Architettura dei calcolatori, teoria completa (Tutto ciò che serve per superare l'esame con 30)

Architettura dei Calcolatori

• Linguaggio VHDL: Modello di programmazione. Modello di simulazione. Elementi di sintassi. Approccio data flow. Approccio composizionale. Approccio procedurale. Esercitazioni in Laboratorio. Utilizzo del compilatore ghdl e del visualizzatore gtkwave.
• Macchine Aritmetiche: Addizionatori Half Adder e Full Adder. Addizionatore di interi positivi, Addizionatore con Carry lookahead. Sottrattori. Addizionatore modulo diminuito. Moltiplicatore. Realizzazione parallela e iterativa. Moltiplicatore veloce. Divisore con restoring. Soluzione senza restoring. Implementazioni VHDL.
• Processore: Nozioni di funzionamento di un processore. Architetture CISC e RISC. Logica cablata e microprogrammata. Architettura e Organizzazione del MIPS a singolo ciclo e multiciclo. La Pipeline. Tecniche di gestione degli hazards. Interruzioni precise. Confronto con altre architetture. Architetture Intel, esempio architettura intel 8086 e 80386. Architetture superscalari. Vettore delle collisioni. Esecuzione fuori ordine. Parallelismo nei moderni processori (multithreading, multicore, gpu. Supercalarità, hyperthreading). Architettura del Pentium I e del IV, attacchi Spectre e Meltdown.
• BUS: Architettura sincrona e asincrona. Arbitraggio centralizzato e distribuito. Il PCI. Il bus USB.
• MEMORIE: Gerarchie di memorie. La memoria cache. Principi di località. Tecniche di mapping nelle cache (direct mapped cache, fully associative cache, set associative cache n-way). Algoritmi di sostituzione dei blocchi. Tecniche per la gestione della coerenza con la Ram. Esempio Pentium IV e PowerPC G4. Analisi prestazionale e criteri di dimensionamento. Simulazione con Dinero IV. Memorie dinamiche: la RAM e le sue evoluzioni (SDRAM, DDR-SDRAM). Rilevazione e correzione degli errori. Modello a blocchi e approccio composizionale. Memorie a stato solido SSD.
• IO: Soluzione Memory Mapped e Isolated Io. Polling e Interruzioni. Deasy chain. Il PIC. Il PIC nell'architettura Intel. I drivers. Sviluppo di una ISR in un emulatore DOS e sua associazione a una interruzione utilizzando il PIC. Sviluppo di drivers periferici a caratteri in LINUX. Sviluppo di una ISR in LINUX. Il DMA. Principi di Trasmissione Seriale, USART.
• SISTEMI PARALLELI: Gestione della coerenza della cache in architetture parallele. Protocolli Snoopy. Protocollo MESI.
• SISTEMI EMBEDDED: Architettura ARM. Microcontrollori. Architettura Microchip. Soluzione Arduino basata su ATMega. Modelli di programmazione. Interfacciamento a USART. Interfacciamento SPI. Esempi di utilizzo.
• ALTRO: attacco buffer overflow.

Introduzione ai Calcolatori

L'informatica è una scienza che si occupa dell'elaborazione automatica delle informazioni; il 1° informatico della storia fu Turing, il qualeprima delle macchine da calcolatura si pose il problema della decidibilità: èpossibile, in un certo sistema, a partire da degli assiomi, decidere se un calcolopuò essere effettuato o meno? Dopo l'implementazioni dei calcolatori l'idea diTuring fu messa in pratica: vennero realizzati da Von Neumannelementari (AND, OR, ecc.) che si usano per compiere finalmente complessi;che creano gli assiomi di ogni macchina e tutte le reti costruiscono tutto uninsieme che esprime un certo problema di problemi.

Macchine Aritmetiche

Sono dei componenti che si trovano all'interno dell'ALU del processore,che servono per effettuare un calcolo complementare (ad esso serva l'ingresso)carricando somma che viene usato: 2 + 3 = 5. Esse sono modulari(toz per compiere mini macchine aritmetiche ma realizzano di numeri piùcomplessi. Si distinguono in base a:

• Tipo di aritmetica: additiva, binaria, frazionaria, eccetera
• Base di numerazioni: binaria, decimale
• Numero di "ufo" - degli operandi

• Devo poter compiere macchine ma semplici ma realmente di mini complesse eadatte, non cercando di tradurre a carta
• In base all'algoritmo hardware delle tre più modi via realizzare la funzione condotto

Il problema di questi addizionatori è che l’ultimo ri-ritardo di propagazione è tanto maggiore quanto il numero di FA da attraversare; di ogni blocco fin riattendere è in generare l’uscita T dove attraverso un arbitro di me.

Addizionatore con Carry Lookahead

E’ sempre un’addoienda di mecin mentme che incondra il manbnon della binace du Funpf Cony, incondrono che _R = R¹ + R^tl è R¹ + (X + 0 ^al) = X + y t + (X0Y0)

Introduciamo 3 grandezze:

1. raporto generativo: _{Gi = Xi Ai)}, se vol n c numory FA dela lorioma geninmo menabmora mena numery colas in menacondia di i, + con rando = 0, . 5 = x + y t = ogni in calno- menery gon che vero si ni musinmndo vechise curri + lo fi albo easy rando G(i) 3[1:] = 1 se

Se il raporto iniziar [1 1:0 menum 2 recopno] in tutti gli nadi i dhivoz il raporto XI acc pi nunsinm not tenere editorat mos avere attrainati i renwori deln ricors unccolatori si einvad nel timno n it. Saddi io il refileso non vuiden d.el meneto esima.

• Se il pancreas è generarer p renomen i nm pietoso in menederi romontare pon xu numeno raccontano, che in randon che r i rommo è li rengandicilizavano corro il renaspri....
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Introduciamo queste grandezze allo Stadia O:

G_o = X_oY_o

P_o = X_o 0 _Yo

1. R = (R_i = lorio), Con G(0 1) e Po Fo

• Il permitato || fo del genomoment vai menompor quelle che renena degli bitiani

Esempio il reynonomento allo Stadio...

Risultato in modulo diminuito M

X - Y

• Se X ≥ Y e X < M allora R = X - Y
• Se X < Y allora R = X + M - Y
• Se X ≥ M allora P = 1

Adun in modulo diminuito M

Richiami di Rappresentazione degli Interi Negativi

Modulo e Segno

Usiamo il bit MSB come il Segno (1 = numero, 0 = più) ed il restanti m-1 per il modulo.

• Esempio: -2 = 1010 1 si il negativo = 0 si il modulo 2
• Esempio: 3 = 0011 3 si il negativo = 0 si il modulo 3

Con m bit quindi posso rappresentare tutti i numeri da -2^m-1 a 2^m-1-1

Problema: doppia rappresentanza nello 0 (000 100 stesso numero in modulo n)

1 0000 -

0000₁ +

1 0000 = 1 0000 +

1 111₁

OSS: X e Y non in base M q, quando il risultato Z sarà in base M² ricordiamo che

(complemento a 1) se sottraggo 00001.

Calcolo M²: se X e Y uguali z in output. Z sarà in insieme di

[0,2m-1]

Banda in un risultato rappresentamento 2

metto con le norme numerose di output.

3235 x

35 =

3235 35

096

226

646

969 23325

X

Divisore

È il max m.c. che prende 2 numeri, un divisore D ed un dividendo Y andrebbero divisi

Quoziente Q= [D/Y]

Resto R: []div resto

9 | Q.R∈[0,M)

Q ∅