Architettura dei sistemi di elaborazione

1. Architettura dei sistemi di elaborazione Prima parte: HD e Software

2. Esempi di applicazione di sistemi di elaborazione • Regolazione del riscaldamento • Sportello Bancomat • Prenotazione dei voli • Computer di bordo nell’auto • Previsioni meteorologiche

3. Esempi di applicazione di sistemi di elaborazione • Negli esempi precedenti abbiamo: • Un sistema di acquisizione dati dal mondo esterno • Un sistema capace di elaborarli e di memorizzarli • Un sistema capace di fornire, sulla base delle elaborazioni svolte, informazioni utili all’utente finale

4. Schema di un generico sistema di elaborazione Informazione in uscita Dati in ingresso Unità di elaborazione Dispositivo di OUTPUT Dispositivo di INPUT Memoria di massa (non volatile)

5. Tipologie di computer • Sistemi “embedded” • Personal Computer • Workstation • Minicomputer • Mainframe • Supercomputer Varia il livello di potenza e complessità

6. Sistemi “embedded” • Es. computer che controlla le funzioni del motore e si adatta ai combiamenti delle condizioni di guida • Agiscono all’interno di sistemi meccanici o elettrici più grandi e complessi senza il diretto controllo dell’operatore • Ricevono gli input da sensori ed attivano meccanismi per controllare le condizioni operative, eseguendo un numero limitato di istruzioni preprogramate • Si trovano all’interno di piccoli elettrodomestici, aerei, stereo, etc.

7. Personal Computer • Desktop, laptop, notebook, palmari • Tipicamente hanno un microprocessore • “General Purpose” • Velocità: 30-120 MIPS • RAM: 32-128 MB

8. Workstation • Stazioni di lavoro molto potenti con notevoli capacità grafiche • Utilizzo “stand-alone” • Supportano il lavoro di progettazione tecnica (CAD – Computer Aided Design) • Velocità: 200-300 MIPS • RAM: 128-256 MB

9. Minicomputer • Utilizzo in piccole aziende o divisioni di grandi compagnie • Possono gestire centinaia di utenti • Es. • gestione delle transazioni • Gestione del magazzino • Fatturazione

10. Mainframe • Utilizzo in grandi compagnie, università, etc. • Possono gestire migliaia di utenti • Es. • Banche , catena di alberghi • Compagnie aeree, di assicurazioni.. • Gestiscono numerose periferiche, tipicamente dischi.

11. Schema di un generico sistema di elaborazione Informazione in uscita Dati in ingresso Unità di elaborazione Dispositivo di OUTPUT Dispositivo di INPUT Memoria di massa (non volatile)

12. Architettura di una CPU Memoria RAM Registri interni Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Clock CPU

13. Memoria Ram E’ costituita da locazioni singolarmente indirizzabili Ciascuna locazione contiene istruzioni o dati Random Access Memory Memoria RAM Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Clock CPU

14. Caratteristiche della memoria • Tempo di accesso • Velocità di trasferimento dei dati • Ciclo di memoria (n. accessi nell’unità di tempo)

15. Tipi di memoria • ROM (Read Only Memory) memoria dal contenuto fisso, non riscrivibile. • PROM (Programmable ROM) si possono scrivere una sola volta. • EPROM (Erasable PROM) si possono scrivere e ricancellare esponendole ai raggi UV. • Memorie FLASH • ROM, PROM, EPROM non perdono il contenuto quando il calcolatore viene spento.

16. ROM e BIOS • Quando il calcolatore viene acceso, la RAM è vuota. Tuttavia la CPU deve poter trovare da qualche parte una sequenza di istruzioni (programma) da eseguire. • In ogni computer c’è una ROM che contiene il BIOS (Basic Input/Output System). • Il BIOS contiene un piccolo programma che consente di trasferire dalla memoria di massa a quella centrale il sistema operativo e altri dati essenziali (fase di caricamento o di boot) che mettono il computer in grado di funzionare.

