Appunti Architettura ed Elaboratori

1

16

Introduzione al corso di Architettura

degli Elaboratori

A. Rodà

(adattamento da G. Chiola)

Architettura degli Elaboratori © 2013

Elaboratore elettronico 2

16

• Un elaboratore elettronico è una macchina

automatizzata per l’elaborazione di dati, numerici o

di altro tipo

• Macchina di tipo «universale», capace cioè di

eseguire diversi programmi per la risoluzione di

una grande varietà di problemi

Architettura degli Elaboratori © 2013

Un primo esempio di macchina... 3

• Si adatta a differenti tipi di 16

bucato.

programmata mediante un

• Viene

linguaggio fatto da singole parole

- "Cotone", "Colorati", "Sintetici", "Lana".

• Non esegue controlli

- è compito dell’utente impartire ordini

corretti leggendo prima il manuale d’uso.

• Anche impartendo ordini corretti

la macchina potrebbe non dare i

risultati aspettati -> guasto.

Architettura degli Elaboratori © 2013

Un primo esempio di macchina... 4

• Se la macchina si guasta, il tecnico della manutenzione userà

descrizioni dello stesso elettrodomestico diverse dal manuale 16

d'uso

- schemi elettrici, catalogo delle parti, ecc.

• Utilizzerà quindi un modo diverso di osservare e manipolare la

stessa macchina -> un diverso livello di astrazione.

Architettura degli Elaboratori © 2013

Preparare una pizza... 5

• Per cucinare una pizza occorre procurarsi gli 16

ingredienti, la ricetta, ed una serie di

attrezzi.

• La ricetta farà uso di un linguaggio che

dobbiamo essere in grado di comprendere e

dovrà descrivere il procedimento in termini di

passi elementari che dobbiamo essere in grado

di realizzare.

• In termini informatici, la realizzazione di una

pizza seguendo passo passo le indicazioni di

una ricetta costituisce una attività detta

interpretazione da parte di una macchina

virtuale (noi stessi nella fattispecie).

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Preparare una pizza... 6

• Talvolta potremmo aver bisogno di istruzioni più dettagliate 16

per portare a termine un’operazione (ad es. “scaldare il

forno”).

• L'eventuale interruzione della interpretazione della ricetta

per leggere su un altro manuale le istruzioni dettagliate di

accensione e regolazione della temperatura, in termini

estensione procedurale, per

informatici costituisce una

sopperire ad una mancanza di corrispondenza tra le

istruzioni contenute nella ricetta (programma da eseguire)

e l'insieme delle istruzioni che la macchina virtuale (noi

stessi) conosce ed é in grado di eseguire direttamente.

• Al termine dell'interpretazione della procedura "scaldare il

forno" la macchina virtuale può tornare all'interpretazione

del programma principale, dal punto in cui l'aveva

interrotto.

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In pizzeria... 7

• In pizzeria l'interazione avviene con un 16

cameriere, il quale assume agli occhi del

macchina virtuale

cliente il ruolo di

• Il linguaggio usato per la comunicazione

cliente-cameriere sarà quello dei nomi delle

linguaggio ad alto

pizze scritte sul menù ->

livello

• Ordinando al cameriere una “quattro

stagioni" comandiamo alla macchina virtuale

pizzeria l'esecuzione di una attività

complessa, il cui risultato é quello di far

arrivare al tavolo la pizza desiderata,

disinteressandosi dei dettagli

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In pizzeria... 8

16

• Il cameriere scriverà l'ordine su un pezzo di carta

codificare in forma

usando delle convenzioni per

abbreviata l'ordine.

• Il cameriere, passato l’ordine, può dedicarsi a

servire un altro tavolo, demandando quindi il

completamento dell'esecuzione dell'istruzione ad

un'altra macchina virtuale (il pizzaiolo) -> catena di

pipeline.

montaggio, che gli informatici chiamano

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In pizzeria... 9

• La macchina virtuale pizzaiolo interpreta gli ordini ricevuti dal cameriere 16

applicando una serie di passi elementari che ha imparato ad eseguire una

volta per tutte e che ricorda in permanenza (stendere la pasta, aggiungere

la passata di pomodoro, aggiungere la mozzarella, ecc.).

• In termini informatici, il pizzaiolo esegue una istruzione della sua macchina

micro istruzioni presenti in una sua

virtuale interpretando una sequenza di

memoria permanente (firmware) ed univocamente associate a ciascun codice

che il cameriere scrive sull'ordine.

