larchitettura del sistema di elaborazione. modello di von neumann (parte 1)

L’Architettura del Sistema di Elaborazione. L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Modello di Von Neumann (Parte 1)Modello di Von Neumann (Parte 1)

L’Architettura del Sistema di Elaborazione. Il Modello di Von Neumann (parte 1)

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Argomenti trattati

Macchina di Von NeumannMacchina di Von Neumann Elementi della macchina di Von NeumannElementi della macchina di Von Neumann Codifica dei dati e delle istruzioni di un Codifica dei dati e delle istruzioni di un

programmaprogramma


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Architettura di un calcolatore elettronico

Per architettura di un calcolatore elettronico si Per architettura di un calcolatore elettronico si intende: intende: l'insieme delle principali unità funzionali di un l'insieme delle principali unità funzionali di un

calcolatore calcolatore il modo in cui queste interagiscono il modo in cui queste interagiscono


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Architettura di un calcolatore elettronico

ENIAC

Personal Computer


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Architettura di un calcolatore elettronicoProgramma applicativo

Linguaggio di programmazione

Linguaggio assemblativo

Sistema Operativo

Linguaggio Macchina

Microprogramma

Logica Digitale

Gerarchia delle astrazioni


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Modello di Von Neumann

L'architettura della L'architettura della Macchina di Von NeumannMacchina di Von Neumann comprende le seguenti unità funzionali:comprende le seguenti unità funzionali: il processore o unità centrale di elaborazione il processore o unità centrale di elaborazione

(CPU - Central Processing Unit)(CPU - Central Processing Unit)

la memoria centralela memoria centrale

i dispositivi di ingresso e uscita (I/O) i dispositivi di ingresso e uscita (I/O)

il bus di sistemail bus di sistema


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Modello di Von Neumann

Memoria Centrale


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CPU memoria Interfacce di I/O

bus

Funzionamento sequenziale del modello di Von Neumann

istruzione 1istruzione 2istruzione 3

…istruzione n

ris = f(op)OUT(op)dato 1dato 2dato 3

…dato m

opris


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Elementi del modello di Von Neumann: CPU L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte del L'unità centrale di elaborazione (CPU) è la parte del

sistema che contiene i dispositivi elettronici necessari sistema che contiene i dispositivi elettronici necessari al funzionamento della macchinaal funzionamento della macchina

La CPU esegue i programmi che risiedono nella La CPU esegue i programmi che risiedono nella memoria centralememoria centrale prelevando prelevando decodificandodecodificando eseguendo eseguendo

le istruzioni in essa contenuti e coordinando il le istruzioni in essa contenuti e coordinando il trasferimento dei dati tra le varie unità funzionalitrasferimento dei dati tra le varie unità funzionali


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Elementi del modello di Von Neumann: CPU


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La CPU è composta da:La CPU è composta da: una unità di controllo una unità di controllo CU - Control UnitCU - Control Unit che che

interpreta e attiva le risorse necessarie interpreta e attiva le risorse necessarie all’esecuzione delle istruzioni all’esecuzione delle istruzioni

una unità aritmetico-logica una unità aritmetico-logica ALU - Arithmetic and ALU - Arithmetic and Logic UnitLogic Unit che effettua i calcoli aritmetici e logici che effettua i calcoli aritmetici e logici presenti nelle istruzioni (aritmetiche e logiche) del presenti nelle istruzioni (aritmetiche e logiche) del programmaprogramma

alcuni dispositivi di memoria detti alcuni dispositivi di memoria detti registriregistri


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Un registro è un dispositivo elettronico per memorizzare i Un registro è un dispositivo elettronico per memorizzare i datidati

Dal punto di vista tecnologico un registro è un Dal punto di vista tecnologico un registro è un insieme diinsieme di n elementi fisici bistabilin elementi fisici bistabili, detti , detti bitbit

Un registro formato da Un registro formato da nn bit è in grado di assumere bit è in grado di assumere 22nn configurazioni di stato diverseconfigurazioni di stato diverse

Ciascun bit ha due configurazioni stabili possibili, a cui Ciascun bit ha due configurazioni stabili possibili, a cui per convenzione vengono associati i simboli per convenzione vengono associati i simboli 00 e e 11

