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Programma dettagliato del corso di Architetture degli Elaboratori II

Prof. Annalisa Massini - a.a. 2003-04

Richiami su moduli combinatori: decodificatore, codificatore, transcodificatore; multiplexer, demultiplexer, mux-demux per la trasmissione delle informazioni. Half-adder, full-adder, addizionatore a propagazione di riporto. Rappresentazione in complemento a 2, intervallo di rappresentazione, come trovare l'opposto di un numero. Addizionatore a propagazione di riporto per la somma algebrica tra numeri nella rappresentazione in complemento a 2. Overflow e underflow nella somma tra numeri nella rappresentazione in complemento a 2. Comparatore logico e comparatore aritmetico. Richiami su moduli sequenziali: flip-flop; contatori sincroni e asincroni, contatore preselezionabile, uso di contatori; registri di memorizzazione; registri a scorrimento, uso di registri a scorrimento: scorrimento logico e scorrimento aritmetico, trasmissione dell'informazione. Considerazioni sull'interconnessione di registri tramite bus e tramite mux-demux.

Introduzione storica alle attuali architetture dei calcolatori. Architettura di Von Neumann: descrizione, componenti principali, concetti di base. La CPU (Central Processing Unit): descrizione, funzione e moduli (UnitÓ Aritmetico-Logica o ALU, UnitÓ di Controllo o CU, registri). Caratteristiche di un'unitÓ aritmetico-logica: linee di entrata e linee di uscita; significato dei bit del codice di condizione. Esempio di costruzione di una semplice unitÓ aritmetico-logica dotata di un sommatore e tre linee di funzione. Descrizione dell'unitÓ di controllo: principali moduli presenti nella CU e loro compiti (Contatore di Programma PC, decodificatore di istruzione, codificatore di comandi, registri). Funzionamento dell'unitÓ di controllo.

Formato di un'istruzione. Fasi di esecuzione di un'istruzione: caricamento, decodifica ed esecuzione; moduli coinvolti in ogni fase.

Registri ad uso generale: caratteristiche ed uso. Registri ad uso speciale: caratteristiche ed uso; tipologie di resistri: accumulatori, registri indice e puntatori (Contatore di Programma, PC, e puntatore alla pila, SP), registri di condizione (registro di stato SR e registro degli errori).

Pila o stack: descrizione,uso e funzione; politica di inserimento e reperimento dati; istruzioni di PUSH e POP; considerazioni sull'esecuzione di chiamate a subroutine annidate.

Memoria: descrizione e specifica delle linee di ingresso e di uscita. Accesso ad una locazione di memoria e limitazioni poste dal decodificatore di indirizzi. Organizzazione della memoria ottenuta spezzando l'indirizzo in byte. Organizzazione della memoria ottenuta spezzando l'informazione su pi¨ moduli di memoria. Considerazioni sul bus. Considerazioni su moduli di I/O.

Classi di istruzioni: trasferimento dati, aritmetiche e logiche, comando, salto, (ingresso e uscita). Considerazioni sul repertorio di istruzioni di un calcolatore e sue ripercussioni sull'architettura. Referenziamento implicito e referenziamento esplicito. Motivazioni all'introduzione di varie tecniche di indirizzamento. Riconoscimento della modalitÓ di indirizzamento da parte della CPU. ModalitÓ di indirizzamento: immediato - caratteristiche, vantaggi e svantaggi; assoluto o diretto - vantaggi e svantaggi; indiretto - vantaggi e svantaggi; mediante registro - vantaggi e svantaggi; indiretto mediante registro - vantaggi e svantaggi; differito indiretto - vantaggi e svantaggi; mediante traslazione (o spiazzamento) - caratteristiche, i tre tipi: relativo, con registro base e indicizzato, vantaggi e svantaggi di ognuno. Dagli indirizzamenti per traslazione al Position Independent Code (PIC). Caratteristiche delle istruzioni macchina: passi necessari all'esecuzione di un'istruzione; elementi di un'istruzione macchina; numero di indirizzi in un'istruzione; progettazione dell'insieme di istruzioni; tipi di operandi (numeri, caratteri, dati logici).

