Riassunto esame Calcolatori Elettronici, Prof. Colombo Carlo, libro consigliato Architettura e organizzazione dei calcolatori elettronici, Giacomo Bucci

Calcolatori corso integrato alla facoltà di ingegneria dell'Università di Firenze

Corso di laurea triennale in ingegneria informatica

Primo semestre, anno secondo

Docente: Colombo Carlo

Modello di Von Neumann

Sistema a bus CPU - memoria

• Banco di memoria RAM
• Decoder
• Rappresentazione spettri logiche
• Comparatore e sommatore ripple carry, full adder
• Multiplexer
• Mappe di Karnaugh

ALU

• Rappresentazione in complemento a 2
• ROM
• Contatore
• Reti sequenziali e combinatorie
• Macchina di Moore
• Macchina di Mealy
• Contatore autonomo
• Contatore up - down
• Registri di stato, dati e di scorrimento

Latch e flip flop

• Latch SR
• Flip flop SR, D, JK, T
• Sintesi vincolata
• Macchina per la moltiplicazione posizionale
• Progetto parte operativa e parte di controllo

Macchina di Turing

• Macchina universale
• Filosofie RISC e CISC
• CPU a singolo bus
• Codifica delle istruzioni
• Lettura e scrittura in memoria
• Repertorio istruzioni
• Confronto fra RISC e CISC
• Modi di indirizzamento
• CPU 8086
• Stack e subroutine

Fetch delle istruzioni

• La memoria
• Gerarchia della memoria
• DRAM e SRAM
• Cache
• Principio di località
• Varianti cache
• Indice MIPS
• Legge di Amdahl
• Dalle 5 fasi dell'esecuzione
• CPU monociclo
• Architettura di Harvard
• Dimensionamento del clock

CPU multiciclo

• Confronto fra monociclo e multiciclo
• Pipeline
• Esercizi svolti

Calcolatori

Personaggi chiave nel mondo dei calcolatori:

• Claude Shannon
• Alan Turing
• George Boole
• Gottfried Leibnitz

Modello di calcolatore di Von Neumann

Sistema I/O

• Ingresso
• Uscita
• CPU
• UO (Unità Operativa)
• UC (Unità di Controllo)
• Dati in ingresso X
• Clock
• Istruzioni
• Dati in uscita Y
• Comandi

Architettura

Architettura è il modello di programmazione del sistema, quindi comprende quello che il programmatore deve sapere nel sistema, per esempio ARM, MIPS. L'organizzazione è la struttura con cui viene implementata l'architettura, impatta nelle performance di un programma. Infatti, uno stesso programma può avere performance molto diverse su due sistemi con organizzazioni diverse.

Livelli software

• Applicazioni | Programmi applicativi
• Linguaggio macchina | Programmi
• Livello funzionale | Unità di Controllo
• Livello logico | Registri, ALU, memoria
• Circuiti | Porte logiche

Livelli di architettura e organizzazione

Nota bene: non affrontiamo la struttura fisica dei "mattoni elementari", consideriamo solo le strutture complesse alla base dei circuiti, come le porte logiche e i flip flop.

Sistema a bus

Interconnessione tra i componenti: 3 bus di sistema, ognuno dei quali viene attivato da 1 bit di regole. La CPU non riceve indirizzi e la memoria non re manda.

Sottosistema CPU-Memoria

Memoria: composta da celle cui viene assegnato un indirizzo univoco di m₁ bit, quindi possiamo avere 2^m celle per memorizzare informazioni. Sono state introdotti memorie cache, poiché l'aumento progressivo delle dimensioni delle memorie tradizionali aveva l'effetto di rallentarle. Infatti, la velocità è inversamente proporzionale alle dimensioni di una memoria.

Nota bene: il sistema a bus oggi è in uso solo nei microcontrollori.

Esempio di memoria

La dimensione di M è: S_bit = 2^m n = 2³² 32 = 128G. Se si esprime S_bit come S(m,n), ossia funzione di m e n, si nota che la dipendenza da m è esponenziale, mentre quella da n è lineare. Ad esempio si ha la relazione:

S(m+1,n) = 2 S(m,n) poiché 2^m+1 n = 2(2^m n)

E la relazione:

S(m,n+1) = S(m,n) + 2^m poiché 2^m (n+1) = 2^m n + 2^m

Ne si conclude che, se nella memoria è richiesto un bit in più di indirizzo, dobbiamo raddoppiare la capacità di M!

Consideriamo 2 memorie S₁ e S₂:

S₁ ha più celle (perché è più fitta) e S₂ ha parole più lunghe. Avendo S₁ e S₂ la stessa area, quindi la stessa dimensione misurata in bit, concludiamo che vale: