CALCOLATORI ELETTRONICI

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CALCOLATORI ELETTRONICI

• Giovanni Danese
• Tel. [phone]
• e-mail gianni.danese_at_unipv.it
• Corsi di Laurea in Ingegneria Biomedica, in
  Ingegneria Elettronica e Informatica
• orario delle lezioni
• Lunedì 16-18 aula 8, Mercoledì 9-11 aula 4
• orario di ricevimento
• Martedì 16.45-17.45, Giovedì 16.45-17.45

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Materiale didattico consigliato

• Testo Consigliato David A. Patterson, John L.
  Hennessy,
• Struttura e progetto dei calcolatoriZanichelli,
  2015, Bologna, IV edizione.
• (David A. Patterson, John L. Hennessy, Computer
• Organization and Design
• Elsevier Morgan Kaufmann, 2014, V edition)
• David A. Patterson, John L. Hennessy,
• Struttura, organizzazione e progetto dei
  calcolatoriJackson libri, 1999, Milano, II
  edizione.
• Documentazione varia è reperibile al sito
• mclab.unipv.it/index.php/corsi

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Argomenti del corso

• 1. Architettura dei calcolatori
• 2. Architettura di una CPU
• 3. Linguaggio assemblativo
• 4. Laritmetica dei calcolatori
• 5. Lambiente di sviluppo dei progetti
• Prerequisiti
• Devono essere noti gli argomenti trattati nei
  corsi Fondamenti di Informatica e Fondamenti di
  Informatica (laboratorio)

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Architettura di un computer
Instruction Set

• Diversi livelli di astrazione

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Rappresentazione delle istruzioni
Linguaggio ad alto livello (HLL)
temp vk vk vk1 vk1 temp
Compilatore
lw 15, 0(2) lw 16, 4(2) sw 16, 0(2) sw 15,
4(2)
Linguaggio Assembly
Assemblatore
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111
0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010
1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001
1100 0110 1010 1111
Linguaggio Macchina
Interpretazione macchina
Segnali di controllo

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Struttura del software (1)

• I linguaggi HLL permettono
• progettazione in linguaggio a quello naturale
• una maggior concisione rispetto al linguaggio
  macchina
• indipendenza dal calcolatore
• Riutilizzo routine frequentemente impiegate ?
  librerie di subroutine
• Un programma separato che supervisiona lutilizzo
  della macchina da parte dei programmi utente ?
  sistema operativo
• Software di sistema insieme di programmi che
  forniscono servizi (Sistema Operativo,
  compilatori, assemblatori)
• Software applicativoprogrammi utente o mirati
  allutente (editors, spreadsheet)

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Struttura del software (2)
Sw applicativo
SOFTWARE
Software appl. Software sistema
Word Compilatori Sist. Op. Assembl.
Memoria File I/O virtuale System drivers
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Architettura del Set di Istruzioni

• Un importante livello di astrazione
• interfaccia fra hardware e software di basso
  livello
• standardizza il formato delle istruzioni e i
  pattern di bit a livello di linguaggio macchina
• vantaggi differenti implementazioni della
  stessa architettura
• svantaggi talora impossibilità di avvalersi di
  innovazioni tecnologiche

• Architetture moderne di set di istruzioni
• Digital Alpha (v1, v3) 1992-97
• HP PA-RISC (v1.1, v2.0) 1986-96
• Sun Sparc (v8, v9) 1987-95
• SGI MIPS (MIPS I, II, III, IV, V) 1986-96
• Intel (8086,80286,80386, 1978-96 80486,
  Pentium, MMX, ...)

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Di cosa ci occuperemo

• Le istruzioni il linguaggio dei calcolatori
  (Cap. 2 Zanich, 3 Jacks)
• Laritmetica dei calcolatori (Cap. 3 Zanichelli,
  Cap. 4 Jackson)
• Assemblatori, linker ed il simulatore SPIM (App.
  B Zanichelli e App. A Jackson)
• Fondamenti sulla progettazione di reti logiche
  (App. C CD Zanichelli e Jackson)

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Architettura della macchina di Von Neumann
Unità di ingresso
Unità di uscita
Memoria
Risultati
Programmi e dati
CPU
Unità centrale
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Unità Centrale
D A T A B U S
CONTROL B U S
AD D R E SS B U S
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Microprocessori e Bus

• I microprocessori sono dispositivi elettronici
  che implementano in un unico circuito integrato
  le funzioni di una intera CPU. I microprocessori
  attuali hanno bus dati a 8, 16, 32, 64 bit.
• Il bus dati (data bus) esprime la capacità di
  elaborazione del processore (quanti bit possono
  essere elaborati in parallelo)
• Il bus indirizzi (address bus) esprime la
  capacità di memorizzazione del processore (2m
  celle di memoria, se m è il numero dei bit del
  bus)
• La capacità di indirizzamento indica il numero di
  celle diverse cui si può accedere
• 210 Byte 1024 byte 1 KByte
• 220 Byte 1048576 byte 1 Mbyte
• 230 Byte 1073741824 byte 1 GByte