17. Memoria centrale e memoria di massa • Differiscono per la • volatilita dei dati e per • le funzioni che svolgono • Per la tecnologia di realizzazione

18. Memoria centrale e memoria di massa • Volatilita’ • La memoria centrale tiene i dati fino a quando e alimentata • Nella memoria di massa i dati sono immagazzinati permanentemente

19. Memoria centrale e memoria di massa Funzione: • LA memoria centrale contiene i programmi in esecuzione e i relativi dati • LA velocita’ di accesso influenza notevolmente le prestazioni del sistema • La memoria di massa contiene elevate quantita’ di dati che non devono essere utilizzate frequentemente

20. Memoria centrale e memoria di massa Tecnologia: • LA memoria centrale e’ realizzata con tecnologie elettroniche (VLSI) • Le memoria di massa vengono realizzate con tecnologie magnetiche oppure ottiche.

21. memoria di massa Varie tipologie: • Nastri • DAT (digital audio tape) (fino a qualche giga) • DISCHI

22. memoria di massa: Hard disk Varie tipologie: • Nastri • DAT (digital audio tape) (fino a qualche giga) • DISCHI

23. Modalità di esecuzione della CPU Fase di “fetch”: Acquisizione dalla RAM dell’ istruzione da eseguire Decodifica dell’istruzione Esecuzione dell’istruzione Memoria RAM Unità Aritmetico/Logica ALU Unità di Controllo Clock CPU Ciclo Macchina

24. Come è fatta un’istruzione Memoria RAM 0 1 2 3 4 ……. 256 Codice operativo Operando1 Operando2 Es. Somma Indirizzo Op2 Indirizzo Op1

25. Uno sguardo ai registri PC (Program Counter) Tiene traccia della prossima istruzione da eseguire IC (Instruction Register) Contiene una copia della istruzione corrente da eseguire MAR (Memory Address register) Contiene l’indirizzo dal quale estrarre o dove trascrivere un dato MDR (memory Data register) Contiene una copia del dato da trattare PSW (Processor Status Word) Informazioni sullo stato del processore Memoria RAM Unità Aritmetico/Logica ALU IC PC Unità di Controllo MAR Clock MDR PSW CPU

26. Uno sguardo ai registri Inoltre l’ALU contiene un proprio set di registri usati per svolgere le elaborazioni intermedie sui dati …. R1 R2 Rn Memoria RAM Unità Aritmetico/Logica ALU IC PC Unità di Controllo MAR Clock MDR PSW CPU

27. Steps del Ciclo macchina Unità di Controllo Memoria RAM Decodifica Istruzione Recupero istruzione dalla RAM Parte posta nel registro istruzioni Parte posta nel registro indirizzi Risultati posti nell’ accumulatore Dati spostati dalla RAM al registro MDR ALU effettua l’operazione ALU riceve il comando di effettuare l’operazione ALU

28. Tipologie di istruzioni • Trasferimento dati tra CPU e RAM • Trasferimento dati tra CPU e interfaccia di Ingresso/Uscita • Elaborazione dati • Controllo del flusso delle istruzioni

29. Istruzioni di elaborazione dati • Operazioni aritmetiche • somma, prodotto, ... • Operazioni relazionali • confronto tra dati • Operazioni su caratteri e valori di verità (booleani) • Altre operazioni numeriche • calcolo di logaritmi e funzioni trigonometriche

30. Bus di collegamento • Collegamento fisico tra i componenti: occorrono tre tipologie di BUS • BUS Dati • BUS Indirizzi • BUS Controllo • La CPU ha il compito fondamentale di coordinare l’accesso ai Bus da parte dei vari componenti dei sistema

31. Ancora sui BUS • Il bus di controllo fa transitare i segnali che identificano sorgente e destinatario dei dati e direzione del flusso (es. lettura o scrittura) • L’ampiezza del bus è la quantità di dati che possono essere trasferiti contemporaneamente (32 bit, 64 bit)

32. Funzionamento del bus ALU R1 R2 Rn Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 0003 IR MAR Clock 0004 0005 PC 0006 MDR INDIRIZZI DATI CONTROLLO

33. Fase di fetch ALU R1 R2 Rn Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 3F 0003 IR MAR A8 Clock 0004 0005 PC 0003 0006 MDR INDIRIZZI 0003 DATI CONTROLLO

