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Valeria Vittorini » 6.Elementi di Architettura: Struttura di un sistema di elaborazione


Fondamenti di Informatica

Elementi di Architettura: Struttura di un sistema di elaborazione

Sommario

  • Macchina base e macchine virtuali
  • Struttura della macchina base
  • Struttura della CPU e algoritmo del processore

“Strati” di un sistema di elaborazione

  • Hardware e Software
    • Sono i due principali strati di un sistema di elaborazione
  • Macchina Base
    • E’ uno strato hardware che “realizza” la macchina di Von Neumann
  • Livelli
    • La macchina base è di difficile uso da parte di un utente! I sistemi di elaborazione sono organizzati secondo una struttura a livelli di cui solo il primo (la macchina base) è realizzato in hardware, tutti gli altri sono realizzati in software

Macchine Virtuali

  • Realizzate al di sopra della macchina base (hardware) mediante uno strato software
  • … Esistono tante macchine virtuali quanti i possibili strati software!
  • Un utente “vede” una macchina diversa a seconda della macchina virtuale con cui interagisce
  • Ogni macchina virtuale mette a disposizione dei suoi utenti un opportuno linguaggio di comandi mediante il quale l’utente può interagire ed utilizzare la macchina virtuale

Struttura a livelli di un sistema di elaborazione


Livelli e Linguaggi

In altre parole:

  • Ogni livello è realizzato mediante i servizi ed i meccanismi messi a disposizione dal livello sottostante
  • Ogni livello offre a sua volta un linguaggio e i servizi che possono essere utilizzati per implementare il livello successivo
  • Ad esempio: vedi figura
Livelli e linguaggi

Livelli e linguaggi


Struttura della macchina base

La macchina base è costituita dalle unità fisiche di memoria, ingresso, uscita, aritmetico-logica e dall’unità di controllo

Struttura della macchina base

Struttura della macchina base


Collegamento tra le unità

  • Le unità sono collegate tra loro tramite bus
  • Un bus è un insieme di linee in grado di trasmettere un segnale elettrico
  • Attraverso un bus sono trasmessi dati, indirizzi, segnali di controllo
  • Il bus che collega la ALU alla Unità di controllo è detto bus interno
  • Il bus che collega la memoria con le altre parti del sistema è detto bus esterno (o bus di sistema)

Struttura della CPU

  • Unità di controllo (processore)
  • Unità Aritmetico Logica
  • Registri del processore
    • Registri per l’interpretazione delle istruzioni
    • Registri per la comunicazione con la memoria
    • Registro di stato
    • Registri generali

ALU

  • E’ il dispositivo capace di eseguire le operazioni aritmetiche fondamentali, le operazioni logiche e di shift
  • Il suo funzionamento è realizzato mediante appositi circuiti (circuiti di commutazione logica)
  • L’unità di controllo trasmette alla ALU gli operandi, cioè i dati su cui deve eseguire una operazione, e un comando che indica quale operazione effettuare
  • Gli operandi vengono forniti alla ALU sui suoi registri di ingresso (O1 e O2 in figura)
  • La ALU esegue l’operazione e pone il risultato sul registro risultato (U in figura), e inoltre invia informazioni sulle condizioni dell’operazione (flag del registro di stato)
ALU

ALU


Processore

  • All’interno della Unità Centrale (CPU) opera l’unità di controllo (o processore)
  • E’ caratterizzato da:
    • un proprio linguaggio di programmazione (il linguaggio macchina) utilizzato per esprimere le istruzioni che deve eseguire
    • L’insieme delle operazioni elementari eseguibili (codici operativi)
    • Un insieme di registri di macchina
  • Interpreta ed esegue le istruzioni espresse in linguaggio macchina inviando appositi segnali di controllo o di abilitazione alle altre unità/organi dell’elaboratore

Registri per l’interpretazione delle istruzioni

Registro Prossima Istruzione

  • PI o PC (Program Counter)
  • contiene l’indirizzo in memoria della prossima istruzione da eseguire

Registro di Decodifica dell’istruzione

  • D o RD o IR (Instruction Register)
  • contiene una copia dell’istruzione da eseguire

Registri per la comunicazione con la memoria

  • Registro MA o MAR (Memory Address Register)
    • contiene l’indirizzo di memoria del dato da leggere/scrivere in memoria. Quando l’unità di controllo invia un indirizzo al MAR, esso lo trasferisce alla memoria
  • Registro MDR o MB (Memory Data Register o Memory Buffer)
    • contiene una copia di un dato “in transito” da/verso la memoria. Attraverso di esso il processore invia un’informazione alla memoria o riceve un’informazione dalla memoria, usando l’indirizzo specificato dal MAR

Registro di stato

  • PWS (Processor Status Word)
    • Indicatori o Flag (Bit):
    • N: 1 se il risultato è negativo
    • Z: 1 se il risultato è zero
    • V: 1 se si è verificato un overflow
    • C: è posto ad 1 se si è avuto un riporto
    • .

Algoritmo del Processore

Il processore opera secondo il seguente algoritmo:

1. Fase di Bootstrap

  • Eseguita all’avvio

2. Ciclo

  • Fetch (Prelievo dell’istruzione)
  • Decode (Decodifica dell’istruzione)
  • Execute (Esecuzione dell’istruzione)

3. Interruzione?

  • Ad ogni passo di esecuzione l’unità di controllo verifica se è necessario interrompere la normale esecuzione di un programma

Algoritmo del Processore


Fase di Fetch (micro-operazioni)

Fase di  Fetch (micro-operazioni)

Fase di Fetch (micro-operazioni)


Parametri caratteristici di un processore

  • Parallelismo in bit
    • Lunghezza in bit dei registri di macchina
  • Clock e frequenza di clock
    • Segnale periodico di campionamento che scandisce le fasi del ciclo
    • La frequenza di clock determina la velocità operativa del processore
    • La frequenza di clock si misura in Hertz
    • La velocità operativa del processore si misura in ips (istruzioni per secondo) o in flops (operazioni in virgola mobile per secondo)
  • Ma…

Prossima lezione

Memorie e Dispositivi di I/O

  • Caratteristiche delle memorie
  • Memoria Centrale
  • Memoria Cache
  • Memorie di Massa
  • Unità di I/O e Dispositivi
  • Connessione e Interfacce delle periferiche

I materiali di supporto della lezione

Fadini, C. Savy, Fondamenti di Informatica I, Napoli, Liguori Ed., 1997: Parte 1, cap. 2, par. 7, 9; Parte 3, cap. 1, par. 2, 6, 7

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Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion