MACCHINE DI VON NEUMANN

1. INTRODUZIONE

La maggior parte dei calcolatori attualmente in uso sono macchine di Von Neumann, dal nome dell'ideatore dell'architettura (struttura logica) con cui sono costruiti.

Una macchina di Von Neumann è costituita da un sistema di interconnessione (bus e/o multiplexer) tramite cui sono collegati 4 tipi di unità logiche (cioè ogniuna che esegue un certo compito logico):

CU (Control Unit - Unità di Controllo)
ALU (Unità Logico-Aritmetica)
Memoria Centrale (RAM)
I/O (Input/Output)

Queste unità logiche sono ottenute combinando i blocchi di cui si è parlato nel capitolo precedente, a creare circuiti più complessi.

CU e ALU sono quasi sempre integrate su un unico chip che prende il nome di CPU (Central Processing Unit).
Per questo, CU e ALU sono in genere connessi tramite multiplexer. CPU, memoria centrale, I/O, invece, sono in genere connessi tramite bus.
Architettura

2. SISTEMI DI INTERCONNESSIONE

Per connettere le unità logiche di un calcolatore, ci sono tre metodi.

Multiplexer e demultiplexer:
come visto in precedenza, si possono usare multiplexer e demultiplexer per trasportare dati con pochi fili.

Possono comunicare fra loro più di due registri alla volta, ma se si vuole cambiare il numero di elementi che compongono la rete (nell'esempio sono tre, A,B,C), va rifatto tutto da capo (struttura rigida).

Bus.

NON possono comunicare fra loro più di due registri alla volta, ma se si vuole cambiare il numero di elementi che compongono la rete (nell'esempio sono tre, A,B,C), non è necessario rifare tutto da capo.

Il bus è un semplice cavo. Il trucco è nelle porte utilizzate per connettere i vari elementi, che sono porte tristate.
Queste hanno la seguente tabella di verità:

Input a c	Output b
x 0 x 1	disconnesso x

Dunque quando ricevono un segnale basso su c, qualunque sia il valore di a, esse introducono una resistenza tale che non c'è alcun segnale sull'uscita b. Questo significa disconnesso. Quando c vale 1, invece, mandano in output lo stesso segnale che ricevono in input.
Inizialmente tutte le unità sono disconnesse; quando due di queste vogliono colloquiare, un opportuno circuito di controllo connette le loro porte tristate. I segnali del mittente transitano sul bus e, pur raggiungendo tutte le unità, vengono captati solo dal ricevente.
Il bus viene gestito da un circuito detto arbitratore, che lo cede a chi lo richiede solo quando è libero. Ovviamente la CPU ha precedenza sugli altri componeneti.
La capacità di trasferimento del bus è misurata in byte al secondo e viene detta troughput.

Combinazione dei due metodi precedenti.

(seriale-parallelo e multiplexer-bus: che relazione c'è?)

3. ALU (Unità Aritmetica e Logica)

3.1 Introduzione

Schema a blocchi:
ALU

Funzione logica: operazioni logiche (not, and, or, ..., comparazione logica, ...) e operazioni aritmetiche (somma, differenza, shift, complementazione, opposto, comparazione aritmetica,...).

Dunque la ALU non è in grado di eseguire nè moltiplicazioni, nè divisioni direttamente. Inoltre può lavorare direttamente solo su numeri naturali o interi e su stringhe con significato logico.

3.2 Funzionamento

Operandi: ingressi ai quali bisogna mandare le stringhe binarie su cui compiere l'operazione scelta.
Funzione: ingressi su cui mandare il codice che identifica l'operazione da compiere. Noi useremo il seguente codice:

Codice	Operazione
0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1	AND OR NOT COMPARAZIONE logica e aritmetica TEST B ADD SHIFT LEFT SHIFT RIGHT

Risultato: uscite su cui si ottiene la stringa risultante.
Flag: uscite che segnalano determinati eventi logici:

Flag	Evento
Z	segnala se il risultato dell'operazione logica o aritmetica compiuta ha come risultato la stringa nulla
N	segnala se il risultato dell'operazione compiuta è un numero negativo; questa segnalazione ha senso solo per operazioni aritmetiche, cioè quando le stringhe operando hanno significato numerico; tuttavia la ALU segnala comunque come negative anche le stringhe con significato logico, perchè si preoccupa soltanto di rilevare se il MSB è 1 (vedere "Rappresentazione in Complemento a Due"), quasiasi sia la natura della stringa.
C	segnala il trabocco di un uno sul MSB o LSB (trabocchi di zero non contano visto che il numero non cambia: 00214 è uguale a 214).
V	segnala un overflow o underflow.

Il trabocco segnala che una stringa rappresentante un numero naturale o un valore logico (cioè in base due "standard" -senza bit segno e NON in complemento a due) ha altrepassato le dimensioni della word e quindi non rappresenta più il valore voluto. Per fare ciò la ALU controlla che l'uscita di trabocco dei vari circuiti da cui proviene la stringa non sia attiva.
L'overflow segnala invece che una stringa rappresentante un numero intero (cioè in complemento a due) ha oltrepassato la dimensione della word e quindi non rappresenta più il valore voluto. Per fare ciò la ALU controlla il MSB degli operandi: se entrambe gli operandi hanno MSB pari ad uno, c'è stato overflow e il flag V viene attivato.
Il trabocco non ha senso per numeri rappresentati con stringhe in complemento a due
(ad es. 1100_Ca2+1010_Ca2 da un risultato errato 0110_Ca2, mentre 1100_Ca2+1100_Ca2 da un risultato giusto 1000_Ca2, dunque il trabocco non dà alcuna indicazione sulla correttezza del risultato),
così come l'overflow non ha senso per numeri naturali e valori logici rappresentati in base due con metodo "standard".
La ALU, tuttavia, segnala entrambe le condizioni senza occuparsi del significato delle stringhe che elabora.

4. MEMORIA CENTRALE

4.1 Introduzione

Schema a blocchi:
MemoriaCentrale

insieme di registri di memoria di capienza pari alla lunghezza della word; ogni registro prende nome di CELLA di memoria.
Funzione logica: scrittura di stringhe in memoria e lettura di stringhe precedentemente memorizzate.

4.2 Funzionamento

A: ingressi a cui va mandata la stringa da memorizzare
B: ingressi a cui va mandato l'indirizzo del registro su cui si vuole memorizzare A / da cui si vuole leggere C.
Per semplicità progettuale, anche questo ingresso accetta solo stringhe lunghe una word
C: uscita su cui si può leggere la stringa in memoria
Funzione: specifica se si vuole leggere o scrivere sulla memoria

Chi programma vede la memoria centrale come vettore unidimensionale di celle il cui indice, detto indirizzo, identifica univocamente ogni registro e permette di accedervi sia in lettura che in scrittura.
L'entrata B dovrebbe essere gestita da un decodificatore con input l'indirizzo del registro e con tante uscite quante sono le celle di memoria, così da poter mandare ad ogniuna di esse gli opportuni segnali.

La memoria centrale è una memoria ad accesso casuale: per raggiungere un registro non è necessario scorrere tutte le celle precedenti, come succede invece per le memorie dette ad accesso sequenziale. Per questo la memoria centrale viene spesso chiamata RAM (random access memory).

Sebbene la memoria centrale sia un calderone in cui finiscono sia istruzioni che dati, questa viene spesso organizzata in compartimenti stagni proprio per proteggersi da possibili errori. In genere esiste una parte riservata al sistema operativo [ad es. per il vettore delle interruzioni e per tutto il codice del S.O.], una parte dedicata alle istruzuini del programma, un'altra porzione atta a contenere i dati ed una riservata allo stack. Questa divisione non è hardware ma logica.

È da notare, infine, che prima che una operazione di lettura o scrittura venga completata, trascorre un certo tempo detto tempo di accesso, dovuto alla lentezza delle porte che costituiscono registri e decodificatori.

4.3 Allineamento della memoria (trovare un posto migliore)

La memoria centrale è organizzata in word, però spesso è possibile indirizzare anche pezzi di word. Ad esempio, se la word è di 4 byte, spesso è possibile operare anche sul singolo byte. Il byte su cui si può operare è quello all'inizio o alla fine della word (a seconda della scelta progettuale) e deve sempre essere allineato all'inizio o alla fine della word; tutto il resto della parola può contenere nulla oppure l'estensione del segno se vi era memorizzato un numero in complemento a due.

4.4 Accorgimenti pratici

L'entrata B della memoria dovrebbe essere gestita da un decodificatore con input l'indirizzo del registro e con tante uscite quante sono le celle di memoria, così da poter mandare ad ogniuna di esse gli opportuni segnali. Se si considera che B, sugli attuali computer, è in genere di 32 bit, si capisce che il decoder dovrebbe avere 4 miliardi di piedini di uscita (2³²). Allo stato attuale, però, il massimo numero di piedini che si riesce ad inserire in un chip è dell'ordine di qualche centinaio.
Diventa necessario usare un "trucco" a livello hardware (invisibile a chi programma, che continua a vedere la memoria come un vettore unidimensionale) per poter indirizzare un tale quantitativo di celle.
Il trucco consiste nel frazionare l'indirizzo B: nel caso di 32 bit, si divide B in pezzi da 8 bit ciascuno. Ogni pezzo viene considerato come una coordinata: x, y, z, w.
Schema

Ogni pezzo da 8 bit viene gestito da un decodificatore con otto ingressi e quindi 256 uscite (che è un numero di piedini accettabile). Le uscite dei 4 decodificatori vengono poi messe in AND fra loro.

In commercio si trovano chip di memoria costruiti come visto (registri, input, input per indirizzo, uscite). Assemblando questi circuiti si ottengono i banchi di memoria veri e propri.
Si supponga di avere chip che possano contenere 4 parole da 4 bit (e quindi con due linee di indirizzamento):
Schema

Si supponga di voler costruire con essi una memoria con capacità identica a quella dei chip di cui sopra, ma che possa lavorare su parole lunghe il doppio. Ecco come fare:
Schema

Aggiungendo altri chip si possono gestire parole più lunghe.
Si supponga ora di voler costruire con essi una memoria che lavori con parole di lunghezza identica a quella dei chip di cui sopra, ma con capacità doppia (otto parole invece di quattro). Ecco come fare (servono tre linee di indirizzamento per gestire 8 parole):
Schema

Delle tre linee di indirizzamento, due le connetto a quelle dei chip, una la uso come segnale abilitatore degli innput dei chip.
Le uscite dei chip vengono gestite da porte OR (basta che da parte di un chip arrivi un uno ad una porta OR perchè l'output sia 1).

Si possono combinare i due precedenti metodi per ottenere banchi di memoria di capacità doppia ed in grado di gestire parole lunghe il doppio.

L'ingresso B è lungo una parola. Questa è una limitazione alla quantità di memoria indirizzabile dalla macchina. Se ad es. la parola è di 16 bit, si possono indirizzare al massimo 2¹⁶ (circa 65 000) celle - come si suol dire, il campo di indirizzamento va da 0 a 2¹⁶.
Può essere necessario disporre di più indirizzi, ovvero occorre una memoria centrale di dimensioni maggiori a questo limite superiore.
Pagine

A tal proposito si usa un registro di memoria speciale detto registro di estensione, che si trova in una zona della RAM di nome MM (Memory Managment). Tale registro contiene i bit in più (rispetto alla lunghezza della parola) che si vogliono usare per indirizzare la memoria.
Si può pensare in questi termini: la memoria viene divisa in pagine e ogni pagina è direttamente indirizzabile tramite la word che arriva all'ingresso B. Nel registro, invece, viene memorizzato il numero di pagina che si stà considerando.
Per quanto illustrato, la memoria centrale viene divisa in memoria fisica - quella realmente presente "on board" - e memoria indirizzabile - quella parte di memoria fisica direttamente indirizzabile tramite una parola.
Introdurre una struttura a pagine della memoria ha i seguenti svantaggi: occorrono nuove istruzione per gestire il registro di estensione (ad es l'istruzione "salto di pagina"); si ha un aumento del tempo di accesso; un programma non può occupare più di una pagina e i salti fra moduli di programma in pagine diverse sono più complicati [le istruzioni di salto hanno uno spazio per l'offset o indirizzo che non può gestire il registro di estensione, dunque occorre usare anche istruzioni speciali].

5. CONTROL UNIT

È richiesto lo studio del file quattro in parallelo a questo capitolo.

5.1 Introduzione

La Control Unit è costituita dai seguenti elementi base:

PC - Programm Counter - Contatore di Programma
Decodificatore di istruzioni
Codificatore dei comandi

e dai seguenti elementi non di base:

Generatore di fase
Registri di memorizzazione interni

5.2 Program Counter

Il PC è un contatore preselezionabile.
Il suo compito è di gestire la memoria centrale: le sue uscite sono collegati agli ingressi di indirizzamento della memoria centrale.
Essendo un contatore, scandisce la memoria in modo sequenziale. Se, però, è necessario interrompere la sequenzialità del conteggio per saltare ad un certo indirizzo, si può usare l'ingresso del contatore preselezionabile, collegato al codificatore di comandi.

Caratteristica delle macchine di Von Neumann è di avere un solo PC. Ciò è equivalente ad affermare che le macchine di Von Neumann sono sequenziali: esse possono eseguire una sola istruzione alla volta.
Dall'unicità del PC si deduce anche l'unicità della memoria centrale: solo il PC ha accesso alla memoria e se esso è unico, anche la memoria lo deve essere.

5.3 Decodificatore di Istruzioni

La stringa letta dalla memoria tramite il PC viene inviata al decodificatore di istruzioni.
Questo decodifica i vari campi dell'istruzione e li manda al codificatore di comandi.

5.4 Codificatore di Comandi

Questo circuito riceve le istruzioni decodificate e fa tutto il necessario per eseguirle.
Ad es. si connette all'ingresso "funzione" della ALU e le comunica che operazione fare; connette quindi la memoria centrale o i registri interni alle entrate della ALU; connette poi l'uscita della ALU con la memoria centrale o i registri interni per memorizzare il risultato.
Si ricorda ancora che non tutte le istruzioni richiedono l'uso della ALU.

Si noti la differenza fra istruzioni e comandi: le istruzioni sono comandi codificati, i comandi sono istruzioni decodificate.
A onor del vero si potrebbero costruire macchine che abbiano solo comandi e non istruzioni. Così facendo non sarebbero più necessarie le fasi di codifica e decodifica, aumentando velocità, economicità ed affidabilità dei calcolatori. Questo però non avviene perchè i comandi occuperebbero troppa memoria (esistono molti comandi, ogniuno può avere molti modi di indirizzamento degli operandi). La codifica è una sorta di compressione e per questo in memoria si trovano soltanto istruzioni e non comandi.

Visto il gran numero di istruzioni e indirizzamenti possibili, codificatore di comandi e decodificatore di istruzioni sono circuiti combinatori molto complessi e quindi costosi da progettare e costruire.
Talvolta, per risparmiare, essi vengono sostituiti da una micromacchina, ovvero una macchina di Von Neuman con micro-PC, micro-CPU e ROM al posto della RAM.
L'istruzione da decodificare arriva al micro-PC che controlla la ROM. Nella ROM, al contrario delle macchine di Von Neumann vere e proprie, ci sono sia istruzioni che comandi. Nel caso che il PC trovi direttamente il comando corrispondente all'istruzione ricevuta, il comando viene subito inviato in output. Se, invece, l'istruzione non ha un comando associato direttamente, le viene associato un micro-programma che,una volta eseguito, da in output il comando corrispondente all'istruzione. L'insieme dei microprogrammi viene detto firmware. Le microistrizoni con cui scrivere questi programmi sono molto poche.
Tutti questi passaggi sono trasparenti al programmatore assembly, tranne per il fatto che introducono un rallentamento nell'esecuzione dei programmi - a fronte, però, di una maggiore economicità.
Questo rallentamento può essere più o meno marcato a seconda del numero di istruzioni e del numero di comandi direttamente presenti nella ROM. È possibile espandere tali istruzioni o comandi semplicemente cambiando la ROM (o utilizzando una EPROM - tipo di memoria di cui non parleremo).

5.5 Generatore di Fase

Perchè un'istruzione sia eseguita da una macchina di Von Neumann sono necessarie le seguenti fasi:

caricamento: il PC e la memoria centrale si mettono in comunicazione su richiesta del PC; l'indirizzo che PC conta raggiunge l'ingresso "Indirizzi" della memoria, la quale manda in output la stringa trovata; memoria centrale e decodificatore di istruzione si connettono su richiesta del PC; la stringa trovata in memoria raggiunge il decodificatore di istruzione.
decodifica (riconoscimento): il decodificatore di istruzione decodifica l'istruzione ("vede cosa fa l'istruzione e dove sono i suoi operandi").
esecuzione: il codificatore dei comandi manda istruzioni a tutte le unità che servono (ad esempio fa saltare il PC alla locazione di memoira dove si trova un certo operando, ecc.).