34. Fase di fetch ALU R1 R2 Rn Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 3F 0003 IR MAR A8 Clock 0004 0005 PC 0003 0006 MDR INDIRIZZI 0003 DATI CONTROLLO LEGGI

35. Fase di fetch ALU R1 R2 Rn Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 3F 0003 IR MAR A8 Clock 0004 0005 PC 0003 0006 MDR INDIRIZZI 0003 3FA8 DATI CONTROLLO LEGGI

36. Fase di decodifica ALU R1 R2 Rn Preleva il dato dalla prossima Locazione di memoria e mettilo Nel registro R1 Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 3F 0003 3FA8 IR MAR A8 Clock 0004 0005 PC 0003 0006 MDR INDIRIZZI 3FA8 DATI CONTROLLO

37. Incremento del program counter ALU R1 R2 Rn Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 3F 0003 3FA8 IR 0005 A8 Clock 0004 0005 PC 0007 0006 MDR INDIRIZZI 0005 DATI LEGGI CONTROLLO

38. Prelievo del dato ALU R1 R2 Rn Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 3F 0003 3FA8 IR 0005 A8 Clock 0004 00 0005 PC 0007 0006 01 MDR INDIRIZZI 0001 DATI LEGGI CONTROLLO

39. Scrittura nel registro della ALU ALU R1 0001 R2 Rn Memoria RAM CPU PSW 0000 Unità di Controllo 0001 0002 3F 0003 3FA8 IR 0005 A8 Clock 0004 00 0005 PC 0007 0006 01 MDR INDIRIZZI 0001 DATI scrivi CONTROLLO

40. Porta seriale e parallela Dispositivo di INPUT PORTA Memoria RAM CPU Dati Indirizzi Controllo Controllers N Memoria ROM Clock PORTA Dispositivo di OUTPUT

41. Interfaccia di Ingresso/uscita Periferica Buffer dati Controller Porta Registro Di stato INDIRIZZI DATI controllo

42. Gestione delle periferiche Le periferiche possono funzionare con tre tecniche: • Ciclo di “polling” • Interrupt • Accesso diretto alla memoria (DMA)

43. Ciclo di polling Periferica CPU Interfaccia di ingresso/uscita Buffer dati Controller • P interroga ciclicamente il registro di stato • Quando il registro di stato segnala che i dati sono stati trasferiti P trasmette nuovi dati al buffer dei dati Registro Di stato P Processo chiamante la periferica INDIRIZZI DATI controllo

44. Gestione con interrupt Periferica CPU P Processo chiamante la periferica Interfaccia di ingresso/uscita Controller Buffer dati Cavo di collegamento Registro Di stato • P lancia il comando alla periferica e invia I primi dati • Si sospende

45. Gestione con interrupt Periferica CPU P Processo chiamante la periferica Interfaccia di ingresso/uscita Controller Buffer dati Cavo di collegamento Registro Di stato • La cpu passa ad un altro processo • Il controller notifica con un interrupt la CPU che è pronto a ricevere altri dati

46. Gestione con interrupt Periferica CPU P Processo chiamante la periferica Interfaccia di ingresso/uscita Controller Buffer dati Cavo di collegamento Registro Di stato • La CPU attiva il programma di risposta a interruzione, che attiverà il driver fisico della stampante per effettuare il successivo trasferimento dati Driver fisico

47. Accesso diretto alla memoria DMA RAM Periferica CPU Interfaccia di ingresso/uscita Controller Buffer dati Cavo di collegamento Registro Di stato INDIRIZZI DATI CONTROLLO

48. Periferiche e caratteristiche • Monitor (CRT e LCD) • Risoluzione • Memoria • Schede acceleratrici • Stampanti • Inkjet • Laser • (DPI, PPM)

49. Scheda madre • Alloggia il processore • La Ram • La cache memory • Ha slots di espansione • (upgrades, schede grafiche, etc.) • Un dispositivo di raffreddamento • Un sistema di alimentazione

50. Valutazione delle Prestazioni di un sistema • Velocità • Lavoro svolto nell’unità di tempo (throughput) • Affidabilità • MTTF (Mean Time to Failure) • MTTR (mean time to recovery) • Un sistema è tanto affidabile quanto il meno affidabile dei suoi componenti