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Un Esempio

• Variazione nella precisione di misura di 1 Kg. in
  un sistema di pesatura basato su microprocessori
  con diversa dimensione del bus dati
• Numero di bit bus dati 4 8 16
• Dati rappresentabili 2416 28 256 216 65536
• Precisione relativa 6.25 3.9 0.015
• Precisione max. 62.5 gr 3.9 gr 0.015 gr

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Osservazioni

• I microprocessori a 8 bit di dato hanno
  tipicamente bus indirizzi a 16 bit con capacità
  di indirizzamento di 64 KB
• I microprocessori a 16 bit di dato hanno
  tipicamente bus indirizzi a 20-24 bit con
  capacità di indirizzamento di 1-16 MB
• I microprocessori a 64 bit di dato hanno bus
  indirizzi a 64 bit con capacità di indirizzamento
  fino a circa 1019 byte
• I microprocessori Single Chip riuniscono in un
  unico circuito integrato più di uno dei blocchi
  costituenti un microcalcolatore (eventualmente
  tutti).

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Architettura di una CPU
BUS DATI ESTERNO
BUS DATI INTERNO
ACC
C O N T R.
D E C O D.
I N S T. R E G.
SP
PC
R e g 0
R e g N
F L A G
.
ALU
BUS INDIRIZZI INTERNO
BUS IND. ESTERNO
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Ciclo di esecuzione di unistruzione

• FETCH (prelevamento dellistruzione)
• DECODIFICA
• ESECUZIONE
• La memoria (ROM e RAM) contiene il programma e i
  dati sui quali opera la CPU. Il Program Counter
  (PC) contiene lindirizzo della cella di memoria
  con la prossima istruzione da eseguire.
• FORMATO DELLE ISTRUZIONI

Campo che caratterizza le varie istruzioni
Gli operandi possono essere 0, 1, 2
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Sequenza di operazioni elementari per
lesecuzione di ogni singola istruzione

• FETCH vengono letti i campi che costituiscono
  listruzione
• 1) (PC)?MAR
• 2) ((MAR)) ?MBR (PC)1 ?PC
• 3) (MBR) ?IR
• I passi 1, 2, 3 permettono di caricare in IR
  (instruction register) il codice operativo (OP
  Code) dellistruzione corrente. Passi analoghi
  permettono di caricare in opportuni registri
  della CPU gli operandi presenti nellistruzione.
  In tal caso, nel passo 3 la destinazione del dato
  proveniente dalla memoria non è più IR, ma
  opportuni registri.
• DECODE viene identificata listruzione corrente
  sulla base dellOP Code
• EXECUTE è diversa a seconda del tipo di
  istruzione. In pratica consiste nellinviare
  comandi e dati alle unità interessate.
• P.S. MAR Memory Address Register MBR Memory
  Buffer Register
• Notazione (X) ?Y significa Il contenuto del
  registro X viene trasferito nel registro Y

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Formato delle istruzioni

• Le istruzioni sono codificate da stringhe di bit.
  
• Una volta caricata nellIR, unistruzione deve
  essere decodificata ed eseguita. A tal scopo
  lunità di controllo deve conoscere
• codice operativo
• sorgente dati su cui operare
• destinatario dove porre il risultato e, se
  sorgente e destinazione sono in memoria, la
  modalità di indirizzamento

Esempio 1 Somma tra il contenuto del registro R2
e il contenuto dellaccumulatore. Il risultato va
nellaccumulatore FORMATO codice
operativo FETCH come in precedenza ESECUZIONE (R2
)(ACC)?ACC
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Esempio di esecuzione di istruzioni complete

• Esempio 2 somma tra il contenuto della cella di
  memoria il cui indirizzo è specificato
  nellistruzione ed il contenuto
  dellaccumulatore il risultato va
  nellaccumulatore
• FORMATO codice operativooperando
• FETCH
• 1) (PC)?MAR 4) (PC)?MAR
• 2) ((MAR)) ?MBR (PC)1 ?PC 5) ((MAR)) ?MBR
  (PC)1 ?PC
• 3) (MBR) ?IR 6) (MBR) ?Rn
• EXECUTE
• 1) (Rn) ?MAR 3) (MBR) ?Rn
• 2) ((MAR)) ?MBR 4) (Rn)(ACC) ?ACC

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Esempio di esecuzione di istruzioni complete

• Esempio 3 saltare allistruzione che è
  memorizzata nella cella il cui indirizzo è
  specificato allinterno dellistruzione corrente
• FORMATO codice operativooperando
• FETCH
• 1) (PC)?MAR 4) (PC)?MAR
• 2) ((MAR)) ?MBR (PC)1 ?PC 5) ((MAR)) ?MBR
  (PC)1 ?PC
• 3) (MBR) ?IR 6) (MBR) ?Rn
• EXECUTE
• 1) (Rn) ?PC