Calcolatori Elettronici(5 crediti)
A.Marchetti Spaccamela
a.a. 2006/2007
Informazione generali sul corso
• Obiettivo del corso:– Conoscenza del funzionamento di un calcolatore
elettronico
• Verifica– Prova scritta (5-6 domande) + orale/discussione
compito scritto
• Sito del corso– http://www.dis.uniroma1.it/~alberto/didattica.html(in costruzione...)
• Testo e Materiale integrativo– Trasparenze del corso– Testo: XXXX– Dispense
Programma del corso
• Introduzione• Struttura di un calcolatore• Rappresentazione numerica e codici• Il livello logico digitale• L’architettura di un sistema informatico
Gamma dei sistemi di calcolo
• Sistemi “ embedded ” : incorporati in altri sistemi– automobili, aerei, telefoni cellulari, PDA ...
• Personal Computer, PC: diverse potenze di calcolo• Server e Mainframe: caratteristiche molto diverse
– Applicazioni usate da molti utenti,– webserver, sistemi per la gestione del sistema informativo di
una organizzazione (es:banca)– Supercalcolatore ( es. Previsione del tempo)
• embedded 90%; personal computer: 9-10%; server:0.5%
• Reti di Workstation : Aumento della potenza dicalcolo mediante il collegamento di PC o WSmediante rete ad alta velocità
IntroduzioneEsempio d’impiego di calcolatori
• Posta elettronica
personal computeApplicazioneClient di posta
Client Server
Server
Breve Storia dei Sistemidi Elaborazione
Preistoria (1600-1900)• Pascal (1623-1662)
– Pascaline: addizioni e sottrazioni
• Leibniz (1646-1716)– Anche moltiplicazioni e divisioni
• Charles Babbage (1792-1871)A) Macchina Differenziale
• Algoritmo fisso• Output su piastra di rame
B) Macchina Analitica• Prima macchina programmabile• Memoria: 1000 x 50 cifre decimali• I/O su schede perforate• Limite: tecnologia meccanica
Generazione zeroMacchine elettromeccaniche• Konrad Zuse (~1930 Germania)
– Macchina a relè– Distrutta nella guerra
• John Atanasoff (~1940 USA)– Aritmetica binaria– Memoria a condensatori
• Howard Aiken (~1940 USA)– MARK 1: versione a relè della macchina di Babbage (~100
anni dopo!)– Memoria: 72 x 23 cifre decimali– tempo di ciclo: 6 sec.– I/O su nastro perforato
Generazione zeroTubi termoionici
• COLOSSUS (~1940GB) Gruppo di AlanTuring, Progettosegreto
• ENIAC (~1946 USA) J. Mauchley, J. Eckert 18.000 valvole 30 tonnellate 140kw assorbimento Programmabile tramite6000 interruttori epannelli cablati
20 registri da 10 cifre
La Macchina di Von Neumann
• IAS (~ 1950, Princeton USA)– Programma in memoria, Aritmetica binaria, Memoria: 4096 x 40bit
– Formato istruzioni a 20 bit:
OPCODE INDIRIZZO128
I Generazione: Sistemi Commerciali
• Inizialmente il mercato è dominato dallaUNIVAC
• L’IBM entra nel mercato nel 1953, e assumeuna posizione dominante che manterrà fino aglianni ‘80:– IBM 701 (1953):
• Memoria: 2k word di 36 bit• 2 istruzioni per word
– IBM 704 (1956):• Memoria: 4k word di 36 bit• Istruzioni a 36 bit• Floating-point hardware
– IBM 709 (1958)• Praticamente un 704 potenziato• Ultima macchina IBM a valvole
II Generazione (1955-1965)
Tecnologia a transistor
• TXO e TX2 macchine sperimentali costruite alloMIT
• Uno dei progettisti del TX2 fonda una propriasocietà la Digital Equipment Corporation (DEC)
• La DEC produce il PDP-1 (1951):– Memoria: 4k parole di 18 bit– Tempo di ciclo di 4msec
– Prestazioni simili all’IBM 7090– Prezzo meno di un decimo– Schermo grafico 512 ¥ 512 pixel (primi videogiochi)– Comincia la produzione di massa
II Generazione: Minicomputer
• DEC PDP-8 (1965)• Successore diretto del PDP-1• Interconnessione a bus, molto flessibile• Architettura incentrata sull’I/O• Possibilità di connettere qualsiasi periferica• Prodotto in oltre 50.000 esemplari
II Generazione: Supercomputer
• Macchine molto potenti dedicate al numbercrunching
• 10 volte più veloci del 7090
• Architettura molto sofisticata
• Parallelismo all’interno della CPU
• Nicchia di mercato molto specifica (resta vero ancheoggi)
• CDC 6600 (1964)
• Progettista del CDC 6600 è Seymour Cray, poifondatore della CRAY
III Generazione (1965-1980)
Tecnologia LSI e VLSI• Evoluzione dell’architettura HW
– Microprogrammazione– Unità veloci floating-point– Processori ausiliari dedicati alla gestione dell’I/O
• Evoluzione dei Sistemi Operativi– Virtualizzazione delle risorse– Multiprogrammazione: esecuzione concorrente di più
programmi– Memoria Virtuale: rimuove le limitazioni dovute alle
dimensioni della memoria fisica
III GenerazioneIBM: Serie IBM System/360 (famiglia elab.)• Macchine con lo stesso linguaggio• Range di prestazioni (e prezzo) 1-20• Completa compatibilità• Portabilità totale delle applicazioni• OS comune OS/360Digital PDP 11• Architettura a bus (Unibus)• Prodotto in milioni di esemplari• Sistema operativo UNIX, indipendente dalla
piattaforma
…. nacque il Personal Computer• fine anni 70: Apple I, progettato in un garage nel
tempo libero, venduto in scatola di montaggio• 1981 PC IBM con Intel 8088 e MS DOS della
minuscola Microsoft• Informatica diffusa non solo per specialisti• Duopolio Intel/Microsoft
La legge di Moore (1965)
La capacità delle memorie DRAM quadruplica ogni treanni (60% anno)
• Analogo aumento del numero di transistor sul chip• Aumento della capacità dei chip di memoria• Aumento della capacità di calcolo delle CPU
Legge di Moore per le CPU
• Più transistor:– parallelismo interno
• Maggiore frequenza difunzionamento
• Rapp.prestazioni/costo– 1951 valvola 1– 1965 transistor 36– 1975 circuito integrato
900– 1995 circuito VLSI
2400000– 2005 circuito ULSI
6200000000
Legge di Nathan
Il software è come un gas: riempie semprecompletamente qualsiasi contenitore in cui losi metta
Al calare dei costi e all’aumentare della memoriadisponibile, le dimensioni del software sono semprecresciute in proporzione
• Il Circolo Virtuoso– Costi più bassi e prodotti migliori– Aumento dei volumi di mercato– Fattori di scala nella produzione– Costi più bassi …...
