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Informatica e cultura dell`informazione
Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Unità Centrale di Elaborazione Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl CPU Dispositivi di I/O Unità di controllo Unità aritmetico logica (ALU) Terminale Stampante Registri Memoria centrale CPU Unità disco Bus 02/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 2 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl • Un calcolatore basato sull’architettura di Von Neumann esegue un programma sulla base dei seguenti principi: ▶ dati e istruzioni sono memorizzati in una memoria unica che permette sia la scrittura che la lettura; ▶ i contenuti della memoria sono indirizzati in base alla loro posizione, indipendentemente dal tipo di dato o istruzione contenuto; ▶ le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale. • Il linguaggio per cui la CPU si comporta da esecutore è detto linguaggio macchina. macchina. Le istruzioni scritte in linguaggio macchina sono piuttosto rudimentali: ▶ il concetto di tipo di dato è quasi assente, ▶ il numero di operandi è limitato (in genere non più di due), ▶ il numero di operazioni previste è ridotto. Struttura istruzione Linguaggio assemblatore Linguaggio macchina 02/03/2010 codice operativo add 000000 00000 100000 dest src1 src2 R01 R02 R03 00001 00010 00011 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 3 1 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Fetch Decode Execute 02/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 4 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Tempo Istruzione 1 Lettura Decodifica Esecuzione Lettura Istruzione 2 Decodifica Esecuzione Lettura Istruzione 3 Decodifica Esecuzione Ordine di esecuzione delle istruzioni 02/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 5 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl • Data path (o percorso dei dati) dati) ▶ è la parte che si occupa dell’effettiva elaborazione dei dati; ▶ comprende dispositivi diversi una o più unità aritmetico-logiche, dette ALU (Arithmetic Logic Unit); alcune unità di memorizzazione temporanea, i registri, memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e informazioni di controllo (il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del registro). • Unità di controllo ▶ coordina le operazioni di tutto il processore (anche quelle del data path!); ▶ regola il flusso dei dati e indica quali registri debbano essere collegati agli ingressi e all’uscita dell’ALU; ▶ invia all’ALU il codice dell’operazione da eseguire; ▶ riceve indicazioni sull’esito dell’operazione appena eseguita dall’ALU e gestisce opportunamente queste informazioni; ▶ comprende alcuni registri di uso specifico Program Counter (PC) – qual è l’istruzione successiva; Instruction Register (IR) – istruzione in corso d’esecuzione; … 02/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 6 2 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Istruzione (e.g. add) Registri R00 R01 R02 R03 X Y … … … esito Registri ingresso ALU … Registro uscita ALU X A L U X + Y X + Y Y 02/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 7 Unità di controllo Bus dati CPU Data path Bus indirizzi Bus controllo Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Collegamenti per il trasferimento dati PSW Collegamenti per il trasferimento istruzioni ALU IR Registri Memoria PC 02/03/2010 Collegamenti di controllo Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 8 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl • Ipotizziamo che ▶ si debba eseguire l’istruzione A ⟵ A + B + C (assegna alla variabile A la somma del contenuto delle variabili A, B e C); ▶ le corrispondenti istruzioni in linguaggio macchina si trovino all’indirizzo 789, 790, 791, … (come riportato nella tabella sottostante); ▶ le variabili A, B e C si trovino rispettivamente nelle celle di memoria 4000 (A), 4004 (B) e 4008 (C). Num … 789 790 791 792 793 794 … Istruzione … … … load load add load add store … … … 02/03/2010 Commento R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 trasferisce il contenuto della cella 4000 (A) nel registro R02 trasferisce il contenuto della cella 4004 (B) nel registro R03 somma il contenuto dei registri R02 e R03 e scrive il risultato in R01 trasferisce il contenuto della cella 4008 (C) nel registro R02 somma il contenuto dei registri R01 e R02 e scrive il risultato in R01 trasferisce il contenuto del registro R01 nella cella 4000 (A) Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 9 3 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl CPU Unità di controllo ALU PSW Registri IR … … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni Memoria Data path R05 R03 0789 R02 R01 Bus indirizzi Collegamenti per il trasferimento istruzioni Bus dati Collegamenti per il trasferimento dati 02/03/2010 Bus controllo R00 Dati PC R04 Collegamenti di controllo Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 10 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path Unità di controllo lettura ALU PSW Registri IR … … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 0789 +1 0790 R02 R01 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 11 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path Unità di controllo lettura ALU PSW Registri … IR load R02,4000 4000 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 0790 R02 R01 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 12 4 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl CPU