • PC: Tiene traccia dell'istruzione corrente.
  • IR: Contiene l'istruzione corrente.
  • DR: Memorizza i dati in ingresso/uscita.
  • AR: Memorizza gli indirizzi da comunicare alla memoria.
• Alcuni registri: PC, IR, DR, AR.

Il ciclo macchina

• Fetch istruzioni
• Decodifica istruzioni
• Fetch dati
• Esecuzione istruzioni
• Restituzione risultato

Unità ALU

• Implementazione del ciclo macchina tramite hardware.
• Esegue operazioni aritmetiche e logiche, come l'aggiunta, la moltiplicazione e il confronto.
• Esempio: ADD 2000, 2080, 4000 (somma in locazione 4000 i valori in 2000 e 2080).

Principio del programma memorizzato

• Le istruzioni sono immagazzinate nella memoria in sequenza.
• JUMP : Consente il salto ad un indirizzo arbitrario.
• Istruzioni condizionali: Consente di prendere decisioni sulla base di un risultato precedente.

Il program counter (PC)

• Memorizza l'indirizzo dell'istruzione successiva.
• È incrementato di 4 byte per passare all'istruzione successiva.

Istruzione di salto

• L'istruzione può includere l'indirizzo dell'istruzione successiva.
• Il PC viene sovrascritto nel passo di esecuzione istruzione.
• Il successivo fetch, effettua il riferimento all'indirizzo aggiornato.

Esempio istruzione

• Il computer esegue i comandi tradotti nel linguaggio macchina.
• Stato della CPU prima del fetch di una istruzione ADD: ALU, Unità di Controllo, Memoria, Input, Output

Esempio istruzione - Fetch Istruzione

• L'istruzione corrente è spostata dalla memoria all'unità di controllo.

Esempio istruzione - Decodifica Istruzione

• L'istruzione è esaminata,
• L'ALU è configurata con l'operazione corretta.
• Vengono calcolati gli indirizzi degli operandi sorgente e destinazione.

Esempio istruzione - Fetch Dati

• Gli operandi sono trasferiti dalla memoria all'ALU.

Esempio istruzione - Esecuzione Istruzione

• L'ALU esegue l'operazione sull'istruzione.
• Il risultato è calcolato.

Esempio istruzione - Restituzione Risultato

• Il risultato è restituito nella locazione di memoria specificata dall'indirizzo di destinazione.