CALCOLATORI ELETTRONICI

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CALCOLATORI ELETTRONICI
Introduzione
Contenuto
– Svolgimento del corso
– Oggetto di studio
– Programma
– Storia dei calcolatori, evoluzione, tendenze
attuali
Calcolatori Elettronici - Introduzione
(23/02/04)
1
Oggetto di studio
n
Oggetto di studio è l’architettura e
l’organizzazione dei calcolatori
elettronici.
n Archit et t ura: riguarda le caratteristiche del
sistema che sono visibili al programmatore.
– Numero di bit utilizzato per rappresentare i dati (numerici, e
testuali),
– Numero di registri di macchina
– Modalità di indirizzamento,
istruzioni.
il repertorio delle
(23/02/04)
2
...Oggetto di studio
Organizzazione:
riguarda le relazioni strutturali
tra le unità funzionali e il modo in cui esse realizzano
una data architettura. Tendenzialmente non visibile al
programmatore:
n
– la tecnologia impiegata
– frequenza di clock
– modalità di escuzione di una istruzione.
Decidere se l’istruzione di moltiplicazione farà parte del
repertorio di istruzioni è una questione architetturale; decidere
se per l’esecuzione di questa istruzione è prevista una specifica
unità di moltiplicazione o se è ottenuta attraverso l’impiego
dell’unità di somma comunque presente nella macchina è una
decisione organizzativa.
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La realtà è un’astrazione!
Livello applicativo: programmi utente
Livello software di base: sistema operativo, compilatori,
file system, interfacce utente
/LYHOORDUFKLWHWWXUDOHRUJDQL]]DWLYRUHJLVWUL
PHPRULHEXVXQLWjGLFRQWUROORXQLWjGL
HODERUD]LRQHOLQJXDJJLRGLPDFFKLQD
$VVHPEOHU
Livello logico: porte, flip-flop, registri
Livello fisico: resistenze, transistori, tensioni, correnti, ..
Livello atomico: elettroni, protoni, spin, quanta, ...
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Ausili didattici
Libro di testo:
n G. Bucci, “Architetture dei calcolatori elettronici”, McGraw-Hill,
2001, 40,00
Sul sito personale del docente
n www.dsi.unifi.it\ ~ bucci
– Alcuni esercizi svolti
– Errata Corrige (Siete tutti invitati a segnalare qualunque errore
rileviate)
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Altri testi
n
n
n
n
J.L. Hennessy, D.A. Patterson, “Architettura dei computer: un
approccio quantitativo”, Jackson Libri, 2001, 51,50
(Hennessy e Patterson hanno pubblicato una sequela di libri
sull’argomento, di cui quello sopra riportato è l’ultimo. I due
precedenti in lingua italiana sono stati pubblicati presso
Zanichelli)
Hamacher, Vranesic e Zaky, "Computer Organization", McGrawHill, 1985.
Liu e Gibson, "Microcomputer system: the 8086/88 family architecture programming and design", Prentice-Hall, 1984.
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Ausili didattici
n
n
Procurarsi un assemblatore per PC (Intel) per poter svolgere
qualche esercizio di programmazione ASMB.
(si fa l’ipotesi che tutti abbiano accesso a un PC)
Preferibilmente il MASM 4.0 microsoft
Attenzione:
– Per capire l’architettura bisogna fare qualche programma in
linguaggio Assembler.
– Non basta quello che c’è sul libro.
– Bisogna fare pratica (per capire cosa vuol dire uno statement
assembler e come viene tradotto dall’assemblatore non c’è che fare
la prova = > non basta venire al ricevimento studenti)
– ….all’esame viene richiesto
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Programma
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
Richiami: Logica, Organizzazione (CPU, Mem, I/O)
Prestazioni
Modelli architetturali, indirizzamento, …
Architettura 8086 e relativo linguaggio ASMB
CPU: progetto
Sottosistema di ingresso/uscita (interfacce, interruzioni, DMA..)
