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Corso di Architettura degli Elaboratori
Introduzione
DOCENTE Luigi PalopoliAA. 2011/2012
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Calcolatori
• I calcolatori elettronici sono il prodotto di una tecnologia estremamente vitale
• Produce il 10% del PiL degli Stati Uniti e pervade le nostre vite
• .... e tutto comincio’ da.....
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Eniac
• Nel 1943 il dipartimento della difesa degli stati uniti commissiono’ una macchina per il calcolo delle traiettorie dei proiettili di artiglieria
• Nel Febbraio 1946 l’Universita’ della Pensylvania mise in funzione ENIAC★ Occupava una stanza di 9X30 Metri★ Consumava cosi’ tanta energia che alla prima accensione
genero’ un blackout
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Eniac (2)
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Una profezia un po’ pessimistica
“Mentre...L’ENIAC e’ dotato di 18000 valvole e pesa 30 tonnellate, i calcolatori del futuro potranno avere solo 1000 valvole e pesare solo una tonnellata e mezzo”, Popular mechanics 1949
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La rivoluzione dei calcolatori
• I calcolatori hanno creato la terza rivoluzione della nostra societa’ portandoci nel mondo post industriale
• Solo pochi anni fa le seguenti applicazioni erano considerate fantascienza★ Calcolatori negli automobili
★ Telefoni cellulari
★ Mappatura del genoma umana
★ World Wide Web
★ Motori di ricerca
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Calcolatore o calcolatori?
• I calcolatori che operano nelle applicazioni che abbiamo introdotto condividono la stessa idea di base....
• Ma le soluzioni usate per ciascuna tipologia di applicazione possono essere piuttosto diverse
• Per questo parliamo di vari tipi di calcolatori
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Calcolatori Personali
• I calcolatori personali (PC) si sono affermati in due forme: desktop e laptop★ Offrono buone prestazioni a un singolo utente mantenendo un
costo limitato
★ Usano tipicamente software di terze parti (sono aperti)
★ In 30 anni di vita hanno fatto da apripista allo sviluppo dei calcolatori
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Server
• Sono l’equivalente moderno di mainframe, minicomputer e supercomputer★ ad essi si accede di norma tramite la rete
★ sono pensati per eseguire grandi carichi di lavoro✴ poche applicazioni molto complesse (calcolatori scientifici)
✴ una miriade si semplici applicazioni (web server)
★ Tecnologia simile a quella dei desktop ma con un’attenzione a:✴ Maggiore espandibilita’
✴ Affidabilita’
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Server (2)
• Il mondo dei server e’ piuttosto amplio★ Ad un estremo abbiamo piccoli server (poco piu’ di desktop)
★ All’altro estremo abbiamo i super computer usanti in centri di calcolo scientifico e in motori di ricerca✴ Centinaia di processori
✴ Terabyte di memoria RAM (2^40 byte)
✴ Petabyte di memoria di massa (1 Petabyte = 1024 Terabyte)
Google ha spostatoi suoi server in Alaska risparmiando milioni di dollari
sulla refrigerazione!!!
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Calcolatori Embedded
• Sono di gran lunga la categoria piu’ numerosa e coprono un vasto spettro di applicazioni★ Cellulari
★ Automobili
★ Playstation
★ Reti di sensori.....
• Eseguono un’applicazione o un’insieme di applicazioni correlate tra di loro
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Calcolatori Embedded (2)
• Le applicazioni software agiscono in stretta armonia con l’hardware
• Si presentano all’utente come un sistema monolitico in cui la stessa esistenza di un computer e’ nascosta
• Nella progettazione di applicazioni embedded non e’ solo importante far funzionare l’applicazione ma anche:
★ Affidabilita’
★ Consumi
★ Costi
• L’importanza commerciale di questi sistemi e’ racchiuso in alcuni grafici
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Trend di mercato
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Perche’ ci interessa tutto cio’?