Registri

n=6, il numero delle configurazioni è 64


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Approfondimenti: Bit BitBit (Binary Digit) cifra binaria che può assumere solo i valori 0 e 1 (Binary Digit) cifra binaria che può assumere solo i valori 0 e 1 Byte (B)Byte (B) un gruppo contiguo di 8 bit (es. 11001010) un gruppo contiguo di 8 bit (es. 11001010) NIBBLENIBBLE = 4 bit = 4 bit (es. 0110)(es. 0110) WORDWORD = 16 bit / 32 bit / 64 bit (dipende dall’architettura del = 16 bit / 32 bit / 64 bit (dipende dall’architettura del

calcolatore)calcolatore)

KB (chilo) =KB (chilo) = 221010 B = 1.024 B B = 1.024 B MB (mega) =MB (mega) = 221010 KB = 2 KB = 22020 B = 1.048.576 B B = 1.048.576 B GB (giga) =GB (giga) = 221010 MB = 2 MB = 23030 B = 1.073.741.824 B B = 1.073.741.824 B TB (tera) = TB (tera) = 221010 GB = 2 GB = 24040 B = 1.099.511.627.776 B B = 1.099.511.627.776 B


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Lo stato del registro, ossia la configurazione dei suoi Lo stato del registro, ossia la configurazione dei suoi bit, rappresenta l'informazione che vi è memorizzata e bit, rappresenta l'informazione che vi è memorizzata e tale informazione viene conservata fino a quando non tale informazione viene conservata fino a quando non la si altera la si altera

Un registro quindi ha una capacità di memorizzare Un registro quindi ha una capacità di memorizzare informazioni che è funzione del numero degli elementi informazioni che è funzione del numero degli elementi di cui si compone di cui si compone

Registri

Registro n=1 2Registro n=1 21 1 = 2 configurazioni= 2 configurazioni {0, 1}{0, 1}

Registro n=2, 2Registro n=2, 22 2 = 4 configurazioni= 4 configurazioni {00, 01, 10, 11}{00, 01, 10, 11}

Registro n=3 2Registro n=3 23 3 = 8 configurazioni= 8 configurazioni {000, 001, 010, 011,{000, 001, 010, 011,

100, 101, 110, 111}100, 101, 110, 111}


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I registri fondamentali all’interno della CPU sono:I registri fondamentali all’interno della CPU sono: I registri generali I registri generali R1, R2, …, RnR1, R2, …, Rn il registro degli indirizzi di memoria il registro degli indirizzi di memoria Memory Address Memory Address

Register (MAR)Register (MAR) il registro dei dati di memoria il registro dei dati di memoria Memory Data Register Memory Data Register

(MDR)(MDR) il contatore di programma il contatore di programma Program Counter (PC)Program Counter (PC) il registro della istruzione corrente il registro della istruzione corrente Instruction Register (IR)Instruction Register (IR) il registro di stato il registro di stato Program Status Register (PSR)Program Status Register (PSR)

Registri


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Elementi del modello di Von Neumann: Memoria Centrale

Insieme di dispositivi aventi la funzione di memorizzare Insieme di dispositivi aventi la funzione di memorizzare (mantenere nel tempo) programmi e dati(mantenere nel tempo) programmi e dati

Per eseguire in modo efficiente i programmi, la memoria Per eseguire in modo efficiente i programmi, la memoria dovrebbe essere:dovrebbe essere: molto velocemolto veloce molto capiente (dimensioni sufficienti a contenere un molto capiente (dimensioni sufficienti a contenere un

programma e tutti i suoi dati)programma e tutti i suoi dati) permanente (in grado di mantenere il suo contenuto anche permanente (in grado di mantenere il suo contenuto anche

quando non vi e’ alimentazione elettrica)quando non vi e’ alimentazione elettrica) Queste caratteristiche NON sono facilmente conciliabili in Queste caratteristiche NON sono facilmente conciliabili in

sistemi come i PC dove occorre contenere i costisistemi come i PC dove occorre contenere i costi

Memoria


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In un sistema di elaborazione In un sistema di elaborazione ci sono sempre due tipi di ci sono sempre due tipi di memoria: memoria: la memoria centrale, interna al la memoria centrale, interna al

calcolatore, direttamente calcolatore, direttamente accessibile dalla CPU accessibile dalla CPU realizzata da componenti a realizzata da componenti a semiconduttoresemiconduttore

la memoria secondaria o di la memoria secondaria o di massa, esterna al calcolatore massa, esterna al calcolatore realizzata da componenti realizzata da componenti magnetici o ottici(dischi, nastri)magnetici o ottici(dischi, nastri)

Memoria Cache

Memoria Primaria

Memoria Secondaria

Memoria di Archiviazione

C.P.U.

