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Architettura di un calcolatore
Corso di Informatica A
Vito Perrone
Copyright © 2004 - The McGraw-Hill Companies, srl
Architettura di un CalcolatoreInformatica A – V. Perrone
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Indice
• La macchina di Von Neumann– Memoria– CPU– Bus– Interfacce
• Esempio– L’algoritmo– Il programma– Fasi di esecuzione di un’istruzione
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La macchina di Von Neumann
Unità diElaborazione(CPU)
MemoriaCentrale (MM)
InterfacciaPeriferica P1
InterfacciaPeriferica P2
Bus di sistema
Esecuzione istruzioni
Memoria di lavoro
Memoria di massa,stampante, terminale…
Collegamento
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La macchina di Von Neumann
• Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegue– Le istruzioni possono comportare operazioni di
manipolazione dei dati– Oppure operazioni di trasferimento dei dati
• I trasferimenti di dati attraverso elementi funzionali diversi avvengono attraverso il bus di sistema
• Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispetto ad un orologio di sistema
• Durante ogni intervallo di tempo l’unità di controllo (parte del processore) stabilisce la funzione da svolgere
• L’intera macchina opera in maniera sequenziale
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Parola (word)
Spazio diindirizzamen
to210=1024
La memoria centrale (MM)
Registro indir. (AR)
k = 10 bit
Registro dati (DR)
load
store
h = 16 bit
0
1
1023
h = 16 bit
Dati eistruzioni
RAM e ROM
Volatile
Dato daleggere/scrivere
Indirizzo cella
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La memoria centrale (MM)
• Il numero di bit che costituiscono l’indirizzo di un word all’interno della memoria è caratteristico del microprocessore e identifica lo spazio di indirizzamento del microprocessore– Esempio: Pentium 32 bit– Avendo a disposizione k bit è possibile indirizzare 2k byte
• Si ricorda che:– 210 byte = 1Kilo Byte– 220 byte = 1Mega Byte– 230 byte = 1 Giga Byte– 240 byte = 1Tera Byte
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La memoria centrale (MM)
• La memoria centrale si chiama usualmente ram o memoria ad accesso casuale– Viene cosi detta una memoria il cui tempo di accesso sia
indipendente dall’indirizzo della parola alla quale si vuole accedere
– Si tratta di una memoria volatile• Altri tipi di memoria presenti in un calcolatore sono le
rom– Hanno caratteristiche generali simili alle ram– Un tempo di accesso notevolmente maggiore– Si tratta di memorie permanenti– Sono tipicamente utilizzate per memorizzare quei dati e
programmi che servono al momento dell’accensione dell’elaboratore, prima del caricamento del S.O.
– Esempio: Il BIOS (Basic Input Output System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa
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L’unità di elaborazione (CPU)
Registro istruzionecorrente (CIR)
Registro dati (DR)Registro indirizzi
(AR)
Registro contatoredi programma (PC)
Registro di stato (SR)
Registrointerruzioni (INTR)
A
B
Unità di controllo(CU)
Clock
Unitàaritmeticologica(ALU)
Controllo: -Prelievo -Decodifica -Esecuzione
Sincronizzazione
Operazioniaritmetichee logiche
Parola letta/da scrivere in MM
Indirizzo cella MM
Istruzione in elaborazione
Indirizzo prox istruzione
Registri generali
Stato CPUFlag: C, Z, S, V
Registri operandi
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• Il bus di sistema collega tra loro i vari elementi del calcolatore
• In ogni istante il bus è dedicato a collegare due unità, una trasmette ed una riceve– Il processore seleziona la connessione da attivare
e indica l’operazione da svolgere (bus mastering)• Il bus è suddiviso in tre insiemi di linee:
– Bus dati– Bus indirizzi– Linee di controllo: trasportano informazioni relative
alla modalità di trasferimento e alla temporizzazione
Il bus di sistema
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Il bus di sistema
Registro istruzionecorrente (CIR)
Registro dati (DR)Registro indirizzi
(AR)
Registro contatoredi programma (PC)
Registro di stato (SR)
Registrointerruzioni (INTR)
A
B
Unità di controllo(CU)
Clock
Unitàaritmeticologica(ALU)
CPU
Bus di sistema
Bus dati, Bus indirizzi, Bus controlli Master/slave
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Sequenza di lettura
CIR
DR AR
PCSR
INTR
A
B
CUCk
ALU
0
1023
123
42123
123
Passo 1
READ
Passo 2
42
Passo 3
OK
Passo 4
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Sequenza di scrittura
CIR
DR AR
PCSR
INTR
A
B
CUCk
ALU
0
1023
123
42123
123
Passo 1
WRITE
Passo 3
OK
Passo 5
70
Passo 2
Passo 4
70
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• Si occupa della gestione dello scambio di dati tra processore e periferiche
• E’ possibile avere una interfaccia diversa per ogni periferica... ...ma è più logico avere delle interfacce standard per periferiche simili
• Esempi di interfacce standard:– Interfaccia seriale RS-232-C (mouse, modem, ...)– Interfaccia PS2 (mouse, tastiera, ...)– Interfaccia USB (mouse, telecamere, stampanti, scanner, ...)– Interfaccia parallela Centronix (stampante, scanner, ...)– Interfaccia ISA (modem, schede audio, ...)– Interfaccia SCSI (hard-disk, CD-ROM, scanner, ...)– Interfaccia EIDE (hard-disk, CD_ROM, ...)
