Sergio Scippacercola » 4.Hardware: gli elementi fondamentali dell'architettura di un elaboratore elettronico.

Definizione di sistema

Un sistema è un insieme di elementi che, ad ogni determinato input (azione), interagiscono tra loro in modo da produrre un determinato output (reazione).

Il nostro sistema nervoso, il sistema postale, il sistema di distribuzione dell’energia elettrica, il sistema bancario, sono esempi di sistemi presenti nella nostra vita quotidiana.

Definizione di sistema di elaborazione

Un Sistema di Elaborazione delle informazioni è un Sistema in grado di acquisire, memorizzare, elaborare e produrre informazioni. E’ costituito da un insieme di elementi, di diversa tipologia, che possono essere classificati come:

• Hardware (insieme dei dispositivi fisici) e

• Software (insieme delle istruzioni che sono applicate all’hardware e  che permettono di ottenere i risultati attesi, a partire dai dati iniziali).

John von Neumann

John von Neumann (1903-1957), matematico e informatico ungherese, definì per la prima volta in modo rigoroso e completo il concetto di elaboratore elettronico con programma memorizzato  (macchina di von Neumann o architettura von Neumann o modello von Neumann). Il modello concettuale di Von Neumann prevede due sottosistemi interni: la memoria centrale e l’unità centrale di elaborazione che comunicano  con l’esterno mediante le unità di ingresso e di uscita.

Nel 1945  con l’EDVAC(Electronic Discrete Variables Automatic Computer) nasce la prima macchina digitale programmabile secondo l’architettura di von Neumann (nella figura in basso).

Durante la seconda guerra mondiale  von Neumann fu coinvolto nel progetto Manhattan per la costruzione della bomba atomica. Un tumore alle ossa lo costrinse alla sedia a rotelle.

Il modello di von Neumann

Il modello concettuale di Von Neumann  (Figura a lato)  descrive in maniera sintetica un sistema elaborativo in grado di svolgere le funzioni di:

• trasmissione, elaborazione e memorizzazione di dati
• controllo delle operazioni.

Il modello è costituito da due sottosistemi interni, la memoria centrale e l’unità centrale di elaborazione, che comunicano  con l’ambiente esterno tramite le unità di ingresso e di uscita.

Il modello originale di von Neumann  rappresentato nella figura a lato oggi viene chiamato modello a mainframe o no bus (figura in alto) per differenziarlo dal modello   attuale detto modello a bus (figura in basso).

Unità centrale di elaborazione

L’unità  centrale di elaborazione (Figura a lato) (CPU, Central Processing Unit)  è l’elemento essenziale del sistema elaborativo  contiene al suo interno tre sottosistemi:

1. l’unità aritmetico-logica (ALU, Arithmetic Logic Unit)
2. l’unità di controllo (Control Unit)
3. i registri (locazioni di memoria interne alla CPU)

Le operazioni svolte dalla CPU sono sincronizzate da un clock (orologio) che genera un segnale periodico che tempifica l’attività della CPU. La velocità di lavoro della CPU è conseguentemente influenzata dalla frequenza di clock.

Ad esempio, un clock che lavora a 10000 MegaHertz  permette alla CPU di eseguire fino a 10000 milioni di microoperazioni al secondo; un clock di 1 GHZ fornisce un miliardo di impulsi al secondo, ovvero un impulso ogni nanosecondo.

Registri e bus

Viene presentato lo schema del processore con specifica del contenuto di registri interni e della direzionalità dei bus che interagiscono con la Memoria centrale (figura a lato).

I registri sono locazioni di memoria specializzate, contenute all’interno della CPU. I registri permettono di ottenere un accesso veloce ed immediato ai dati,  consentendo di diminuire il tempo di esecuzione delle istruzioni.  I principali registri sono:il MAR (indirizzo di memoria), il PC (indirizzo dell’istruzione in esecuzione), il registro IR (codice dell’istruzione in esecuzione), il registro PSW (informazioni sullo stato della CPU),  il registro MDR (dati in trasferimento con la memoria centrale),i registri A, B, C, .. ( dati da elaborare )

I bus sono dei sottosistemi di trasmissione costituiti da più linee di connessione che lavorano in parallelo, consentendo così di trasferire i bit simultaneamente dal processore verso altre unità. Esistono tre bus: Bus dati (DATA BUS) – Bus indirizzi (ADDRESS BUS) -Bus comandi o di controllo (COMMAND o CONTROL BUS) nella figura a lato sono indicati i tre basi con le rispettive direzioni di trasferimento dei dati da e verso il processore.