Il generatore di fase riconosce la fase nella quale ci si trova e la segnala al decodificatore di comandi.
Se ci si trova nella prima o nella seconda fase, infatti, il decodificatore deve fare le stesse operazioni qualsiasi sia l'istruzione.
Se, però, ci si trova nell'ultima fase, i compiti che il decodificatore deve svolgere variano da istruzione ad istruzione.
Appare evidente, quindi, che al decodificatore di comandi serve sapere in quale delle tre fasi il sistema si trova.

5.6 Registri di Memorizzazione Interni

Sono normali registri di memorizzazione lunghi una parola.

Il loro compito è identico a quello della memoria centrale: memorizzare dati su cui si sta operando.
Da un punto di vista logico, quindi, risultano superflui, ma la pratica mostra che è molto comodo averli.
Rispetto alla memoria centrale, infatti, essi sono più vicini e sono meno numerosi. Questo significa che sono più velocemente accedibili e più facilmente indirizzabili della memoria centrale.

Si usa dividere tali registri in due gruppi:

registri ad uso speciale
registri ad uso generico (general purpose)

Fra quelli ad uso speciali ci sono:

registri accumulatori: usati per il referenziamento implicito delle istruzioni
registri indice:contengono indirizzi di memoria per indirizzamento indicizzato o chiamata a funzioni, ecc.
un registro stato della macchina (psw): contiene i risultati logici della ALU (le uscite flag)
un registro puntatore a catasta (sp): contiene l'ultima locazione di memoria usata nello stack.
La nozione di stack / pila / catasta è già nota al lettore. Vediamo quindi soltanto dettagli relativi all'implementazione.
Allo stack si accede sequenzialmente con filosofia LIFO, proprio grazie al registro sp. L'indirizzamento usato, infatti, è ad autoincremento o decremento: incremento se si inserisce un elemento, decremento se lo si toglie.

6. INPUT \ OUTPUT

È richiesto lo studio del file cinque in parallelo a questo capitolo.

6.1 Realizzazione

Ci sono due metodi per implementare l'unità di I\O.

Tramite un insieme di registri visibili sia dall'esterno che dall'interno della macchina: sia le periferiche esterne, che le componenti interne del calcolatore possono leggerli e/o scriverci.
Questo metodo non è più usato visto che ha i seguenti svantaggi: servono opportune istruzioni per operare su questi registri, dette istruzioni di I/O; il numero di registri è fisso e spesso o è troppo elevato o è troppo basso per le proprie esigenze.
Tramite registri presi in prestito dalla memoria centrale - memory mapped I\O.
Un certo numero di indirizzi viene dedicato all'identificazione di registri visibili sia all'interno che all'esterno del calcolatore. Ogni periferica avrà un certo numero di indirizzi di memoria riservati, su cui sarà possibile leggere e/o scrivere come se fossero normali celle di memoria. Sebbene logicamente separato, in questo caso l'I/O viene identificato con la RAM. Essendo la memoria centrale molto grande, questa perdita di indirizzi è praticamente impercettibile. Tutti i difetti del precedente metodo scompaiono. Per operare su questi registri, infatti, si usano le normali istruzioni per operare sulla memoria. Inoltre si possono riservare molti più registri, cosicchè essi non saranno mai troppo pochi. Questo metodo prende il nome di estenzione all'esterno della memoria centrale.
Si noti che è solo il programmatore assembly che vede la memoria centrale come se fosse estesa all'esterno: i registri indirizzabili come se fossero celle di memoria, in realtà, sono nelle periferiche.

6.2 Funzionamento

Il problema principale nel colloquio fra periferiche e CPU risiede nella differenza di velocità fra questi componenti.
Per riuscire a farle comunicare, quindi, bisogna usare vari accorgimenti.
Innanzitutto è necessario che le periferiche bidirezionali (periferiche su cui si può leggere e scrivere) abbiano almeno i seguenti tre registri:

registro di stato: contiene tutte le informazioni correnti della periferica; ad es. se è pronta o meno, se c'è stato un errore, più in generale se ci sono situazioni patologiche o fisiologiche, generando eventualmente interruzioni;
di questo registro di stato, tre sono i bit che ci interessano: un bit segnala la situazione di pronto in lettura; un bit segnala la situazione di pronto in scrittura; un bit abilita o meno la possibilità di quella periferica di lanciare interruzioni;
registro di dato in ingresso: contiene il prossimo dato che la periferica sta per leggere;
registro di dato in uscita: contiene il dato che la periferica sta inviando al calcolatore.

