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Componentied Architetture
diElaborazione
AlessandroFarinelli
C.1.1Componenti eArchitetture diElaborazione
Componenti ed Architetture diElaborazione
Alessandro Farinelli
Dipartimento di Informtica e SistemisticaUniversita di Roma “La Sapienza”
Componentied Architetture
diElaborazione
AlessandroFarinelli
C.1.1Componenti eArchitetture diElaborazioneComponentiHardware
C.1.2 Architettura diun Calcolatore
C.1.3 Componenti diElaborazionemultimediale
Cosa e un ElaboratoreBlocchi Funzionali
Immagine tratta da www.dis.uniroma1.it/∼ciciani/DIDATTICA/CALCOLATORI-I/info.html
Blocchi Funzionali Elaboratore Elettronico
Unita di controllo: coordina flusso datiUnita di calcolo: esegue operazioni sui datiMemoria: immagazina i datiInterconnessioni: busDati: segnali elettrici, codifica binaria
Componentied Architetture
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C.1.2 Architettura diun Calcolatore
C.1.3 Componenti diElaborazionemultimediale
Cosa e un ElaboratoreBlocchi Funzionali
Immagine tratta da www.dis.uniroma1.it/∼ciciani/DIDATTICA/CALCOLATORI-I/info.html
Blocchi Funzionali Elaboratore Elettronico
Unita di controllo: coordina flusso datiUnita di calcolo: esegue operazioni sui datiMemoria: immagazina i datiInterconnessioni: busDati: segnali elettrici, codifica binaria
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C.1.2 Architettura diun Calcolatore
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Scheda Madre
Componenti scheda madre
CPU (Central Processing Unit)Sistema ControlloROM (Read Only Memory)Slot per espansioni (Random Access Memory e altro)
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C.1.2 Architettura diun Calcolatore
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CPU
Caratteristiche CPU
Set IstruzioniMemoria Cache: RegistriArithmetic Logic Unit ALUUnita di controllo
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CPU
Caratteristiche CPU
Set IstruzioniComplex Instruction Set Computer CISCReduced Instruction Set Computer RISC
Memoria Cache: RegistriArithmetic Logic Unit ALUUnita di controllo
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Funzionamento della CPU
Fasi del Ciclo macchina della CPU
Fetch: caricamento della istruzione che si deveeseguire dalla RAM.Decode: decodifica dell’istruzione.Execute: esecuzione dell’istruzione.
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Il concetto di Pipeline
Parallelizzare le operazioni
Le varie fasi del ciclo macchina impegnano diversistadi della CPUMentre un istruzione viene decodificata l’istruzioneseguente viene caricata dalla memoria.Non puo essere fatto per tutte le istruzioni⇒ esistonoprocedure apposite per diverse istruzioniCome la pipeline viene realizzata dipendedall’architettura del processore.L’utilizzo della pipeline aumenta il throughput1
dell’elaboratore.
1Numero di istruzioni eseguite nell’unita di tempo
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Memorie
Operazioni principali
AccessoLetturaScrittura
Caratteristiche Memorie
Sequenziali (Dischi,Nastri, etc.)Casuali (RAM)Sola lettura (ROM)Stabilita temporale
Caratteristiche Memorie
Velocita, tempo per leggere o scrivere un datoCapacita, misurata in multipli di byte (Kilo, Mega, GigaByte).Costo, per bit/byte della memoria.
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ROM
Read Only Memory
Memoria non volatileDati scritti una solaPROM (Programmable ROM) ed EEPROM(Electronically Erasable PROM) consentono un numerolimitato di scritture.Mantengono il BIOS (Basic Input/Otput System) neglielaboratori.Alloggiata sulla scheda madre
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RAM
Random Access Memory
Memoria Volatile, organizzata in parole (in genere 4Byte)Utilizzata per immagazzinare dati dinamiciBrevi tempi di lettura/scritturaStatic RAM: piu veloce, alto costoDynamic RAM: piu lenta, basso costo, necessita hwdedicato per aggiornare dati in memoriaPackaging Single Inline Memory Module (SIMM),Double Inline Memory Module DIMM
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BUS
Stutture di interconnessione
composti da connettori e mezzi trasmissiviStruttura condivisa da piu dispositiviUn bus puo veicolare: Indirizzi, Dati, Segnali dicontrollo.Un bus puo essere sincrono o asincronoGerarchie di BUSI bus sono interconnessi tramite device dedicati.
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BUS
Stutture di interconnessione
composti da connettori e mezzi trasmissiviStruttura condivisa da piu dispositiviUn bus puo veicolare: Indirizzi, Dati, Segnali dicontrollo.Un bus puo essere sincrono o asincronoGerarchie di BUS
BUS per la memoria (PCI) e dispositivi di particolarerilevanza (Accelarated Graphic Port) molto performantiBUS con periferiche a basse prestazioni (USB,FireWire, IDE/ATA)
I bus sono interconnessi tramite device dedicati.
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BUS
Stutture di interconnessione
composti da connettori e mezzi trasmissiviStruttura condivisa da piu dispositiviUn bus puo veicolare: Indirizzi, Dati, Segnali dicontrollo.Un bus puo essere sincrono o asincronoGerarchie di BUSI bus sono interconnessi tramite device dedicati.
SouthBridge⇒ collega bus ad alte prestazioni con glialtri BUSNorthBridge⇒ collega CPU e RAM al PCI (controlloredel sistema)
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Valutazione di un Elaboratore
Parametri di Valutazione di un Elaboratore
Parallelismo processore: dimensione in bit dei regisriinterni (8, 16, 32, 64).Parallelismo memoria: dimensione di ciascun blocco(parola) di memoriaParallelismo dei BUSFrequenza di clock del processore: frequenza delsegnale di temporizzazioneDurata ciclo macchina: ciclo fetch-decode-execute.Numero di operazioni al secondo: MegaFLOPSFLoating point Operations Per SecondBenchmarks: sequenze di operazioni prefissate, simisura tempo di esecuzione
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Sistema di I/O
Componentio necessari alla comunicazioneCPU-periferiche
Interfaccia per inviare e ricevere segnaliUn mezzo ficiso di colegamento (BUS)Un protocollo per scambiare i dati
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Interfacciamento CPU-Periferica
Componenti Interfaccia
Registro Controllo: memorizza comandi dal processorealla perifericaRegistro Stato: memorizza segnali di stato dallaperiferica al processore.Registro Dati: memorizza i dati scambiati con laperiferica.Driver: programma che gestisce la trasmissione dati,usa tali registri
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Controllo Periferica
Controller
Componente dedicato al controllo della perfiferica.Traduce i segnali del BUS in segnali elettrici per laperiferica.Connessione fisica tramite connettori (dipendono dalcontroller e dall’interfaccia)
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Protocollo
Insieme condiviso di regole per la temporizzazione delloscambio dati.
Implementazione
Specificato dalla temporizzazione dei segnali dicontrollo.Processore utilizza il registro di controllo ed il registro distato.
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Esempio Protocollo: handshacking lettura
Immagini tratte da www.dis.uniroma1.it/∼ciciani/DIDATTICA/CALCOLATORI-II/info.html
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Meccanismi di comunicazione
Temporizzazione
Sincrona: i due sistemi hanno uno stesso clock chescandisce la communicazione.Asincrona: clock diversi, messaggi di gestione delloscambio.
Tipologie di BUS
PCI bus sincrono.Il bus PCI e il bus di sistemaAltri BUS per le periferiche (USB, firewire, etc. etc.)
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Modalita di gestione della periferica
Polling
Interruzione
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Modalita di gestione della periferica
Polling
Il processore interroga la periferica sulla possibilita discambiare dati.Conveniente con periferiche che hanno frequentiscambi.
Interruzione
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Modalita di gestione della periferica
Polling
Interruzione
La periferica ”Interrompe” il processore quando devescambiare dati.L’interruzione viene comunicata scrivendo in unregistro.Esitono routine apposite per gestire l’interruzione.(Interrupt Service Routine).Conveniente per periferiche lente e che scambiano datinon di frequente.
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Modalita di scambio dati
I/O bufferizzato
I dati da trasferire vengono memorizzati in appositibufferPuo essere fatto sia in input che in outputRiduce l’overhead di gestione del protocollo di scambioed i conflitti sui BUS.
Direct Memory Access
Area di memoria riservata per la periferica.CPU scrive in memoria e delega al DMA controller loscambio dati.Il DMA controller e un processore dedicato alloscambio dati con la periferica.
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Parametri generici periferiche
Problematiche e caratteristiche delle periferiche
Requisiti per lo scambio datiTipologia di connessioneCompatibilita con il sistema operativoModalita di scambio datiParametri specifici della periferica
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Periferiche Ingresso
Principali Periferiche di Ingresso
TastieraCratteristiche: layout (QWERTY), umero tastiCollegamento: cavo (PS/2, USB)
MouseCratteristiche: ”Pallina” + 2 encoder, OtticiCollegamento: cavo (PS/2, USB), radio.
Joystick (non solo ingresso...)
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Periferiche Uscita
Monitor
Dispositivi di Stampa
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Periferiche Uscita
Monitor
Cathode Tube RaySchermo diviso in Pixels, Ciascun Pixels 3 colori (RGB)Caratteristiche: Frequenza refresh, risoluzione (DotsPer Inch), Lunghezza diagonale (pollici)
Thin Film Transitor (Schermo Piatto)Ogni pixel⇒ dispositivo elettronico dedicato.Qualita immagine migliore, angolo di visuale ridotto.Caratteristiche: Tempo di reazione
Collegamento: cavo Video Graphic Array alla scheda video.
Dispositivi di Stampa
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Periferiche Uscita
Monitor
Dispositivi di Stampa
AghiNastro tra carta ed aghi, aghi premono sul Nastro
Getto di InchiostroTestine che rilasciano gocce di inchiostro
Laser (oggi utilizzate anche come Plotter)Toner: caricato elettricamente, scaricato selettivamentedal Laser, ricoperto polvere di Inchiostro elettrizzato.Immagine fissata tramite calore (Xerigrafia)
Collegamento: porta parallela, USB, ethernet.Caratteristiche: DPI, colori, vel stampa (pag./min),form. carta.
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Tipologie di Connessione
Porta SerialeConnessione tramite unico filoDati serializzatiTastiere, Mouse, Modem.
Porta ParallelaConnessione ParallelaStampante.
PCI Periperal Component InterconnectStandard generico.Autoconfigurazione periferiche.
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Tipologie di Connessione... continua
IrDA InfraRed Data AssociationPDA, Palmari.instabile, distanza ridotta.
Blue Tooth (wireless a 2.4 Ghz)Distanze piu ampieTrasferimenti a 2.1 Mbit/sec.
USB (Universal Serial Bus)trasferimenti molto veloci (2.0 480 Mbit/sec).hot swapping (interconessione senza riavvio).dispositivi alimentati tramite la porta.una porta USB puo gestire molti dispositivi (Hub)
FireWireSimile USB (hot swapping, gestione multi-dispositivo)Circa 740 Mbit/sec
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Connessione alla Rete
Dispositivi di Connessione
Modem: interno (bus), esterno (seriale), ethernet(ADSL)PCCards: PCMCIA Personal Computer Memory CardInt. Ass.Scheda di Rete: PCI
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Gerarchie di linguaggio
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Architettura CPU
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Principali Registri CPU
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Architettura CPU
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Principali Registri CPU
Instruction Register(IR): Contienel’istruzione inesecuzione. Caricatonella fase di fetch dalController pergenerare i segnali dicontrollo.
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Architettura CPU
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Principali Registri CPU
Program Counter(PC): Contienel’indirizzo dellaprossima istruzioneda eseguire.
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Architettura CPU
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Principali Registri CPU
Memory AddressRegister (MAR):Contiene la locazionedi memoria daleggere.
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Architettura CPU
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Principali Registri CPU
Memory DataRegister (MDR):Contiene l’ultimo datoletto dalla memoria.
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Architettura CPU
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Principali Registri CPU
R1, ..., Rn: Registriinterni del processore.