Memoria cache
Memoria virtuale
Pipeline
Esecuzione fuori ordine
Bus
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Modalità
n
n
n
Lezioni e Esercitazioni in forma convenzionale
Esame orale
Gli esami durante i periodi in cui sono previsti
dalla facoltà (interruzioni tra i semiperiodi
didattici)
– Per i fuori corso anche fuori da tali periodi
n
Durante le sessioni estiva e autunnale due
appelli ufficiali più eventuali altri appelli da
concordare
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Il primo calcolatore
ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator)
Sviluppato presso l’Università della Pennsylvania
Finanziato dal Ministero della Difesa USA
Divenne operativo durante la II guerra mondiale
Costruito tra il 1943 e il 1946
Reso pubblico nel 1946
n
I progettisti erano J.P. Eckert e J. Mauchly
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10
(1,$&
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11
ENIAC
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
Macchina di uso generale usata per il calcolo delle tabelle di tiro
dell’artiglieria
Una “U” di 30 metri alta 2m e di 1m di spessore (c.a. 120 mc)
30 tonnellate
18.000 tubi a vuoto
20 registri di 10 cifre (ogni registro lungo oltre mezzo metro)
200 microsec per un’addizione
180 KW di consumo. Quanto venne messo in funzione per la
prima volta l’intero quartiere ovest di Filadelfia andò al buio.
Programmazione manuale attraverso fili e interruttori
Dati introdotti attraverso schede perforate
Tediosa da programmare
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ENIAC
n
Del gruppo di ENIAC faceva parte -RKQ9RQ
1HXPDQ
– Scrisse un memo basandosi su ENIAC proponendo un
calcolatore a programma memorizzato detto EDVAC,
(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)
– Passato alla storia, anche se le idee erano di altri
n
Eckert e Mauchly fondarono una società e costruirono BINAC. In
seguito la società acquistata da Remington Rand che nel 1951
produsse UNIVAC I, il primo calcolatore commerciale ($250.000,
prodotto in 48 esemplari)
n
Nel 1973 un giudice federale ha annullato il brevetto di J.P.
Eckert e J. Mauchly, stabilendo che ENIAC derivava dal
computer di J. Atanassoff e C. Berry, costruito nel 1939
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Entra in scena l’IBM
n
Inizia a costruire nel 1950
n Nel 1951 presenta il mod. 701 di cui
vengono costruite 19 unità
n Nel 1964 viene annunciato il sistema
S/ 360
– A transistori
– 5 M$ investiti nel progetto
– Concetto di famiglia (architettura)
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,%06\VWHP
PDLQIUDPHFRPSXWHU
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Generazioni
G Periodo
Tecnologia
Prodotto
Società/ macchine
1
1950-1959
Tubi a vuoto
Commerciale
IMB 701, Univac I
2
1960-68
Transistor
Mainframe
IBM S/ 360
,QWURGXFHLOFRQFHWWR
GL$5&+,7(7785$
3
1969- 1977
Circuiti Integrati
Minicalcolatore
CDC 6600, Honeywell
NCR, ICL, HP, DEC
50 nuove società
DEC PDP11
HP 2100
Data General Nova
4
1978-
LSI-VLSI
Personal Comp
Apple II, IBM PC
Workstation
Apollo DN 300, Sun
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0,1,&20387(5
3'3
9$;
/D'LJLWDO'(&LQWURGXVVHWUDLO
HLOVLVWHPLSHUDSSOLFD]LRQLVXOFDPSR
EDVDWLVXWHFQRORJLHDPHGLDVFDOD
GLLQWHJUD]LRQH
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I primi microprocessori
n
Intel 4004
Studio iniziato nel 1969, rilasciato nel 1971
Prodotto per una società di apparati elettronici
(Busicom) che voleva costruire una macchina
calcolatrice
Doveva avere “programmabilità”
CPU a 4 bit
Clock a 108 KHz
n
Del gruppo faceva parte Federico Faggin (fonderà la
Zilog)
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18
…...I primi microprocessori
n
Intel 8008
Esce nel 1972
CPU a 8 Bit
Precursore della famiglia 8080
PI
microprocessori sono visti come
componenti elettronici programmabili
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Prima generazione (8 bit)
n
1974
Intel 8080
(Toshiba, Nec, Texas, Siemens,
AMD,…)
n
1974
Motorola 6800
(Hitachi, Fujitsu, Fairchild)
n
1975
Rockwell 6502
(Usato nell’Apple II )
n
1976
Zilog Z80
Intel 8085
(Mostek, SGS, tante altre...)