Memoriein linea

Memoriefuori linea

R.A.M.R.O.M.

DiscoFisso

floppyCDROMnastriDVDetc…

Memoria


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La La memoria centralememoria centrale è una parte del sistema è una parte del sistema di memoria illustrato precedentemente e di memoria illustrato precedentemente e rappresenta la memoria interna al calcolatore rappresenta la memoria interna al calcolatore direttamente accessibile dalla CPUdirettamente accessibile dalla CPU

La memoria centrale mantiene:La memoria centrale mantiene: i programmi i programmi i dati necessari all'esecuzione dei programmii dati necessari all'esecuzione dei programmi


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E’ un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali E’ un insieme finito di locazioni (celle o registri) di uguali dimensionidimensioni

Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali Ogni locazione di memoria consta di n bit, ciascuno dei quali può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1)può rappresentare una informazione binaria (valori 0 e 1)

Ogni locazione è caratterizzata da un Ogni locazione è caratterizzata da un indirizzoindirizzo e dal e dal contenutocontenuto L’indirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa L’indirizzo di una locazione è la posizione che questa occupa

nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo nella memoria rispetto alla prima locazione che ha indirizzo zero zero

Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata Il contenuto di una locazione è l'informazione in essa registrata (parola di memoria - WORD)(parola di memoria - WORD)


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La memoria centrale è caratterizzata:La memoria centrale è caratterizzata: Dalla Dalla lunghezza di una parola di memorialunghezza di una parola di memoria che che

può variare da calcolatore a calcolatore, ma può variare da calcolatore a calcolatore, ma comunque è un multiplo del byte (es. comunque è un multiplo del byte (es. 8,16,32,64 bit)8,16,32,64 bit)

Dalla Dalla capacitàcapacità ovvero dal numero totale di ovvero dal numero totale di locazioni di memoria capacità della memoria si locazioni di memoria capacità della memoria si misura in byte o in multipli del byte. misura in byte o in multipli del byte.


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Alla memoria centrale si accede per effettuare operazioni di Alla memoria centrale si accede per effettuare operazioni di letturalettura o o scritturascrittura

Ciascuna locazione di memoria può essere selezionata Ciascuna locazione di memoria può essere selezionata specificando il suo indirizzo nel registro degli indirizzi (MAR, specificando il suo indirizzo nel registro degli indirizzi (MAR, Memory Address Register)Memory Address Register)

L'indirizzamento di una locazione di memoria consiste nel L'indirizzamento di una locazione di memoria consiste nel selezionare elettricamente la locazione relativa all'indirizzo selezionare elettricamente la locazione relativa all'indirizzo specificatospecificato

Se il (MAR) registro degli indirizzi ha Se il (MAR) registro degli indirizzi ha kk bit può indirizzare bit può indirizzare 22kk celle di celle di memoria i cui indirizzi variano da memoria i cui indirizzi variano da 00 a a 22kk-1-1

Con un MAR di Con un MAR di 1010 bit si possono indirizzare bit si possono indirizzare 221010 ovvero ovvero 10241024 locazioni di memorialocazioni di memoria


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01234567

indirizzo 4

contenuto

MAR a 3 bit

MDR a 8 bit

Memoria con: • 23=8 locazioni di 8 bit• Capacità = 8*8 = 64 bit

0 01

0 0 1 0 10 000 0 0 1 0 1 0 0


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La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti La memoria centrale a cui ci siamo fino ad ora riferiti viene anche detta memoria viene anche detta memoria RAM (Random Access RAM (Random Access Memory)Memory)

La RAM è volatile ovvero in assenza di La RAM è volatile ovvero in assenza di alimentazione elettrica perde il suo contenutoalimentazione elettrica perde il suo contenuto

Quando si spegne il computer, tutto quello che è Quando si spegne il computer, tutto quello che è stato caricato nella memoria RAM viene cancellatostato caricato nella memoria RAM viene cancellato


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Una porzione di memoria centrale, identificata con il Una porzione di memoria centrale, identificata con il termine termine ROM (Read Only Memory)ROM (Read Only Memory) è riservata solo per è riservata solo per operazioni di letturaoperazioni di lettura