• Ogni interfaccia contiene registri per:– Inviare comandi alla periferica– Scambiare dati– Controllare il funzionamento della periferica
Le interfacce delle periferiche
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Le interfacce delle periferiche
Interfacccia periferica 1
Bus di sistema
Peripheral Data Register (PDR)
Peripheral Command Register (PCR)
Peripheral State Register (PSR)
Peripheral Data Register (PDR)
Peripheral Command Register (PCR)
Peripheral State Register (PSR)
Interfacccia periferica 2
Dato da leggere/scrivere
Comando da eseguire
Stato della periferica
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Le interruzioni
• Al fine di gestire richieste provenienti dalle periferiche può essere necessario interrompere la normale esecuzione di un programma
• La periferica segnala sue particolari necessità attraverso una interruzione
• Ad ogni passo di esecuzione la UC verifica lo stato del registro delle interruzioni
• Se si è verificata una interruzione:– Lo stato del processore (registri) viene salvato in memoria– Viene attivata una speciale procedura di gestione delle
interruzioni (parte del S.O.)– Quando la procedura di gestione delle interruzioni termina lo
stato del processore viene ripristinato ed il programma viene ripreso
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Es.: valutazione di espressione
• Vogliamo calcolare il valore dell’espressione:(a+b)·(c+d)leggendo i valori delle variabili a, b, c, d dal dispositivo di ingresso e scrivendo il risultato della valutazione sul dispositivo di uscita.
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Un algoritmo generale
1. Leggi dal dispositivo di ingresso il valore delle variabili a, b, c, d
2. Somma il valore di a al valore di b
3. Salva il risultato parziale ottenuto
4. Somma il valore di c al valore di d
5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato
6. Scrivi sul dispositivo di uscita il risultato della valutazione complessiva
7. Termina l’esecuzione del programma.
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L’algoritmo dettagliato (1)
1. Scrivi nella cella di memoria centrale riservata al valore della variabile a il valore letto dal dispositivo di ingresso (disponibile nel registro dati della periferica). Fai la stessa cosa per b, c, d
2. Somma il valore di a al valore di b
2.1Copia il contenuto della cella di memoria riservata ad a nel registro A
2.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a b nel registro B
2.3Somma il contenuto dei registri A e B
3. Salva il risultato parziale, contenuto nel registro A, in una cella di memoria predisposta per il risultato (z).
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4. Somma il valore di c al valore di d4.1 Copia il contenuto della cella di memoria
riservata a c nel registro A 4.2 Copia il contenuto della cella di memoria
riservata a b nel registro B4.3 Somma il contenuto dei registri A e B
5. Moltiplica il risultato parziale appena ottenuto con quello precedentemente salvato5.1 Copia il contenuto della cella riservata a z nel registro B (z e B contengono ora a+b, mentre A contiene c+d)5.2 Moltiplica il contenuto dei registri A e B.
L’algoritmo dettagliato (2)
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6. Scrivi sul dispositivo di uscita il risultato della valutazione complessiva6.1 Memorizza il risultato appena calcolato