Unità di controllo lettura ALU PSW Registri … IR load R02,4000 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni Memoria Data path R05 R03 0790 0791 +1 1492 R02 R01 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 13 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path Unità di controllo lettura ALU PSW Registri … IR load R03,4004 4004 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 0791 1492 R02 R01 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 14 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path Unità di controllo lettura ALU PSW Registri … IR load R03,4004 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 R02 1918 0791 0792 +1 1492 R01 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 15 5 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl CPU Unità di controllo esito 3410 ALU Registri … PSW add IR add R01,R02,R03 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni Memoria Data path R05 R03 0792 1918 R02 1492 R01 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 16 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path Unità di controllo lettura ALU PSW Registri … IR add R01,R02,R03 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 0793 +1 0792 1918 R02 1492 R01 3410 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 17 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path Unità di controllo lettura ALU PSW Registri … IR load R02,4008 4008 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 1918 R02 R01 0793 1492 3410 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 18 6 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl CPU Unità di controllo lettura ALU PSW Registri … IR load R02,4008 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni Memoria Data path R05 R03 0793 0794 +1 1918 R02 2006 R01 3410 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 19 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path 5416 Unità di controllo esito ALU Registri … PSW IR add add R01,R01,R02 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 1918 R02 0794 2006 R01 3410 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 20 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Memoria Data path Unità di controllo lettura ALU Registri … PSW IR add R01,R01,R02 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni CPU R05 R03 1918 R02 R01 0794 0795 +1 2006 5416 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 21 7 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl CPU Unità di controllo scrittura ALU PSW Registri … IR store R01,4000 4000 … … 0789 0790 0791 0792 0793 0794 … … … … … load load add load add store … … … … … 4000 4004 4008 … … … … … 1492 1918 2006 … … … R02,4000 R03,4004 R01,R02,R03 R02,4008 R01,R01,R02 R01,4000 Istruzioni Memoria Data path R05 R03 R01 0795 1918 R02 2006 5416 02/03/2010 Bus indirizzi Bus dati Bus controllo R00 Dati PC R04 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 22 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Famiglia di CPU Anno 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium II Pentium III (Willamette) Pentium 4 (Northwood) (Prescott) (Smithfield) Pentium D (Presler) (Conroe) Core 2 Duo (Merom) 1978 1982 1986 1989 1993 1997 1999 2000 2002 2004 2005 2006 2006 2006 02/03/2010 Frequenza CPU (MHz) 4.77 ÷ 12 8 ÷ 16 16 ÷ 33 16 ÷ 50 60 ÷ 200 233 ÷ 400 450 ÷ 1133 1300 ÷ 2000 2000 ÷ 3400 2800 ÷ 3800 2800 ÷ 3200 2800 ÷ 3600 2400 ÷ 3200 1666 ÷ 2333 Registri/bus dati (bit) 8/16 16/16 32/32 32/32 32/64 32/64 32/64 32/64 32/64 32/64 64/64 64/64 64/64 64/64 Frequenza bus (MT/s) 4 ÷ 12 8 ÷ 16 16 ÷ 33 16 ÷ 33 60 ÷ 66 66 ÷ 100 100 ÷ 133 400 ÷ 533 400 ÷ 533 533 ÷ 800 533 ÷ 800 800 ÷ 1066 1066 667 Numero di transistor 29 000 134 000 275 000 1 200 000 3 100 000 7 500 000 24 000 000 42 000 000 55 000 000 125 000 000 230 000 000 376 000 000 291 000 000 291 000 000 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 23 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Osservazione fatta da Gordon Moore nel 1965: il numero dei transistor per cm2 raddoppia ogni X mesi In origine X era 12/18. Correzioni successive hanno portato a fissare X=18/24. Questo vuol dire che c’è un incremento di circa il 40/60% all’anno. 02/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 24 8 Mari, Buonanno, Sciuto – Informatica e cultura dell’informazione – McGraw-Hill 3/2/2010 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl Numero di transistor integrati 1'000'000'000 100'000'000 10'000'000 1'000'000 Andamento previsto dalla legge di Moore: il numero di transistor integrati in un chip raddoppia ogni 24 mesi 100'000 Anno 10'000 1978 02/03/2010 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione 25 Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl • Il progresso della tecnologia provoca un aumento del numero di transistor per cm2 e quindi per chip. • Un maggior numero di transistor per chip permette di produrre prodotti migliori (sia in termini di prestazioni che di funzionalità) a prezzi ridotti. ridotti. • I prezzi bassi stimolano la nascita di nuove applicazioni (e.g. non si fanno video game per computer da milioni di €). • Nuove applicazioni aprono nuovi mercati e fanno nascere nuove aziende. aziende. • L’esistenza di tante aziende fa crescere la competitività che, a sua volta, stimola il progresso della tecnologia e lo sviluppo di nuove tecnologie. tecnologie. 02/03/2010 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 1 – Il sistema di elaborazione Capitolo 5 – La formalizzazione dell'informazione 26 9