Calcolatore elettronico oggi…
Sistema elettronico digitale programmabileElettronico digitale
• Sfrutta componenti elettronici digitali (portelogiche) che operano su grandezze binarie (bit)che possono assumere due soli valori (0 e 1)
Sistema: Parti (o componenti) cheinteragiscono in modo organico fra loro(architettura di von Neumann)
Programmabile• Il comportamento del sistema è flessibile e
specificato mediante un programma, ossia uninsieme di ordini
Intel Computer Family
Grandezze elettriche (1)
• Analogiche– Il più possibile analoghe a ciò che
rappresentano (all’originale)• Ex: forma corrispondente alla voce
tempo
Pres
sion
e ar
ia
Tens
ione
ele
ttri
ca
tempo
Grandezze elettriche (2)
• Digitali– Possono assumere due soli valori, comunemente
indicati con 0 ed 1• La grandezza fisica può essere una tensione, corrente,
ampiezza…
tempo
V2
V1
Andamento ideale0-> V1, 1-> V2
oppure0-> V2, 1-> V1 …
Grandezze elettriche (3)
• Digitali– In realtà…
• i valori 0 ed 1 sono rappresentati mediante valori di unintervallo
• Il cambiamento da 0->1, 1->0 non è istantaneo
tempo
3.32.8
0.50.0
Andamento realerumore
Technology State 0 State 1
Relay logic Circuit Open Circuit ClosedCMOS logic 0.0-1.0 volts 2.0-3.0 voltsTransistor transistor logic (TTL) 0.0-0.8 volts 2.0-5.0 voltsFiber Optics Light off Light onDynamic RAM Discharged capacitorCharged capacitorProgrammable ROM Fuse blown Fuse intactMagnetic disk No flux reversal Flux reversalCompact disc No pit Pit
Mapping from physical world to binary world
Vantaggi dei sistemi digitali
• Riproducibilità del risultato– rumore
• Facilità di progetto• Flessibilità• Programmabilità• Velocità di funzionamento (ns, 10-9 s)• Economia
La nozione di macchina …
Per studiare l’architettura di un calcolatore èconveniente introdurre la nozione di macchina
• Macchina: entità in grado di eseguire istruzioniappartenenti ad un linguaggio– Una macchina può essere fisica o virtuale
• Una macchina è composta da un insieme di risorseche sono controllare e gestite dalle istruzioni– Il significato di ogni istruzione è dato facendo riferimento
alle risorse
Architettura a livelli di un calcolatore
• Un calcolatore ècostituito da variemacchine virtuali
• Architettura di uncalcolatore è ladescrizione dellecaratteristiche dellevarie macchinevirtuali (livelli)
Macchina fisica MO e linguaggio macchina L0
Macchina virtuale M1 e linguaggio macchina L1
Macchina virtuale Mn e linguaggio macchina Ln
Livello applicativo
• E’ il livello usato da chi scrive applicazioni peruno specifico problema (es programmi in java)
Program in Java
Programma eseguibile
int i; i=i+2;… bytecode
Compilat.Compilat. JVMJVM
Macchina ISA
eseguita daISA: Instruction SetArchitecture (Macchina di vonNeumann)
Macchina di von Neumann
Unità di Calcolo
Unità di Controllo
Memoria dilavoro
Unità di Ingresso
Unità di Uscita
Macchina di von Neumann
Unità di Calcolo
Unità di Controllo
Memoria dilavoro
Unità di Ingresso
Unità di Uscita
CPU
Caratteristiche distintive..
• Singola memoria “monodimensionale”acceduta sequenzialmente
• Memorizzazione sia di dati che delprogramma
• Il tipo di dato non è memorizzato
• La macchina di von Neumann esegue leistruzioni del programma (nel linguaggiomacchina)
Livelli di astrazione
Hardware
Software
Livello fisico(transistor..)
Livello porte logiche
Livellofirmware
INSIEME DELLE ISTRUZIONI(linguaggio macchina)
Il livello firmware (microarchitettura)
Realizza le istruzioni del linguaggio macchina
Le componenti principali di tale livello sono• Registri (in grado di memorizzare gruppi di
bit, ex: 16-32 bit)• ALU (Unità Aritmetica Logica)• Data-path (connessioni per il trasferimento
dei dati)
Utilizza le porte logiche (livello 1)
Implementazione
• A una istruzione macchina corrisponde unasequenza di istruzioni del livello 1 che larealizzano
Istruzionemacchina…
m1 m2 m3 mkI Sequenza equivalente s
Istruzione L2
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