1 / 36

Calcolatori Elettronici (6 crediti)

Calcolatori Elettronici (6 crediti). Docente: Bruno Ciciani Tutor: Diego Rughetti a.a. 2007/2008. Informazione generali sul corso. Obiettivo del corso: Conoscenza del funzionamento di un calcolatore elettronico Verifica Prova scritta (5-6 domande) + orale/discussione compito scritto

upton-suarez
Download Presentation

Calcolatori Elettronici (6 crediti)

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Calcolatori Elettronici (6 crediti) Docente: Bruno Ciciani Tutor: Diego Rughetti a.a. 2007/2008

  2. 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/~ciciani/teaching.shtml (in costruzione...) • Testo e Materiale integrativo • Trasparenze del corso • Testo: XXXX • Dispense

  3. Programma del corso • Introduzione • Rappresentazione numerica e codici • Il livello logico digitale • Struttura di un calcolatore • Programmazione di interfacce di periferiche (driver)

  4. 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 di calcolo mediante il collegamento di PC o WS mediante rete ad alta velocità

  5. Introduzione Esempio d’impiego di calcolatori • Posta elettronica Server Client Server personal computer Applicazione Client di posta

  6. Breve Storia dei Sistemi di Elaborazione

  7. 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

  8. Generazione zero Macchine 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

  9. Generazione zero Tubi termoionici • COLOSSUS (~1940 GB) Gruppo di Alan Turing, Progetto segreto • ENIAC (~1946 USA) J. Mauchley, J. Eckert 18.000 valvole 30 tonnellate 140kw assorbimento Programmabile tramite 6000 interruttori e pannelli cablati 20 registri da 10 cifre

  10. OPCODE INDIRIZZO La Macchina di Von Neumann • IAS (~ 1950, Princeton USA) • Programma in memoria, Aritmetica binaria, Memoria: 4096 x 40 bit • Formato istruzioni a 20 bit: 12 8

  11. I Generazione: Sistemi Commerciali • Inizialmente il mercato è dominato dalla UNIVAC • L’IBM entra nel mercato nel 1953, e assume una posizione dominante che manterrà fino agli anni ‘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

  12. II Generazione (1955-1965) Tecnologia a transistor • TXO e TX2 macchine sperimentali costruite al MIT • Uno dei progettisti del TX2 fonda una propria società la Digital Equipment Corporation (DEC) • La DEC produce il PDP-1 (1951): • Memoria: 4k parole di 18 bit • Tempo di ciclo di 4sec • Prestazioni simili all’IBM 7090 • Prezzo meno di un decimo • Schermo grafico 512  512 pixel (primi videogiochi) • Comincia la produzione di massa

  13. 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

  14. II Generazione:Supercomputer • Macchine molto potenti dedicate al number crunching • 10 volte più veloci del 7090 • Architettura molto sofisticata • Parallelismo all’interno della CPU • Nicchia di mercato molto specifica (resta vero anche oggi) • CDC 6600 (1964) • Progettista del CDC 6600 è Seymour Cray, poi fondatore della CRAY

  15. 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

  16. III Generazione IBM: 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/360 Digital PDP 11 • Architettura a bus (Unibus) • Prodotto in milioni di esemplari • Sistema operativo UNIX, indipendente dalla piattaforma

  17. …. 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

  18. La legge di Moore (1965) La capacità delle memorie DRAM quadruplica ogni tre anni (60% anno) • Analogo aumento del numero di transistor sul chip • Aumento della capacità dei chip di memoria • Aumento della capacità di calcolo delle CPU

  19. Legge di Moore per le CPU • Più transistor: • parallelismo interno • Maggiore frequenza di funzionamento • Rapp.prestazioni/costo • 1951 valvola 1 • 1965 transistor 36 • 1975 circuito integrato 900 • 1995 circuito VLSI 2.400.000 • 2005 circuito ULSI 6.200.000.000

  20. Legge di Nathan Il software è come un gas: riempie sempre completamente qualsiasi contenitore in cui lo si metta Al calare dei costi e all’aumentare della memoria disponibile, le dimensioni del software sono sempre cresciute in proporzione • Il Circolo Virtuoso • Costi più bassi e prodotti migliori • Aumento dei volumi di mercato • Fattori di scala nella produzione • Costi più bassi …...