Ordinamento dei dati in memoria rispetto ai byte: little-endian e big-endian; caratteristiche e ripercussioni sull'architettura. Allineamento dei dati in memoria: parole allineate e non allineate; considerazioni sul reperimento di parole non allineate.

Interruzioni: definizione e classificazione in interruzioni interne, interruzioni esterne e trappole. Caratteristiche e differenze tra le diverse classi di interruzione. Interruzioni rispetto al ciclo di istruzione in un'architettura sequenziale. Azioni eseguite a fronte di una richiesta di interruzione: salvataggio dello stato volatile della macchina e di registri e ritorno dall'interruzione. Interruzioni multiple: mascheramento delle interruzioni e gestione delle interruzione in base alle prioritÓ. Riconoscimento del disposivivo che richiede l'interruzione: metodo a polling o interrogazione software, linee di interruzione multiple, metodo vettorizzato o interrogazione hardware, cenni su arbitraggio dl bus.

Canalizzazione o pipeline delle istruzioni: tecnica della pipeline; suddivisione di un'istruzione in passi; stadio di pipeline; frequenza di operazione o troughput; durata di un ciclo di clock. Esempio di pipeline con suddivisione dell'istruzione in fasi; esempio di pipeline con suddivisione dell'istruzione piu' dettagliata. Vantaggi della pipeline. Situazioni critiche della pipeline: istruzioni di salto e sovrapposizioni di fasi a seconda dele risorse usate. Linguaggio macchina e linguaggio assembler. Assemblatori, collegatori e compilatori. Vantaggi e svantaggi del linguaggio assemblatore. Differenze tra linguaggio assembler e linguaggi ad alto livello. Formato di uno statement in linguaggio assembler e significato dei campi. Parole riservate. Direttive.

Operazioni e considerazioni di progetto dell'unitÓ di controllo. I registri (non essenziali) MAR, MBR, IR: loro contenuto e connessioni. Definizione di micro-operazioni. Sequenza di micro-operazioni per la fase di caricamento. Sequenza di micro-operazioni per la fase di indirizzamento indiretto. Regole per la generazione della sequenza di micro-operazioni: ordine, conflitti e parallelismo. Segnali di controllo in entrata e in uscita ad un'unitÓ di controllo. Esempio di segnali di controllo generati durante la fase di caricamento di un'istruzione. L'unitÓ di controllo come macchina sequenziale. Considerazioni sulla realizzazione di un'unitÓ di controllo a logica cablata. UnitÓ di controllo a logica microprogrammata: microistruzioni, microprogramma, memoria ROM di controllo e micro-PC, schema di funzionamento. Organizzazione della memoria ROM in micro-subroutine. Microprogrammazione orizzontale e microprogrammazione verticale. Moduli interni, connessioni e schema di funzionamento di un'unitÓ di controllo. Vantaggi e svantaggi della microprogrammazione.

Architetture RISC e CISC: considerazioni e caratteristiche delle due classi di architetture. Esempio di formato di istruzione di architettura RISC: PowerPC? (istruzione aritmetica a tre registri, istruzione aritmetica con operando immediato e istruzione caricamento memorizzazione dei registri). Descrizione formato di istruzione di architettura CISC: x86. Una classificazione delle architetture: modello a stack, modello memoria-memoria, modello registri-memoria, modello registro-registro; esempio istruzione ADD per le diverse architetture.

Principali linee in ingresso e in uscita di memoria, modulo di I/O e processore. Struttura del bus di tipo dedicato: caratteristiche ed uso delle linee di dati, linee di indirizzo e linee di controllo. Gerarchie di bus multipli: bus locale, bus di sistema, bus di estensione, bus ad alta velocitÓ. Elementi di progettazione di un bus: tipi di bus; metodi di arbitraggio: centralizzato e distribuito; temporizzazione: sincrona e asincrona; tipi di trasferimenti. Bus PCI: caratteristiche, configurazione, suddivisione delle linee. Bus e interfaccia SCSI: caratteristiche generali; fasi operative e loro ordine. USB: caratteristiche, struttura rete USB.