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Linguaggio Assembler
Caratteristiche Linguaggio
Istruzione Assembler⇒ Istruzione processoreIndirizzi di memoria mnemoniciDipende dal processore
Formato Istruzioni
Etichetta Istruzione Operandi CommentiM MOVE R0,R1 ;sposta R0 in R1
Etichetta: rappresenta l’indirizzo simbolicodell’istruzione o del datoIstruzione: codice per l’istruzione da eseguireOperandi: registri o locazioni di memoriaCommenti: commenti del programmatore
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Operazioni di salto
Salto incondizionato
Istruzione JMP ETICHETTAPermette di saltare all’istruzione contenuta inETICHETTACarica ETICHETTA nell PCEquivalente a goto
Salto codizionato
Salta se si verifica una condizioneLe condizioni si riferiscono in genere alle SRParicolare bit dello SR indicano eventi di interesse
flag Overflowflag di Zero
Permette di eseguire l’istruzione if
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Puntatore allo Stack (Stack Pointer)
Permette di gestire pile di datiUtillizzato per gestire sotto-routine (i.e. routine per leinterruzioni)
Gestione sub-routine
Lo stato del processore viene salvato.PUSH dei registri di interesse.PC viene sempre salvato nell SP.Al termine della routine si fanno dei POP dallo SP perripristinare lo stato.
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C.1.2 Architettura diun Calcolatore
C.1.3 Componenti diElaborazionemultimediale
Sistemi multiprocessore
Caratteristiche
Piu processori sulla stessa scheda madreI processori sono identici e alla stessa frequenza diclockMigliorano le performance della macchina (throughput)Il miglioramento non e lineare nel numero deiprocessori
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C.1.2 Architettura diun Calcolatore
C.1.3 Componenti diElaborazionemultimediale
Sistemi multimediali
Sistemi che permettono di presentare diversi tipi diinformazione (testo, immagini, musica, etc. ect.)
Esempi
PC + casse + CDRomTelevisione
Interattivita
Flusso di informazioni bidirezionaleEs. televideopresentazione pagina (sistema televideo)scelta pagina (utente)
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C.1.2 Architettura diun Calcolatore
C.1.3 Componenti diElaborazionemultimediale
Sistemi Multimediali: problematiche
Grandi quantita di dati da elaborare
Molta memoriaRAMMemoria di massa
Processamento dati molto veloceFlusso di dati⇒ Ampia banda passante
Soluzioni
Hw piu performanteCompressione datiSistemi di immagazzinamento dati innovativi
Componentied Architetture
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C.1.3 Componenti diElaborazionemultimediale
Standard di compressione/rappresentazionedati
Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPAudioVideo
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Standard di compressione/rappresentazionedati
Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPBMP nessuna compressioneJoint Photographic Experts Group, comprime immagini
AudioVideo
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Standard di compressione/rappresentazionedati
Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPAudio
WAV nessuna compressione, suono campionato (44MHz) e quantizzato (8, 16, 24 bit)MP3 compresso, elimina determinate frequenze,compressione molto elevata.
Video
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Standard di compressione/rappresentazionedati
Immagini: JPG, TIFF, GIF, BMPAudioVideo
MPEG, AVI, QuickTimeProblemi di copyright (dati crittografati)
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Salvataggio dati
Supporti utilizzati
Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskOttici: CD, DVDStato solido: flash card, USB pen
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Salvataggio dati
Supporti utilizzati
Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskLettura e scrittura tramite testinaNastri⇒ tracce, Dischi⇒ settoriFD 1,44 MB, accesso lentoHD decine di GB, accesso molto veloce (microsecondi)
Ottici: CD, DVDStato solido: flash card, USB pen
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Salvataggio dati
Supporti utilizzati
Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskOttici: CD, DVD
Policarbonato rivestito in plastica, informazione data dadepressioni del policarbonato (pit/land).In genere non sono riscrivibili, se riscrivibili scritturelimitateCD 800 MB, DVD-single layer 4.7-8.5 GB, DVD-doublelayer 9.4-17 GBAccesso piu lento di HD, minor velocita rotazione emaggior peso dispositivo ottico lettura
Stato solido: flash card, USB pen
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Salvataggio dati
Supporti utilizzati
Magnetici: Floppy Disk, Hard DiskOttici: CD, DVDStato solido: flash card, USB pen
Simili a ROM programmabili.Al massimo 1 GBTempo di lettura buono tempo di scrittura abbastanzaelevatoDispositivi molto piccoli, comodita d’uso (lettori MP3)
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