  21. Calcolatore elettronico oggi… Sistema elettronico digitale programmabile Elettronico digitale • Sfrutta componenti elettronici digitali (porte logiche) che operano su grandezze binarie (bit) che possono assumere due soli valori (0 e 1) Sistema: Parti (o componenti) che interagiscono in modo organico fra loro (architettura di von Neumann) Programmabile • Il comportamento del sistema è flessibile e specificato mediante un programma, ossia un insieme di ordini

  22. Intel Computer Family

  23. Grandezze elettriche (1) • Analogiche • Il più possibile analoghe a ciò che rappresentano (all’originale) • Ex: forma corrispondente alla voce Tensione elettrica Pressione aria tempo tempo

  24. Grandezze elettriche (2) • Digitali • Possono assumere solo valori finiti, che rappresentano in modo approssimato una grandezza fisica. • Binarie • Grandezze digitali che possono assumere due soli valori, comunemente indicati con 0 ed 1 • La grandezza fisica può essere una tensione, corrente, ampiezza… Andamento ideale 0-> V1, 1-> V2 oppure 0-> V2, 1-> V1 … V2 V1 tempo

  25. Grandezze elettriche (3) • Binarie • In realtà… • i valori 0 ed 1 sono rappresentati mediante valori di un intervallo • Il cambiamento da 0->1, 1->0 non è istantaneo rumore Andamento reale 3.3 2.8 0.5 0.0 tempo

  26. Mapping from physical world to binary world TechnologyState 0State 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 on Dynamic RAM Discharged capacitor Charged capacitor Programmable ROM Fuse blown Fuse intact Magnetic disk No flux reversal Flux reversal Compact disc No pit Pit

  27. Vantaggi dei sistemi digitali • Riproducibilità del risultato • rumore • Facilità di progetto • Flessibilità • Programmabilità • Velocità di funzionamento (ns, 10-9 s) • Economia

  28. La nozione di macchina … Per studiare l’architettura di un calcolatore è conveniente introdurre la nozione di macchina • Macchina: entità in grado di eseguire istruzioni appartenenti ad un linguaggio • Una macchina può essere fisica o virtuale • Una macchina è composta da un insieme di risorse che sono controllare e gestite dalle istruzioni • Il significato di ogni istruzione è dato facendo riferimento alle risorse

  29. Macchina virtuale Mn e linguaggio macchina Ln Macchina virtuale M1 e linguaggio macchina L1 Macchina fisica MO e linguaggio macchina L0 Architettura a livelli di un sistema di elaborazione • Un sistema di elaborazione è costituito da varie macchine virtuali • L’architettura di un sistema di elaborazione è la descrizione delle caratteristiche delle varie macchine virtuali (livelli)

  30. Livello applicativo • E’ il livello usato da chi scrive applicazioni per uno specifico problema (es programmi in java) int i; i=i+2; … bytecode Program in Java Compilat. Programma eseguibile JVM eseguita da ISA: Instruction Set Architecture (Macchina di von Neumann) Macchina ISA

  31. Macchina di von Neumann Unità di Ingresso Memoria di lavoro Unità di Uscita Unità di Calcolo Unità di Controllo

  32. Macchina di von Neumann Unità di Ingresso Memoria di lavoro Unità di Uscita Unità di Calcolo Unità di Controllo CPU

  33. Caratteristiche distintive.. • Singola memoria “monodimensionale” acceduta sequenzialmente • Memorizzazione sia di dati che del programma • Il tipo di dato non è memorizzato • La macchina di von Neumann esegue le istruzioni del programma (nel linguaggio macchina)

  34. Livelli di astrazione Software INSIEME DELLE ISTRUZIONI (linguaggio macchina) Livello firmware Hardware Livello porte logiche Livello fisico (transistor..)

  35. Il livello firmware (microarchitettura) Interpreta 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)

  36. Implementazione • A una istruzione macchina corrisponde una sequenza di istruzioni del livello 1 che la realizzano Istruzione macchina Istruzione L2 … m1 Sequenza equivalente s m2 m3 mkI

More Related