• L'esecuzione delle micro istruzioni può essere interrotta solo nel caso si

manifestino delle eccezioni (o trap), ad esempio per esaurimento degli

ingredienti o per mancato riconoscimento del codice di un comando.

• Il trattamento di una eccezione può comportare un ritardo nel

completamento dell'esecuzione del comando (per esempio chiedendo a voce

al cameriere di chiarire cosa c’era scritto nella comanda) o l'aborto (col

cameriere che torna dal cliente e si scusa di non poter soddisfare l'ordine a

causa dell'esaurimento dei carciofini).

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Stratificazione a livelli 10

• Storicamente si é venuta consolidando una 16

stratificazione dei livelli di astrazione utilizzati

per progettare e per descrivere un sistema di

calcolo

- L 5 Linguaggi di alto livello

- L 4 Assembler

- L 3 Nucleo del Sistema Operativo

- L 2 Macchina convenzionale

- L 1 Micro Architettura o Trasferimento tra Registri

- L 0 Logica Circuitale

- L-1 Elettronica Circuitale e/o Fotonica

- L-2 Fisica dello stato solido

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Stratificazione a livelli 11

• L 5 Linguaggi di alto livello 16

- Il livello di macchina virtuale normalmente usato dal programmatore di

applicazioni eseguite dal sistema di calcolo;

• L 4 Assembler

- Il livello di macchina virtuale più basso utilizzabile dal programmatore

di applicazioni eseguite dal sistema di calcolo;

• L 3 Nucleo del Sistema Operativo

- Il livello di macchina virtuale che permette l'attivazione di programmi

indipendenti (processi) e l'uso delle risorse fisiche del sistema da

parte di questi programmi, senza interazioni logiche tra loro;

• L 2 Macchina convenzionale

- Il livello di definizione delle istruzioni base del computer e degli altri

dispositivi fisici che compongono il sistema;

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Stratificazione a livelli 12

• L 1 Micro Architettura o Trasferimento tra Registri 16

- Il livello di definizione del funzionamento dei singoli componenti

fisici del sistema in termini di interconnessione e spostamento di

informazioni tra circuiti logici elementari;

• L 0 Logica Circuitale

- Il livello di realizzazione dei circuiti logici elementari basato sulla

logica Booleana;

• L-1 Elettronica Circuitale e/o Fotonica

- Il livello di progettazione dei circuiti logici elementari in termini di

transistor o dispositivi optoelettronici;

• L-2 Fisica dello stato solido

- Il livello di progettazione dei dispositivi elettronici integrati sulla

base delle caratteristiche fisiche dei semiconduttori.

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Stratificazione a livelli 13

Fondamenti di informatica

L 5 Linguaggi di alto livello 16

L 4 Assembler Sistemi operativi

L 3 Nucleo del Sistema Operativo

L 2 Macchina convenzionale

L 1 Micro Architettura o Trasferimento tra Registri

L 0 Logica Circuitale

L-1 Elettronica Circuitale e/o Fotonica

L-2 Fisica dello stato solido Corsi di elettronica

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Corso di Architettura degli elaboratori 14

L 5 Linguaggi di alto livello 16

L 4 Assembler

L 3 Nucleo del Sistema Operativo

L 2 Macchina convenzionale

L 1 Micro Architettura o Trasferimento tra Registri

L 0 Logica Circuitale

L-1 Elettronica Circuitale e/o Fotonica

L-2 Fisica dello stato solido

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Programma del corso 15

• Reti logiche (combinatorie e sequenziali) -> L0 16

• Architettura ed organizzazione degli elaboratori -> L1

• Istruzioni di macchina -> L2

- PD32

• Introduzione al linguaggio assembly -> L4

- Il processore ARM:

- Samsung S3C2440

- Attività di laboratorio: uso del linguaggio assembly

Architettura degli Elaboratori © 2013

16

16

Fine

Introduzione al corso di

Architettura degli Elaboratori

Architettura degli Elaboratori © 2013

Testo di rif.to:

[Congiu] - 1.1 (pg. 1–17)

Rappresentazione delle informazioni

-1.g Informazioni numeriche

Rappresentazione delle informazioni 1

Stringa di 32 bit nella memoria di un elaboratore:

11100000100000010010000000000000

Cosa rappresenta? Dipende ... 40

32

certamente una di 2 =4294967296 (4G) possibili cose diverse:

un’istruzione ARM:

• add r2, r1, r0

un numero naturale (in base 2):

• 4034994176

10

un numero intero (complemento a 2):

• -259973120

10

un numero razionale (floating point):

• 66

-74435494641179600000 (-1,0087890625 )

×2

10 10

una stringa di 4 caratteri (ASCII):

• ‘<SOH> <NUL>

una stringa di 4 caratteri (ASCII estesa):

• ü <NUL>

a

uno di 4G possibili colori diversi di un pixel

• . . .

