Riassunto esame Calcolatori elettronici

Cpu

Cpu composta da:

• Unità di elaborazione contiene registri, ALU, ecc.
• Unità di controllo genera segnali di controllo per l'unità di elaborazione

L'unità di elaborazione è composta da:

• IR instruction register
• R registri
• iTEMP registro per uso privato CPU
• PC program counter
• MAR memory address register
• MDR memory data register
• ALU unità aritmetico-logica

Bus interno

Le unità di controllo

Le unità di controllo possono essere di due tipi:

• Cablate normale circuito sequenziale

Vantaggi:

• Minimizza area di silicio utilizzata
• Elevata efficienza in termini di velocità delle istruzione
• Minimizza il costo del circuito

Svantaggi:

• La dimensione della MSF può essere troppo grande
• Una volta che il circuito è stato sintetizzato fisicamente, la modifica è complessa.

• Microprogrammate esegue microistruzioni e assegna valori prefissati ai segnali di controllo

Vantaggi:

• Modificare un'istruzione equivale a modificare il contenuto della memoria di microprogramma

Svantaggi:

• L'esecuzione di un'istruzione richiede una serie di accessi alla memoria di microprogramma
• La presenza della memoria di microprogramma e della relativa logica fa crescere il costo HW

Memorie

La memoria di un calcolatore è organizzata in livelli caratterizzati da diversi tipi di memoria in termini di velocità, dimensione e quindi costo.

Gerarchia di memoria

(Tempo di accesso e dimensioni crescenti, costo decrescente):

• Memoria interna Registri (SRAM), cache
• Memoria principale RAM (DRAM)
• Memoria secondaria Cache disco, HDD, SSD
• Memoria off-line Nastri magnetici, dischi ottici

Alcuni parametri importanti per le memorie sono:

• Costo
• Velocità
• Modi di accesso
• Alterabilità
• Durevolezza del contenuto
• Affidabilità
• Caratteristiche fisiche
• Consumo

Per accedere alle memoria possono esserci diversi modi di accesso. Sono principalmente:

• Sequenziale: informazioni lette/scritte solo in un ordine prefissato (es. nastri)
• Diretto: ogni blocco ha un indirizzo e la ricerca nel blocco è sequenziale (es. HDD)
• Casuale: ogni dato ha un indirizzo, informazioni lette/scritte in qualsiasi ordine (es. RAM, ROM)
• Associativo: confronto tra contenuto cella e quello specificato in una maschera (es. alcuni tipi di cache)

La velocità di una memoria

La velocità di una memoria è espressa attraverso tre parametri:

• Tempo di accesso: tempo tra la ricezione della richiesta (lettura/scrittura) e quello in cui la richiesta è eseguita
• Tempo di ciclo: tempo tra l'inizio di un ciclo di accesso alla memoria e l'inizio del ciclo successivo
• Tasso di trasferimento: velocità con la quale i dati possono essere trasferiti da/verso la memoria (bit/s, o bps)

Memoria principale

Caratteristiche:

• Ogni cella può essere indirizzata indipendentemente
• Tempi di accessi uguali e costanti per ogni cella

Sono presenti diversi segnali di controllo, che permettono alla memoria di sapere il tipo di operazione richiesta, la disponibilità degli indirizzi sull'Abus, la disponibilità dei dati sul Dbus, ecc.

Esempi di segnali di controllo sono:

• Chip Select (CS) per poter leggere o scrivere
• Output Enable (OE) per poter abilitare l'uscita del chip su un bus condiviso (nel caso di più chip ad un singolo bus)
• Write Enable (WE) per poter effettuare una operazione di scrittura

Sono inoltre presenti altri tipi di segnali come i segnali di stato:

• Errore: la memoria ha individuato una parola con un dato errato
• MFC (Memory Function Complete): la memoria ha completato l'operazione di lettura/scrittura

Il costo di una RAM dipende soprattutto dalla complessità dei dispositivi di accesso, che può essere ridotta tramite un'opportuna organizzazione delle celle di memoria.

Ci sono due tipologie principali:

• Organizzazione a vettore
• Organizzazione a matrice bidimensionale

Vantaggi:

• Minor costo HW
• Layout più compatto

Nel caso di RAM con organizzazione a matrice bidimensionale, esistono due segnali particolari:

• RAS (Row Address Strobe): indica che l'indirizzo inviato corrisponde al numero di riga
• CAS (Column Address Strobe): indica che l'indirizzo inviato corrisponde al numero di colonna

Alcuni altri tipi di memoria principale, oltre alla RAM, sono:

• ROM (Read Only Memory): utilizzata principalmente per programmi di sistema, contenuto definito prima della realizzazione fisica
• PROM (Programmable Read Only Memory): scrittura eseguita dopo la produzione per mezzo di attrezzature definite "programmatori"
• EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory): possono essere riscritte un numero arbitrario di volte previa cancellazione del contenuto mediante esposizione prolungata a luce ultravioletta
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): possono essere riprogrammate byte per byte
• Flash: usano un solo transistor per bit.

Tipo NOR: stesso comportamento di una RAM ma più lente, resistono per un numero limitato di cancellazioni/riscritture

Tipo NAND: possono essere lette/scritte solo a blocchi, sono più veloci e più resistenti

Quadro di sintesi

Tipi principali di RAM

Esistono due tipi principali di RAM:

• SRAM (Static): La singola cella corrisponde ad un flip flop
• DRAM (Dynamic): La singola cella corrisponde a un condensatore e a un transistor.

L'informazione è memorizzata sotto forma di carica del condensatore. Richiedono un rinfresco periodico dell'informazione (lettura fittizia). La lettura è di tipo distruttivo (Destructive Read-Out).

Per aumentare l'affidabilità delle memorie dinamiche sono stati adottati dei metodi noti come codici di protezione, i più comuni sono:

Codice di parità: viene calcolato e aggiunto un bit che indica lo "sta...