Unità di controllo

L’ unità di controllo è composta da un insieme di circuiti elettronici che costituisce un sottosistema in grado di :

• interpretare, tramite una rete di decodifica, un ‘istruzione, cioè convertire il codice di un’istruzione in una serie di operazioni elementari (microistruzioni) che concorrono all’esecuzione dell’istruzione

• generare, tramite una rete di controllo, la successione di comandi che attivano i circuiti elettronici preposti all’esecuzione dell’istruzione.

Unità aritmetico-logica (ALU)

L’ALU riceve in ingresso gli operandi, esegue l’operazione richiesta e restituisce il risultato.

Può eseguire operazioni aritmetiche elementari ed operazioni di tipo logico (AND,OR,NOT) tra cui quella di confrontare due operandi verificando se sono uguali o diversi.

Per realizzare le operazioni vengono usate combinazioni (reti) di porte logiche.Per porta logica si intende un circuito elettronico che ha il compito di eseguire una delle operazioni logiche booleane elementari quali  AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND, XNOR. Alcune operazioni booleane sono indicate nelle slide successive.

Modello di Von Neumann organizzato a bus (scheda madre)

Sulla scheda madre in un unico chip (microprocessore) con milioni di componenti elementari ci sono:

• CPU
• Bus
• Interfacce per dispositivi esterni
• Connettori che permettono il collegamento diretto tra alcuni dispositivi interni (la memoria detta RAM e la memoria detta ROM)
• Clock, dispositivo di temporizzazione

Formato istruzione L.M.

Ogni processore possiede un limitato insieme di istruzioni in linguaggio macchina. Ogni istruzione in linguaggio macchina è composta da:

• Codice operativo
• uno o più operandi

Le istruzioni in linguaggio macchina non sono di semplice comprensione ma vengono riconosciute ed elaborate direttamente dai velocissimi circuiti elettronici della CPU.

Ogni microprocessore ha un proprio specifico set di istruzioni in linguaggio macchina.

La CPU acquisisce un’istruzione  dalla memoria centrale e la trasferisce nell’unità di controllo che provvede a decodificarla e ad intraprendere le azioni necessarie per l’esecuzione.

Formato istruzione in Assembler

E’ difficilissimo programmare il linguaggio macchina.

Per ovviare a tale difficoltà sono stati progettati e vengono usati linguaggi più semplici anche se poi, è sempre necessario tradurre le istruzioni in linguaggio macchina, ma tale traduzione viene oggi effettuata mediante appositi traduttori.

Il linguaggio ASSEMBLER, tipico di ogni processore, è un linguaggio con istruzioni di formato analogo al l.m. ma più leggibili rispetto al linguaggio macchina stesso.

Nell’esempio a fianco, infatti, invece dei codici in binario il linguaggio assembler utilizza comandi  (es. ADD)   più  comprensibili.

Il clock

Fondamentale per la sincronizzazione di tutte le operazioni svolte dall CPU è un segnale temporizzato detto clock.

Vel. Luce 300.000 km/sec =30 cm/ns

Il clock genera 1 impulso ogni ns =(1 MILIARDO DI IMPULSI AL SECONDO=1 GHz)

(Con ns si indica il nanosecondo cioè il miliardesimo di secondo)

Evoluzione CPU I

Ii circuiti della CPU sono contenuti  in unico dispositivo (chip), detto microprocessore.

Le caratteristiche salienti di ogni microprocessore sono:

• il tipo es. Pentium
• l’anno di produzione
• la velocità del clock (in gigahertz)
• la “lunghezza in bit” dei registri, cioè quanti bit possono essere contenuti in un registro, tipicamente oggi 64 bit
• il numero totale in migliaia di componenti (resistenze, transistor, etc.) compongono il microprocessore

Ad esempio il Pentium 4 (figura a lato), ha un clock con frequenza minima di 1600 milioni di Hertz, ha registri interni alla CPU da 32 bit e bus dati da 64 bit, ed è costituito da 42 milioni di transistor.