(e disponibile nel registro A) nella celladi memoria riservata a z
6.2 Copia il contenuto della cella di memoria riservata a z nel registro dati della periferica di uscita
7. Termina l’esecuzione del programma.
L’algoritmo dettagliato (3)
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Tipologia delle operazioni svolte
• Operazioni di manipolazione– Somma: 2.3, 4.3– Moltiplicazione: 5.2
• Operazioni di trasferimento– Da periferica-input a MM: 1– Da MM a CPU: 2.1, 2.2, 4.1, 4.2, 5.1– Da CPU a MM: 3, 6.1– Da MM a periferica-output: 6.2
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Le istruzioni macchina
• Un programma scritto in linguaggio macchina è formato da una sequenza di istruzioni appartenenti al set di istruzioni del particolare processore
• Ogni istruzione è formata da:– Un codice operativo– Zero o più operandi
• Tanto il codice operativo quanto gli operandi sono rappresentati nella memoria del calcolatore sotto forma di numeri binari
• Data la difficoltà per l’uomo di interpretare numeri binari si usa l’assembler al posto del linguaggio macchina codice operativo operando(i)
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Le istruzioni macchina
• Il set di istruzioni di un qualsiasi linguaggio macchina può essere diviso in quattro classi principali di istruzioni:– Istruzioni per il trasferimento dati tra
memoria e registri del processore e viceversa
– Operazioni aritmetiche e logiche sui dati– Istruzioni per il controllo del flusso di
programma– Istruzioni per la gestione dell’I/ O
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Forma binaria del programma
0100000000010000 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 16 (a)0100000000010001 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 17 (b)0100000000010010 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 18 (c)0100000000010011 Leggi un valore dall’input e mettilo nella cella 19 (d) 0000000000010000 Carica il contenuto della cella 16 (a) nel registro A0001000000010001 Carica il contenuto della cella 17 (b) nel registro B 0110000000000000 Somma i registri A e B0010000000010100 Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris.parziale) 0000000000010010 Carica il contenito della cella 18 (c) nel registro A0001000000010011 Carica il contenito della cella 19 (d) nel registro B0110000000000000 Somma i registri A e B0001000000010011 Carica il contenuto della cella 20 (z) (ris. parziale) in B1000000000000000 Moltiplica i registri A e B0010000000010100 Scarica il contenuto di A nella cella 20 (z) (ris. totale)0101000000010100 Scrivi il contenuto della cella 20 (z) (ris. totale) in output1101000000000000 Halt
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Programma in memoria centrale010000000001000001000000000100010100000000010010010000000001001100000000000100000001000000010001011000000000000000100000000101000000000000010010000100000001001101100000000000000001000000010011100000000000000000100000000101000101000000010100 1101000000000000
Cella 0123456789
101112131415
Spazio riservato per a 16 Spazio riservato per b 17 Spazio riservato per c 18 Spazio riservato per d 19 Spazio riservato per z 20
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Fase di fetch 1a istruzione
0000000000
PC
AR
0100000000010000
Memoria centrale (MM)
0
DR
1023
CIR
0000000000
0100000000010000
0100000000010000
0000000001
Passo 1
Passo 2
Passo 3
Passo 4
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Fase di interpretazione 1a istruzione
0100000000010000
CIR
Codice operativo 0100 = leggi da input
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Fase di esecuzione 1a istruzione
AR
Memoria centrale (MM)
0
DR
1023
0001000000011111
PDR
0100000000010000
CIR 16
Valore di a letto dall’input (es. 4127)
Indirizzo operando00000010000 = cella 16
0000010000
0001000000011111
0001000000011111
Passo 1
Passo 2
Passo 3
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Il linguaggio assembler
• Un esempio (didattico) di assembler potrebbe contenere le seguenti istruzioni:– Le istruzioni loada e loadb servono per spostare il contenuto di
una cella di memoria nei registri A e B rispettivamente• Esempio: loada ind1
– Le istruzioni storea e storeb servono per spostare il contenuto dei registri A e B rispettivamente in una cella di memoria il cui indirizzo è indicato come parametro
• Esempio: storea ind1– Le istruzioni per lo svolgimento delle operazioni aritmetiche di base
• Operazioni su interi: add, dif, mul, div• Operazioni su reali: addr, difr, mulr, divr• Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro
A• Nel caso di divisione tra interi il registro B viene usato per contenere il
resto dell’operazione
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Il linguaggio assembler
– Le istruzioni per lo svolgimento delle operazioni logiche di base• and, or, not• Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro A• Nel caso di operazione not viene usato il solo registro A
– Le istruzioni per leggere/scrivere su periferiche • L’istruzione read legge un dato dalla periferica di input e pone il dato letto nella
cella di memoria il cui indirizzo viene passato come parametro• Esempio: read ind1• L’istruzione write scrive il dato presente nella cella di memoria il cui indirizzo
viene passato come parametro sulla periferica di output• Esempio: write ind1
– Le istruzioni per il controllo di flusso• L’istruzione di salto incondizionato jump salta all’indirizzo specificato come
parametro • L’istruzione di salto condizionato jumpz salta all’indirizzo specificato come
parametro se l’ultima operazione matematica ha dato risultato nullo• Il processore controlla il valore del registro di stato del processore• Il salto viene effettuato solo se il bit di zero vale 1
– Altre istruzioni• L’istruzione halt termina l’esecuzione del programma
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Linguaggio Macchina, Assembler e C
READ AREAD BREAD CREAD DLOADA ALOADB BADDSTOREA RISLOADA CLOADB DADDLOADB RISMULSTOREA RISWRITE RISHALTINT AINT BINT CINT DINT RIS
int a, b, c, d, ris;scanf("%d%d%d%d", &a, &b, &c, &d);ris = (a+b)*(c+d);printf("ecco il risultato %d", ris);
01000000000100000100000000010001010000000001001001000000000100110000000000010000000100000001000101100000000000000010000000010100 00000000000100100001000000010011 01100000000000000001000000010011 10000000000000000010000000010100 0101000000010100 1101000000000000
Linguaggio Macchina
Linguaggio Assembler
Linguaggio C
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Esercizi
• 1) Si usi il linguaggio assembler presentato per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video B volte il primo numero A
• 2) Si usi il linguaggio precedente per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video il prodotto di A per B– Non si faccia uso dell’istruzione mul ma
delle sole istruzioni add e dif