La comunicazione consiste nel trasferimento di dati fra memoria centrale o registri interni e registri di dato in ingresso o di dato in uscita della periferica.
Esistono poi i seguenti tre metodi per realizzare lo scambio di dati:

metodo programmato:
un programma assembly che voglia accedere ad una periferiferica, ad es. in lettura, utilizzando questo metodo, deve avere questa struttura: 1: istruzioni del programma che non richiedono I\O 2: caricamento dell'indirizzo di memoria centrale da cui scrivere i dati trasferiti 3: caricamento della condizione di fine: o il numero di word da trasferire o la particolare word che appena letta fa terminare il trasferimento 4: test se il bit di pronto in lettura del registro di stato della periferica è alto 5: se il bit di pronto in lettura è basso ripeti l'istruzione precedente, altrimenti continua 6: istruzione che trasferisce la word dal registro di dato in uscita della periferica alla RAM o a un registro interno alla macchina 7: se la condizione di fine non è verificata ripeti da 4, altrimenti continua 8: parte restante del programma rispetto agli altri metodi è molto inefficiente perchè tiene occupata la CPU a ciclare; è ormai abbandonato
metodo ad interruzioni:
un programma assembly che voglia accedere ad una periferiferica, ad es. in lettura, utilizzando questo metodo, deve avere questa struttura: 1: abilitazione di quella periferica a lanciare interruzioni, alzando l'apposito bit del suo registro di stato 2: dichiarazione della posizione di memoria in cui si trova il programma di servizio di quella interruzione, inserendo l'indirizzo nel vettore delle interruzioni 3: istruzioni del programma che non richiedono I\O 4: caricamento dell'indirizzo di memoria centrale da cui scrivere i dati trasferiti (qui o nel programma di servizio?) 5: caricamento della condizione di fine: o il numero di word da trasferire o la particolare word che appena letta fa terminare il trasferimento (qui o nel programma di servizio?) 6: istruzione di lettura da periferiferica: o il programma ha un'istruzione di attesa - il calcolatore si ferma ad aspettare che la periferiferica sia pronta in lettura senza poter fare niente - o ha un'istruzione di trap verso il sistema operativo - il sistema operativo cede il controllo della CPU ad altri programmi finchè non arriva il segnale di pronto - quando il bit di pronto in and con il bit di abilitazione delle interruzioni della periferica è alto, la periferica lancia una interruzione e viene attivato il programma di servizio, che trasferisce la word dal registro di dato in uscita della periferica alla RAM o ad un registro interno al calcolatore; ciò si ripete finchè non viene raggiunta la condizione di fine; a questo punto, il programma di servizio ritorna e cancella l'interruzione 5: parte restante del programma è utilizzato per le periferiche più lente e che non trsferiscono molti dati(ad es. la tastiera)
metodo del DMA (Direct Memory Access):
un programma assembly che voglia accedere ad una periferiferica, ad es. in lettura, utilizzando questo metodo, deve avere questa struttura: 1: istruzioni del programma che non richiedono I\O 2: caricamento nel registro di indirizzo del controllore di DMA dell'indirizzo di memoria centrale da cui scrivere i dati trasferiti 3: caricamento nel registro di dato del controllore di DMA della condizione di fine: o il numero di word da trasferire 4: abilitazione di quella periferica a lanciare interruzioni, alzando l'apposito bit del suo registro di stato 5: dichiarazione della posizione di memoria in cui si trova il programma di servizio di quella interruzione, inserendo l'indirizzo nel vettore delle interruzioni 6: istruzione di avvio del trasferimento: o il programma ha un'istruzione di attesa - il calcolatore si ferma ad aspettare che la periferiferica abbia trasferito tutti i dati, senza poter fare niente - o ha un'istruzione di trap verso il sistema operativo - il sistema operativo cede il controllo della CPU ad altri programmi finchè non arriva l'interruzione di fine trasferimento - quando l'interruzione di fine trasferimento arriva, o finisce l'attesa o arriva un'istruzione di trap al sistema operativo che decide se far ripartire il programma 7: parte restante del programma è un metodo pensato per liberare la CPU dall'incombenza di gestire lo scambio di dati fra periferiche e calcolatore: la differenza con gli altri due metodi, infatti, sta nell'inviare una interruzione non per ogni word trasferita, ma per ogni blocco di word trasferito; in questo modo la CPU non deve eseguire un'istruzione di move da un indirizzo ad un altro per ogni dato da scambiare. Questo è possibile perchè alle periferiche viene permesso di accedere alla memoria centrale direttamente, senza l'intervento della CPU. Ciò è possibile solo tramite un opportuno circuito detto controllore di DMA, unico e a cui si possono collegare più feriferiche e che è a sua volta collegato al bus. Questo componente ha almeno tre registri, che vengono usati al posto dei registri delle periferiche: un registro di stato, un registro contatore di indirizzo, un registro contatore di dato. Il programmatore assembly specifica, tramite un opportuno bit del registro di stato, se la periferica deve leggere o scrivere sulla memoria centrale. Specifica quindi nel registro contatore di indirizzo l'indirizzo di partenza della memoria centrale, su cui leggere o scrivere. Nel registro contatore di dato mette il numero delle informazioni da leggere o scrivere, ovvero il numero di celle di memoria da usare. Avvia quindi il trasferimento alzando un opportuno bit nel registro di stato. Eseguite queste istruzioni, la CPU non viene più chiamata in causa e può svolgere altri compiti. Durante il trasferimento, il registro contatore di indirizzo viene incrementato ed il registro contatore di dato decrementato. Quando il registro contatore di dato arriva a zero, la periferica segnala la fine del trasferimento alzando un opportuno bit del registro di stato per mandare un'interruzione alla CPU.
Alla luce di quanto sinora scritto, appare evidente che il metodo del DMA non è trasparente al programmatore assembly: egli deve correttamente impostare il controllore di DMA quando scrive il sistema operativo.
Un'altra importante cosa da notare è che il registro contatore d'indirizzo svolge le veci del program counter della CPU. L'unica differenza è che il PC è un contatore preselezionabile, mentre il registro della periferica non è preselezionabile.
Ci si potrebbe chiedere come fa il controllore di DMA a colloquiare con la RAM se in quel momento il BUS è già occupato dalla CPU. Ebbene, esso sfrutta i buchi di tempo in cui la CPU non utilizza il bus. Come già visto, infatti, l'esecuzione di istruzioni da parte della CPU implica tre fasi distinte: caricamento, decodifica o elaborazione della micromacchina, esecuzione. Durante la decodifica o elaborazione della micromacchina, la CPU sicuramente non usa il BUS. Questo potrebbe accadere anche durante l'esecuzione, dipende dal tipo di istruzione. E' in queste fasi che il controllore di DMA può usare il bus. Il tutto è comunque gestito dall'arbitratore del BUS.
Il metodo del DMA viene usato solo per le periferiche che scambiano grandi quantità di dati col calcolatore. Ciò avviene a causa del suo costo sia hardware (la costruzione), che software (imostazione dei suoi tre registri). Inoltre, se le periferiche che utilizzano un controllore di DMA fossero troppe, si avrebbe la saturazione del bus, ovvero gli spazi lasciati liberi dalla CPU non sarebbero sufficienti per accontentare tutti i richiedenti, ottenendo un'esplosione dei tempi di attesa.