È
Introdotti con frequenza di clock inferiori a 1 MHz
Vengono usati per i primi calcolatori personali
Se si esclude l’Apple il sistema operativo è il CP/M (Digital Research)
È
È
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812'(,35,0,
&$/&2/$725,3(5621$/,
3HUVRQDOFRPSXWHU$SSOH,,
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Seconda Generazione (16 bit)
1978
Intel 8086/ 88
=>
PC IBM (1981)
1979
Zilog Z8000
Motorola 68000
=>
Unix
McIntosh
n
n
Lo Z8000 scompare.
Il 68000 si afferma con le workstations. Seguono vari
modelli (68010, 68020, 68030, …68060). Anche il
68000 è praticamente scomparso nella seconda metà
anni ‘90.
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40 piedini
29.000 transistori
Frequenza di clock: 5 MHz
1 Mbyte di spazio di memoria
Parallelismo: 16 bit
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$XWXQQR3HQWLXP
Í SLHGLQL
Í WUDQVLVWRUL
Í I *+]
*+]
Í 'LPHQVLRQL[PP
Í 6SD]LRGLPHPRULDILVLFD
*E\WH
*E\WH
Í 3DUDOOHOLVPR
LQWHUQRELW
HVWHUQRELW
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24
“Primati”
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Legge di Moore
n
La capacità elaborativa raddoppia ogni 18 mesi
(quadruplica ogni 3 anni)
n
Enunciata nel 1965. Modificata varie volte
– inizi ‘70:
– 1975:
– metà ‘80:
n
2X ogni 12 mesi (per gli anni ‘70)
2x ogni 2 anni (per gli anni ‘70)
2x ogni 18 mesi (da allora in avanti)
Si riferiva al numero di transistori
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.. Legge di Moore
Microprocessori Intel
(all’introduzione)
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.. Legge di Moore
Microprocessori Intel
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28
.. Legge di Moore
Memorie
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.. Legge di Moore
Riassunto
C’è una forbice che si apre sem pre più t ra le prest azioni della
logica e quelle delle DRAM
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Il gap
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Architettura INTEL
(evoluzione)
1979 8086
1982 80286
5 MHz, 16 Bit, 1Mbyte (0,33 MIPS)
1986 80386
16 MHz, 32 Bit, 32 Gbyte,
memoria virtuale segmentata e paginata
6 MHz,16 Bit, 4 Mbyte,
memoria virtuale segmentata (0,9 MIPS)
1989 80486
25 MHz, cache integrata, proc. numerico
1893 Pentium
60 MHz, 64 Bit, doppia pipeline (100 MI PS)
1995 Pentium Pro 150 MHz, cache di secondo livello,
esecuzione fuori ordine
1997 Pentium II
Pentium Pro + MMX
1999 Pentium III 500 MHz, Pentium II + networking
2000 Pentium4
oltre 1,4 GHz, “ Hyper threading”
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Crescita Prestazioni Archit. x86
(23/02/04)
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Crescita Prestazioni Archit. x86
n
n
n
n
n
n
Fino al 386 l’Intel dà le prestazioni (solo) in MIPS.
Con l’ultimo 386 (1989) le dà in MIPS e SPECint92.
Dal 486 (1989) al Pentium 66MHz (1993) le prestazioni vengono
fornite sia in MIPS che in SPECint92 e SPECfp92.
A Partire dal modello a 75 MHz del Pentium (1994), l’Intel non
fornisce più le prestazioni in MIPS. Viene anche abbandonato
SPEC92 per SPEC95 (SPECint95 e SPECfp95).