• Gli sviluppatori di maggior successo hanno sempre tenuto molto conto delle prestazioni dei programmi
• Un programma che esegue piu’ velocemente o che ha minori requisiti hardware ha maggiori probabilita’ di soddisfare le aspettative del cliente
• Fino a qualche tempo fa le prestazioni erano dominate dalla disponibilita’ di memoria
• Oggi giorno questo e’ un problema solo per le applicazioni embedded
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Prestazioni
• Per scrivere un programma con buone prestazioni il programmatore moderno deve★ comprendere la gerarchia di memoria
★ fare l’uso piu’ efficiente del parallelismo
• In termini piu’ semplici deve conoscere l’organizzazione del calcolatore
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Obbiettivi del Corso
• Alla fine del corso, sapremo:★ Quali sono le componenti di base che permettono a un
calcolatore di operare?
★ Come vengono tradotti i programmi in modo che il calcolatore possa eseguirli?
★ Qual’e’ l’interfaccia HW/SW tramite la quale il programmatore puo’ far fare all’HW cio’ che richiede?
★ Cosa influenza le prestazioni di un programma e come puo’ un programmatore migliorarle?
★ Cosa puo’ fare il progettista HW per migliorare le prestazione e perche’ ricorre sempre di piu’ al multicore?
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Livelli di Astrazione
• Per passare da un’applicazione formulata in un linguaggio ad alto livello alla sua concreta esecuzione e’ un’applicazione complessa che richiede diversi livelli di astrazione
Software di Sistema• Compilatore• Sistema Operativo
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Software di Sistema
• Sistema operativo★ Gestisce le operazioni di I/O
★ Alloca la memoria
★ Consente la multiprogrammazione
• Compilatore★ traduce da linguaggio ad alto livello a linguaggio macchina
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Linguaggio Macchina• Il componente base di un calcolatore sono le porte
logiche, che corrispondono a interruttori
• L’unita’ base di informazione e’ il bit: un interruttore che vale 1 se acceso e 0 se spento
• Anche un’istruzione di linguaggio macchina deve dunque essere codificata come una stringa (una sequenza) di bit.Ad esempio
1000110010100000
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Programmazione Assembler
• Programmare tramite sequenze di bit e’ estremamente difficile
• Per questo motivo, e’ stato introdotto un linguaggio mnemonico (assembly language) che viene tradotto un stringhe di bit da un traduttore (assembler)
• Ad esempio.....
add A, BIl programmatore
scrive questa istruzione (somma A a B)
add A, BIl programmatore
scrive questa istruzione (somma A a B)
add A, BIl programmatore
scrive questa istruzione (somma A a B)
add A, BIl programmatore
scrive questa istruzione (somma A a B)
00000000000010001000100001000000L’assemblatore traduce l’istruzione
in una sequenza di bit
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Il Flusso completo
Molti compilatori saltano questa fase
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Prestazioni
Componente HW/SW Perche’ influenza Dove e’ trattato?
AlgoritmiDetermina il numero di
istruzioni di alto livello e di operazioni di IO
Altri corsi
Linguaggi di programmazione, compilatori e architetture
Determina il numero di istruzioni macchina per ogni
istruzione di basso livelloCap. 2, 3
Processore e sistema di memoria
Determinano quanto velocemente e’ possibile
eseguire ciascuna istruzioneCap. 4,5, e 7
Sistema di I/O (HW e sistema operative)
Determina quanto velocemente possono essere eseguite le
istruzioniCap. 6
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Componenti delCalcolatore
I dispositivi di input (tastiera, mouse, ...)e quelli di output
(video, stampanti, ...)Permettono di scambiareinformazioni con l’esterno
Le elaborazioni deidati sono effettuate
dal Processore (diviso in una parte operativa e
una di controllo)
I dati vengono memorizza-ti nelle unita’ di memoria
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Esempi di IO:il mouse
• Il mouse e’ stato inventato nel 1967 da Doug Engelbart nei famosi laboratori della Xerox
• La versione piu’ moderna usa una tecnologia ottica★ Alcuni led illuminano il piano ed elaborano l’immagine
★ Facendo la differenza tra immagini successive si scopre in che direzione si e’ spostato il mouse
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Esempi di IO:lo schermo LCD
• Gli schermi (Liquid Crystal Display) LCD sono attualmente diffusissimi sia nei PC sia nei telefonini e in altri dispositivi embedded★ Alcuni cristalli galleggiano in un fluido.