Moduli di I/O: interfaccia con processore e memoria, interfaccia con dispositivi periferici. Motivazioni e considerazioni sull'uso di moduli di I/O. Schema generale di un dispositivo esterno: componenti e linee in ingresso e in uscita. Funzioni e requisiti di un modulo di I/O: controllo e temporizzazione, comunicazione con il processore, comunicazione con i dispositivi periferici, bufferizzazione dei dati, rilevamento degli errori. Struttura generale di un modulo di I/O: componenti e linee in ingresso e in uscita. Indirizzamento dell'I/O: ingresso/uscita mappato in memoria e ingresso/uscita isolato. Definizione e considerazioni delle tecniche per operazioni di I/O: I/O programmato, I/O con interruzioni, Accesso Diretto alla Memoria (DMA). I/O programmato: azioni del processore e azioni del modulo di I/O. Vantaggi e svantaggi nell'uso dell'I/O programmato. I/O con interruzioni. Esempio di lettura dal punto di vista del modulo di I/O e dal punto di vista del processore. Accesso diretto alla memoria (DMA). Utilizzazione del bus da parte del controllore di DMA. Funzionamento e componenti di un modulo DMA. Organizzazione di una operazione di lettura/scrittura. Evoluzione delle funzionalitÓ di un modulo di I/O. Considerazioni e conclusioni sui moduli di I/O;

Introduzione ai principi e alle motivazioni della gerarchia di memoria. La memoria. Caratteristiche dei sistemi di memoria: locazione, capacitÓ, unitÓ di trasferimento, metodo di accesso (sequenziale, diretto, casuale, associativo), prestazioni (tempo di accesso, tempo di ciclo di memoria, velocitÓ di trasferimento), tipo fisico (a semiconduttore, superficie magnetica, di tipo ottico), caratteristiche fisiche (volatile, non volatile), organizzazione. Memoria a semiconduttore. RAM statica e RAM dinamica: caratteristiche e differenze. Read Only Memory: ROM, PROM, EPROM, EEPROM e Memoria flash. Organizzazione dellla memoria: esempio di memoria DRAM 4 bit per chip; esempio di memoria one-bit-per-chip.

Memoria cache. Caratteristiche e uso, relazione tra linee di cache e blocchi di memoria principale. Elementi di progettazione della cache. Dimensione della cache. Funzione di corrispondenza. Corrispondenza diretta: caratteristiche, vantaggi e svantaggi. Corrispondenza associativa: caratteristiche, vantaggi e svantaggi. Corrispondenza set-associativa: caratteristiche, vantaggi e svantaggi. Algoritmo di rimpiazzamento: LRU, FIFO, LFU, Random. Caratteristiche e confronto tra i diversi algoritmi. Politica di scrittura: tecnica "write through" e tecnica "write back". Osservazioni e conclusioni sulla cache: dimensione di una linea/blocco; organizzazione della cache a due livelli; cache unificate e divise.

La gestione della memoria. Partizionamento: partizioni fisse e partizioni di dimensione variabile. Paginazione: caratteristiche, pagine e frame di memoria, tabella della pagine, indirizzi logici e indirizzi fisici. Memoria virtuale. UnitÓ di gestione della memoria (MMU). Schema di organizzazione e connessione per ottenere la memoria virtuale. Traduzione dell'indirizzo, tabella delle pagine, registro base delle pagine. Errore di pagina. Pagine da rimuovere. Pagine modificate.

Memoria esterna. Disco magnetico. Testina di lettura/scrittura, meccanismo di scrittura, meccanismo di lettura. Organizzazione dei dati su disco. Dischi Winchester. Floppy disk. Dischi RAID. CD-ROM. Nastri magnetici.


AnnalisaMassini - 11 Jun 2004
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