Volume 3 Unità 3 Il Microprocessore PDF

UNITÀ 3 IL MICROPROCESSORE L’ARCHITETTURA DELLA CPU L’elemento fondamentale di un sistema di elaborazione è la CPU viene realizzata fisicamente attraverso un microprocessore che può essere multicore cioè costituito da più CPU uguali in un unico componente integrato l'e...

UNITÀ 3 IL MICROPROCESSORE L’ARCHITETTURA DELLA CPU L’elemento fondamentale di un sistema di elaborazione è la CPU viene realizzata fisicamente attraverso un microprocessore che può essere multicore cioè costituito da più CPU uguali in un unico componente integrato l'evoluzione delle CPU è stata enorme in termini di capacità di elaborazione e velocità l'architettura, ha mantenuto le caratteristiche e le funzionalità iniziali  L’ARCHITETTURA DELLA CPU CU coordina e gestisce le operazioni interne dei vari blocchi in base ai segnali ricevuti dall'esterno e alle (Control Unit) istruzioni da eseguire ALU esegue tutte le operazioni logico-matematiche necessarie richieste dall'unità di controllo (Arithmetic Logic Unit) REGISTERS piccole aree di memoria (le dimensioni massime dipendono da quanti bit può elaborare simultaneamente la CU) molto veloci che conservano i dati da elaborare e le informazioni relative alle operazioni da eseguire durante l'esecuzione delle istruzioni CACHE interna area di memoria nella quale sono inserite le istruzioni successive a quella in corso di esecuzione, velocizzando così le operazioni; è organizzata su più livelli (L1, L2, ecc.) in base alla velocità di accesso e alla frequenza d’uso LCU insieme di circuiti che trasformano gli impulsi elettrici provenienti dall'esterno in segnali utili per l'unità (Logic Control Unit) di controllo e trasformano in impulsi elettrici i comandi provenienti dall'unità di controllo MI insieme di circuiti che da ai bus esterni di comunicazione (dati e indirizzi) gli impulsi necessari per le (Memory Interface) comunicazioni con la memoria e con le periferiche e di trasformare gli impulsi ricevuti dall'esterno in segnali utili per la CU BUS interno insieme di collegamenti elettrici che consente di trasferire dati e indirizzi tra i vari blocchi del (o CPU bus) microprocessore.  I BUS La CPU sui cui sono trasferiti i comandi (read, dialoga con le Control write ecc.) della CPU ai dispositivi periferici e le richieste dei dispositivi memorie e bus periferici alla CPU è costituito da un insieme di segnali segnali che escono dalla CPU e quindi sono con le logici. comandi che la CPU invia agli altri dispositivi periferiche Segnali che entrano nella CPU e quindi sono informazioni che gli altri dispositivi inviano alla CPU attraverso tre Il compito fondamentale è quello di sincronizzare i trasferimenti che tipi di bus avvengono su tutti i bus esterni in base esterni che al clock del sistema costituiscono è l'insieme di linee su cui la CPU scrive il System bus Address bus l'indirizzo della cella di memoria a cui vuole accedere (in lettura o in scrittura) l'insieme di linee su da CPU a memoria: la CPU scrive sul bus Data bus e la memoria legge dal bus; cui la CPU o la memoria scrivono il dato che deve essere trasferito da memoria a CPU: la memoria scrive sul bus e la CPU legge dal bus. I REGISTRI Un registro è una piccola e veloce memoria interna alla CPU La dimensione segue le potenze del 2 inizialmente registri a 8 bit, poi 16, 32, fino allo standard attuale a 64 bit I registri fondamentali, presenti in tutte le CPU (pur con nomi differenti a seconda dell'azienda produttrice di microprocessori), sono rappresentati in figura Le linee rosse rappresentano i bus su cui viaggiano i segnali di controllo le linee blu rappresentano i bus su cui viaggiano dati e indirizzi  memorizza gli indirizzi per gli accessi in memoria (dunque AR (Address Register) solo dalla CPU verso la memoria). memorizza i dati provenienti: DR (Data Register) dalla memoria diretti alla CPU; dalla CPU diretti alla memoria. memorizza il codice operativo (opcode) dell'istruzione da IR (Instruction eseguire. Sulla base dell'opcode, l'unità di controllo capisce Register) quale operazione deve essere eseguita e ne comanda l'esecuzione. memorizza l'indirizzo iniziale della prossima istruzione da PC (Program Counter) eseguire. memorizza, tramite una serie di flag, lo stato del processore successivo all'esecuzione dell'ultima operazione. I suoi bit SR (Status Register) sono assegnati al risultato delle operazioni svolte dal processore memorizza l'indirizzo top dello stack. Lo stack è un'area della memoria in cui i dati sono letti/scritti in modalità LIFO. SP (Stack Pointer) Di solito si usa per salvare l'indirizzo di ritorno dalle I REGISTRI subroutine chiamate dal main registri di lavoro (o registri generali) che memorizzano i RO,..., Rn: risultati temporanei in ingresso e in uscita dall'ALU. Il set di registri della CPU può comprendere anche registri per contenere indirizzi iniziali (base register), contatori (count register), indici (index register), puntatori (pointer register) e altro ancora  IL CICLO MACCHINA La CPU ha il compito di eseguire una sequenza di istruzioni (un programma) Prima preleva l'istruzione insieme a eventuali dati dalla Poi l'ALU elabora l'istruzione e mette a disposizione il memoria esterna (la RAM) e carica tutto negli opportuni risultato in un registro dedicato o in memoria. registri Tutto questo rappresenta un ciclo macchina o fetch-execute cycle. IL CICLO MACCHINA Le fasi del ciclo sono 5 e si ripetono fino al termine delle istruzioni macchina del programma IF (Instruction Fetch); ID (Instruction Decode); EX (Execution); MEM (Memory); WB (Write Back). CICLO MACCHINA FASE 1: IF L'indirizzo della prima istruzione viene caricato nel Program Counter e poi da questo all'Address Register. L'istruzione è prelevata (fetch) dalla memoria e caricata nell'Instruction Register (anche eventuali dati vengono caricati nel Data Register). Il Program Counter viene incrementato per puntare alla successiva istruzione da eseguire. La posizione dell'istruzione successiva è (salvo nelle istruzioni di salto) implicita; il programma è eseguito in sequenza e quindi l’indirizzo dell'istruzione successiva corrisponde all'indirizzo della prima istruzione successiva all'istruzione corrente. FASE 2: ID L'opcode dell'istruzione è decodificato e in base a esso si caricano nei registri di lavoro (RO,..., Rn) gli operandi necessari all'istruzione e si attivano le microcircuiterie necessarie a svolgere l'operazione richiesta. FASE 3: EX Le elaborazioni previste dall'opcode dell'istruzione sono eseguite nell'ALU, sfruttando i registri di lavoro (RO,..., Rn) per eventuali risultati parziali. FASE 4: MEM Consiste nell'eventuale scrittura del risultato di un'operazione in memoria (per esempio in caso di assegnamento di valori a variabili del programma) o verso le periferiche. FASE 5: WB Il risultato dell'esecuzione dell'istruzione viene scritto nel Data Register e lo stato del processore a seguito dell'esecuzione viene settato nello Status Register.