La ROM è realizzata con diversa tecnologia e viene La ROM è realizzata con diversa tecnologia e viene usate dai costruttori per memorizzare in modo usate dai costruttori per memorizzare in modo permanente informazioni necessarie per l’avviamento permanente informazioni necessarie per l’avviamento del sistema (firmware)del sistema (firmware)


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Approfondimenti: ROM Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per Le ROM si distinguono a seconda della tecnologia usata per

memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM:memorizzare le informazioni iniziali in EROM, PROM e EPROM: Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo Le EROM (Erasable ROM) sono ROM cancellabili, in genere questo

tipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultraviolettitipo di ROM sono cancellabili esponendole a raggi ultravioletti Le PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabiliLe PROM (Programmable ROM) sono ROM programmabili Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM Le EPROM (Erasable and Programmable ROM) sono ROM

cancellabili e programmabilicancellabili e programmabili Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello Il software contenuto nelle ROM per distinguerlo da quello

contenuto nella RAM viene chiamato contenuto nella RAM viene chiamato firmwarefirmware


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Approfondimenti: Firmware Fa parte del firmware, ad esempio, il Fa parte del firmware, ad esempio, il BIOSBIOS, ,

cioè quel gruppo di istruzioni che consente: cioè quel gruppo di istruzioni che consente: ai diversi processori di attivarsi al momento ai diversi processori di attivarsi al momento

dell’accensione del computerdell’accensione del computer di effettuare un auto-test di funzionamento di effettuare un auto-test di funzionamento di caricare nella RAM il sistema operativo, presente di caricare nella RAM il sistema operativo, presente

sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sul disco rigido, a cui viene ceduto il controllo del sistema sistema


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Elementi del modello di Von Neumann: Bus

Il Il bus di sistemabus di sistema è l’insieme di linee o circuiti, è l’insieme di linee o circuiti, impiegati per il trasferimento di dati tra le impiegati per il trasferimento di dati tra le componenti di un sistema informaticocomponenti di un sistema informatico

Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di Questo gruppo di linee trasporta tipi diversi di informazione: informazione: dati dati indirizzi indirizzi segnali di controllosegnali di controllo

Definizione generale


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Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il Il bus di sistema è il mezzo fisico che, sotto il diretto controllo della CPU, collega le varie diretto controllo della CPU, collega le varie unità funzionali della macchina di Von unità funzionali della macchina di Von NeumannNeumann

La CPU, tramite i suoi organi, permette di La CPU, tramite i suoi organi, permette di collegare solo due unità funzionali alla volta:collegare solo due unità funzionali alla volta: una che trasmette dati una che trasmette dati una che riceve una che riceve

All’interno del modello di Von Neumann


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Il bus degli indirizzi, connesso al MAR, ha tanti Il bus degli indirizzi, connesso al MAR, ha tanti conduttori quanti sono i bit di un indirizzo (pari quindi conduttori quanti sono i bit di un indirizzo (pari quindi alla dimensione del MAR)alla dimensione del MAR)

Questo numero in genere è il logaritmo in base due Questo numero in genere è il logaritmo in base due dello spazio di indirizzamento, ovvero del numero di dello spazio di indirizzamento, ovvero del numero di locazioni di memoria complessivamente indirizzabililocazioni di memoria complessivamente indirizzabili

Il bus dei dati, connesso al registro MDR ha un numero Il bus dei dati, connesso al registro MDR ha un numero di conduttori pari alla dimensione di una locazione di di conduttori pari alla dimensione di una locazione di memoria, lo stesso numero quindi corrisponde anche memoria, lo stesso numero quindi corrisponde anche alla lunghezza del registro MDRalla lunghezza del registro MDR

Alcune specifiche


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Unità di elaborazione (CPU)

Parte operativa: Parte operativa: blocchi funzionali blocchi funzionali interconnessi dal bus interconnessi dal bus di sistemadi sistema

Unità di controllo: Unità di controllo: attiva i circuiti della attiva i circuiti della parte operativaparte operativa

Funzionamento Funzionamento sincrono (clock)sincrono (clock)

parte operativa

parte controllo

clock

dati/istruzioniindirizzi

controlli

comandiistruzioni/flag


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Elementi del modello di Von Neumann

Motherboard

larchitettura del sistema di elaborazione. modello di von neumann (parte 1)

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