Per i modelli correnti è stato sostanzialmente abbandonato
anche SPEC95: le prestazioni vengono fornite con indici “di
marca Intel”
Tutti i dati su processori Intel al sito Internet: www.intel.com/
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Pentium 4 Vs 8086
(Confronto effettuato solo rispetto alla
frequenza)
rapporto frequenze 2800/ 5 = 560
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n
Ipotesi: nel ‘78 ci voleva un’ ora d’auto
da Firenze a Bologna.
n Se l’auto avesse progredito in velocità
allo stesso modo, oggi basterebbero
6,4 s
Considerando solo la frequenza!!!
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Stato dell’arte (2000)
Mainframes
IBM, Cray, Fujitsu,…
SO proprietari
Workstations
Sun, HP, IBM, DEC
CPU proprietarie
SO UNIX
PC
Una pletora di costruttori
CPU Intel
SO Microsoft (Windows,
Windows NT,
Windows XP)
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37
0DLQIUDPHV
,%0#VHUYHU]6HULHV
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38
683(5&$/&2/$725,
&UD\[PS
&UD\\PS
$UFKLWHWWXUHSDUDOOHOHDGHOHYDWLVVLPH
SUHVWD]LRQLVYLOXSSDWHFRQWHFQRORJLH
VSHFLILFKH
&5$<;SURGRWWRGLSXQWD
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6,67(0,$&/867(5
,VLVWHPLGLVXSHUFDOFRORVRQRDWWXDOPHQWH
UHDOL]]DWLFRQQHWWHQGRLQUHWHQRGLGLFDOFROR
DORURYROWDUHDOL]]DWLFRQVLVWHPLDSL&38
&UD\;)LQRDDUPDGLSHUXQWRWDOHGL
SURFHVVRULYHWWRULDOL
3UHVWD]LRQLPD[7)/23
,%0)LQRDSURFHVVRUL,QWHO;HRQD
*+]
3UHVWD]LRQLPD[ROWUH7)/23
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Stato dell’arte
n
I calcolatori moderni presentano molti aspetti
interessanti riguardo la loro struttura e le tecniche
per ottenere prestazioni elevate, a costi accettabili.
Tanto per citare
–
–
–
–
–
–
elevato parallelismo
cache
memoria virtuale
protezione
pipeline
...
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Lo stato attuale
I L VERO FENOMENO E’ STATO
MI CROSOFT
n
n
n
n
n
Nel 1981 IBM Dominava il mercato. Per un americano
“IBM” e “calcolatori” erano sinonimi
Bill Gates ha cominciato con un BASIC per 8085
(CP/ M), a metà anni 70
Nel 1981 IBM gli commissionò il DOS del PC
Oggi Microsoft è la maggior industria software
PC - I nt el - Micr osof t : l’inf or mat ica anni
‘90 e seguent i
(23/02/04)
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Segnali analogici e digitali
Un segnale analogico porta
un’infinità di valori
tt
Un segnale digitale
assume un numero finito
di valori
Segnale binario: 2 soli
valori (in realtà due
fasce)
t
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Segnali analogici e digitali (cont.)
n
n
Disturbi e limiti fisici alla velocità di variazione rendono inaccurato sia il
processo di generazione che quello di riconoscimento e misura dei
segnali analogici
I segnali digitali sono molto meno sensibili al rumore” e ai fenomeni
transitori (basta che i disturbi non portino fuori dalla fascia)
–
nI
SSUREDELOLWjGLFRUUHWWRIXQ]LRQDPHQWRGLXQFRPSRQHQWH
–
QQXPHURGLFRPSRQHQWL
–
3URE&KHLOVLVWHPDRSHULFRUUHWWDPHQWH S
Q
&RQVHJXHQ]DS!
sistemi digitali binari sono i più affidabili:
si tratta di riconoscere se un segnale è a livello alto o basso
facilmente diagnosticabili le condizioni di malfunzionamento
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CALCOLATORI ELETTRONICI

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