• © 2017

Architettura degli Elaboratori

Cosa vedremo 2

1. I sistemi di numerazione

• Decimale, binario, esadecimale… 40

• Conversioni di base

2. Le informazioni numeriche

• Numeri naturali (senza segno o “unsigned”)

• Numeri interi (con segno o “signed”)

• Numeri non interi (Þ fixed-/floating-point)

3. Le informazioni non numeriche

• Testi, immagini, suoni, video… © 2017

Architettura degli Elaboratori

Il sistema posizionale 3

(… .a =

a a a a …) b

2 1 0 -1 -2 40

2 1 0 -1 -2

= + + + + +…

…+ a ·b a ·b a ·b a ·b a ·b

2 1 0 -1 -2

i

= a ·b

S i i

• è la base del sistema di numerazione

b

• Gli sono le cifre del numero

a i

• Il valore di una cifra dipende

dalla sua posizione © 2017

Architettura degli Elaboratori

Sistema decimale 4

• b=10 40

• Possibili cifre: {0;1;2;3;4;5;6;7;8;9}

3

2095.42 = 2 · 10 +

10 2 +

0 · 10

9 · 10 +

5 +

4 / 10 +

2

2 / 10 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Sistema binario 5

• b=2 40

• Possibili cifre: {0;1} 4

= 1 · 2 +

11011.101

2 3

1 · 2 +

2

0 · 2 +

1 · 2 +

1 +

1 / 2 +

2 +

0 / 2 3 = 27.625

1 / 2 10 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Sistema ottale 6

• b=8

• Possibili cifre: {0;1;2;3;4;5;6;7} 40

2

= · 8 +

3

375.1

8 · 8 +

7 +

5 / 8 =

1 253.125

10

Una cifra ottale può rappresentare 3 cifre binarie:

110 011 101 001 110011101001 = 6351

2 8

6 3 5 1 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Sistema esadecimale 7

• b=16

• Possibili cifre: {0;1;2;3;4;5;6;7;8;9;A;B;C;D;E;F} 40

2

= · 16 +

7B9.1 7

16 · 16 +

11

+

9 / 16 =

1 1977.0625

10

Una cifra esadecimale può rappresentare 4 cifre binarie:

1100 1110 1001 110011101001 = CE9

2 16

C E 9 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Conversioni di base (1 di 4) 8

• Da ottale/esadecimale a binario: 40

espansione di ogni cifra in una terna/quaterna di

cifre binarie.

• Da binario a ottale/esadecimale:

raggruppamento in terne/quaterne di cifre e

sostituzione di ciascuna terna/quaterna con

l’opportuna cifra ottale/esadecimale.

• Da qualsiasi base a decimale:

applicando la definizione di notazione posizionale.

© 2017

Architettura degli Elaboratori

Conversioni di base (2 di 4) 9

Da decimale a qualsiasi altra base b

si prendono i resti

Parte intera: 40

delle divisioni successive per b

Esempio: 2009 = 7D9

10 16

2009/16 = 125 resto: 9

125/16 = 7 resto: 13=D L’ultima cifra

16 è la più

7/16 = 0 resto: 7 significativa

Il procedimento si arresta © 2017

Architettura degli Elaboratori

Conversioni di base (3 di 4) 10

Da decimale a qualsiasi altra base b

si prendono le parti intere

Parte frazionaria: 40

delle moltiplicazioni successive per b

Esempio: 0.6875 = 0.1011

10 2

0.6875·2 = 1.375 parte intera: 1 La prima cifra

0.375·2 = 0.75 parte intera: 0 è la più

significativa

0.75·2 = 1.5 parte intera: 1

0.5·2 = 1 parte intera: 1

Il procedimento si arresta © 2017

Architettura degli Elaboratori

Conversioni di base (4 di 4) 11

Da decimale a qualsiasi altra base b

Parte frazionaria 40

Il procedimento può anche essere infinito!