★ Ciacun cristallo e’ associato a un punto (Pixel)
★ Tramite un campo elettrico (applicato a ciascun cristallo) si riesce a far ruotare di 90 gradi il cristallo, che lascia passare o blocca la luce
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Frame Buffer
• L’immagne si compone di un insieme di Pixel (es. 640X480,1440X900 ecc.)
• Ciascun Pixel e’ associato tipicamente a tre byte, ciascuno associato a una delle tre componenti fondamentali Rosso (R) Verde (G) e Blue (B)
• L’immagine viene memorizzato in una matrice (frame buffer), che e’ essenzialmente una velocissima RAm che viene aggiornato molte volte al secondo (da 50 a 100)
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Dentro il PC
La scheda madre e’ una piastrasu cui sono montati i vari circuiti
integrati (chip)
La memoria volatilee’ costituita da vari
banchi di (tipicamente) 8chip di RAM dinamica
La memoria permanentee’ costituita da hard-disk
e CD/DVD ROM
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Le DRAM
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Il processore• Il processore e’ la parte attiva di ogni calcolatore. Si
compone di:★ Datapath: esegue le operazioni aritmetiche sui dati
★ Parte di controllo: indica al datapath, alla memoria, e alle componenti di IO cosa fare sulla base di quanto stabilito nel programma
Questa unita’ sicompone di quattro CPU
(core)
Una memoria RAM
aggiuntiva (cache)all’interno della CPU migliora
sostanzialmentele prestazioni
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Astrazioni• Come abbiamo visto, nel mondo dell’informatica si lavora
molto con le astrazioni che permettono di gestire un progetto di grande complessita’ nascondendo i dettagli
• Il processore viene “nascosto” nei suoi dettagli esportando come interfaccia l’insieme delle istruzioni macchina che il processore offre (Instruction Set Architecture)
• Insieme all’interfaccia del sistema operativo, l’ISA costituisce l’interfaccia binaria delle applicazioni (Application Binary Interface)
• Una volta definita una ABI, lo sviluppatore e’ svincolato da come queste cose sono implementate.
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La memoria• La memoria si distingue in due tipi:★ volatile (dominata dalle DRAM)
★ non volatile (dominata, fino ad ora dai dischi rigidi)
• La memoria volatile viene usata per memorizzare dati e programmi mentre questi vengono eseguiti. Per questo motivo viene detta memoria principale★ Allo spegnimento i dati vengono persi
• La memoria non volatile (o persistente) viene usata per memorizzare dati e programmi tra esecuzioni diverse. ★ Vista la quantita’ enorme di dati memorizzati si parla di
memoria di massa
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Memorie di massa
• Attualmente abbiamo essenzialmente tre tipi di memorie di massa★ Memorie Flash
★ Dischi rigidi
★ CD/DVD
• Le memorie Flash sono molto simili a memorie RAM. L’idea e’ di memorizzare il data intrappolando una carica elettrica. Il fenomeno fisico usato dalle Flash consente alla carica di essere intrappolata in maniera permanente
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Memorie di Massa
• Hard Disk: il principio difunzionamento e’ di magnetizzare delle particelle metalliche distibuite su un substrato
★ I dischi sono organizzati in strutture sovrapposte (cilindri)
★ Le particelle vengono lette da dispositivo meccanico (testina) che si sposta radialmente su un braccetto (in grado di fare movimenti angolari).
★ Questa componente rallenta i tempi di accesso ma aumenta al densita’ di memorizzazione (e’ possibile arrivare facilmente ai terabyte)
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Dischi Ottici
• I dischi ottici funzionano sulla base di un semplice principio: la riflessione della luce
• Viene emesso un raggio laser che viene riflesso dai rilievi (bit 1) e assorbito dalle buche
• Nei dischi riscrivibili, un particolare substrato consente (tramite riscaldamento) di ritornare alla situazione originale “spianando le buche”
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Interconnessione
• Gli sviluppi piu’ significativi degli ultimi anni hanno coinciso con lo sviluppo impetuoso della rete
• I calcolatori esprimono ormai la maggior parte del loro potenziale quando sono interconnessi★ Local Area Network: condivisione di risorse (dischi,
stampanti)
★ Wide Area Network: condivisione di contenuti