7. ALTRO

7.1 Introduzione

ALU, CU, memoria centrale e I\O sono le unità logicamente essenziali per le macchine di Von Neumann.
Tramite queste si possono fare tutte le operazioni che un computer sa fare.

Spesso, però, a queste unità logiche essenziali, vengono affiancate altre unità, specializzate in vari compiti.
Tali unità non sono più logicamente essenziali, visto che i compiti che esse svolgono potrebbero essere svolti anche soltanto da ALU, CU, memoria centrale e I\O via software (ovvero combinando varie istruzioni per eseguirli).
Ad es.: la ALU non sa calcolare direttamente il prodotto di due numeri, ma per fare un prodotto basta fare una serie di somme, cosa che la ALU sa fare. Basta quindi scrivere un programma che faccia ciò. Ad es.: per operare con numeri di lunghezza doppia al normale basta spezzare manualmente questi numeri su due word.
Vengono tuttavia aggiunte perchè velocizzano queste operazioni, dato che sanno eseguirle direttamente, con una sola istruzione - via hardware, come si dice - perchè hanno circuiti in grado di farlo.

Di queste unità aggiuntive vedremo soltanto l'unità aritmetica.

7.2 AU (Unità Aritmetica)

L'unità aritmetica (altrimenti detta coprocessore aritmetico o unità a virgola mobile) si occupa di moltiplicare e dividere numeri interi, nonchè di operare sui numeri reali rappresentati in virgola mobile e sui numeri in lunghezza doppia (lunghi due word anzichè una).