= 0. …

Esempio: 0.3 01001

10 2

0.3·2 = 0.6 parte intera: 0

0.6·2 = 1.2 parte intera: 1

0.2·2 = 0.4 parte intera: 0

0.4·2 = 0.8 parte intera: 0

0.8·2 = 1.6 parte intera: 1

0.6·2 = 1.2 parte intera: 1

… … … © 2017

Architettura degli Elaboratori

Rappresentazione negli elaboratori 12

Negli elaboratori, l’elemento base

per la rappresentazione delle 40

informazioni è il BInary digiT o più

semplicemente BIT (Tukey, 1947).

Può essere realizzato in molti modi

diversi (carica elettrica, campo

magnetico, ecc.), ma in tutti i casi può

assumere esattamente 2 valori e

corrisponde quindi a una cifra binaria.

Qualsiasi informazione in un

elaboratore è rappresentata tramite un

numero finito di bit. © 2017

Architettura degli Elaboratori

Rappresentazione finita: osservazione 13

Utilizzando un numero di cifre finito si può

rappresentare solo una quantità finita di numeri. 40

Esempio per i numeri naturali:

base n. di cifre quantità min max

M M

10 M 10 0 10 -1

4

10 4 10 0 9999

M M

0 2 -1

2 M 2 4

2 4 2 0 15

10

2 10 2 0 1023

20

2 20 2 0 1048575

30

2 30 2 0 1073741823 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Potenze di 2 14

Quando il numero di bit è elevato, si usano delle

abbreviazioni analoghe a quelle delle unità di misura 40

Prefisso Nome Pot. di 2 Valore

10

1Ki

1K kibi-

kilo- 2 1.024

20

1Mi

1M mega-

mebi- 2 1.048.576

30 1.073.741.824

1Gi gibi-

1G giga- 2 40 12

1T tera- 2 ~1.1 x 10

1Ti tebi-

IEC

60027 50 15

1P peta- 2 ~1.1 x 10

1Pi pebi- 60 18

1Ei

1E exbi-

exa- 2 ~1.2 x 10

70 21

1Z zeta- 2 ~1.2 x 10

1Zi zebi- 80 24

1Y yotta- 2 ~1.2 x 10

1Yi yobi- © 2017

Architettura degli Elaboratori

Numeri naturali 15

Esempio di rappresentazione con M=4 cifre (bit): 40

0000 = 0

2 10

0001 = 1

2 10

0010 = 2

2 10

0011 = 3

2 10

0100 = 4

2 10

…

1110 = 14

2 10

1111 = 15

2 10

I numeri maggiori di 15 non sono rappresentabili. © 2017

Architettura degli Elaboratori

Numeri interi: ampiezza e segno 16

Il primo bit (quello più significativo) viene utilizzato

per indicare il segno: 40

1111 -7

«

2 10

1110 -6

«

2 10

1101 -5

«

2 10

…

1001 -1

«

2 10

1000 -0

«

2 rappresentazioni 2 10

dello 0 0000 = +0

10

2

0001 = +1

2 10 Si riduce il numero

… di interi positivi

rappresentabili

0110 = +6

2 10

0111 = +7

2 10 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Numeri interi: eccesso P 17

Il valore rappresentato si ottiene sottraendo P

al valore calcolato secondo la notazione posizionale. 40

M-1

Esempio con M=4 e P=8 (di solito P=2 ):

0000 -8 = 0 -8

«

2 10 10 10

0001 -7 = 1 -8

«

Dissimmetria 2 10 10 10

0010 -6 = 2 -8

«

2 10 10 10

… -1

0111 «

2 10 Una sola

1000 0 rappresentazione

«

2 10 dello 0

1001 1

«

2 10

…

1110 6

«

2 10

1111 7

«

2 10 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Numeri interi: complemento a 1 18

La rappresentazione di un intero positivo coincide con

quella del corrispondente numero naturale. 40

La rappresentazione di un intero negativo si ottiene

complementando bit a bit quella del suo opposto.

1000 -7

«

2 10

1001 -6

«

2 10

…

1110 -1

«

2 10

1111 -0

«

2 rappresentazioni 2 10

dello 0 0000 = +0

2 10

0001 = +1

2 10

…

0110 = +6

2 10

0111 = +7

2 10 © 2017

Architettura degli Elaboratori

Numeri interi: complemento a 2 19

La rappresentazione di un intero positivo coincide con

quella del corrispondente numero naturale. 40

La rappresentazione di un intero negativo si ottiene

aggiungendo una unità al complemento a 1.

1000 -8

«

2 10

1001 -7

«

2 10

…

1111 -1

«

2 10

0000 = 0

2 10

0001 = +1

2 10

…

= +6

0110

2 10