Programma dettagliato del corso di Architetture degli Elaboratori II

Prof. Annalisa Massini - a.a. 2006-07

Introduzione al corso.

Introduzione storica alle attuali architetture dei calcolatori. Architettura di Von Neumann: descrizione, componenti principali, concetti di base.

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, opposto di un numero. Proprietà della rappresentazione in complemento a 2 usate per i circuiti. 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.

Caratteristiche di un'unità aritmetico-logica: linee di entrata e linee di uscita; significato dei bit del codice di condizione. Esempio di costruzione di una semplice unità aritmetico-logica dotata di un sommatore e tre linee di funzione.

Richiami su moduli sequenziali: flip-flop; contatori sincroni, contatore preselezionabile, uso di contatori; registri di memorizzazione; registri a scorrimento, uso di registri a scorrimento: scorrimento logico e scorrimento aritmetico.

Descrizione dell'unità di controllo: principali moduli presenti nella CU e loro compiti (Contatore di Programma PC, decodificatore di istruzione, codificatore di comandi, SR, SP, registri). Funzionamento dell'unità di controllo. Registri ad uso generale. Registri ad uso speciale: Accumulatori, Registri indice e puntatori (PC e SP), Registri di stato (SR), Registro degli errori.

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

Formato di un'istruzione. 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 modalità di indirizzamento da parte della CPU. Modalità 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. Caratteristiche delle istruzioni macchina. Diagramma di stato del ciclo macchina. Numero di indirizzi. Considerazioni di progetto sul repertorio di istruzioni: numero di istruzioni, tipi di dato (numeri, caratteri, dati logici, indirizzi), formato istruzione, modalità di indirizzamento, numero e uso dei registri. 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. Azioni eseguite a fronte di una richiesta di interruzione: salvataggio dello stato volatile della macchina in modo hw, salvataggio di registri in modo sw, ritorno dall'interruzione. Interruzioni e ciclo di istruzione in un'architettura sequenziale. Interruzioni multiple: mascheramento delle interruzioni e gestione delle interruzioni in base alle priorità, un esempio. Riconoscimento del dispositivo esterno che richiede l'interruzione : linee di interruzione multiple, metodo a polling o interrogazione software, metodo vettorizzato o interrogazione hardware con daisy chain e con arbitraggio del bus.

Canalizzazione o pipeline delle istruzioni: tecnica della pipeline; suddivisione di un'istruzione in passi; stadio di pipeline; frequenza di operazione o troughput e latenza; durata di un ciclo di clock. Esempio di pipeline con suddivisione dell'istruzione nelle fasi caricamento, decodifica ed esecuzione. Esempio di pipeline con suddivisione dell'istruzione piu' dettagliata e problemi collegati. Conflitti tra istruzioni: classificazione in conflitti strutturali, conflitti tra dati e conflitti di controllo. Definizione di stallo. Conflitti strutturali: esempi e soluzioni. Conflitti tra dati: esempio, soluzione con il metodo dell'anticipazione.

Considerazioni di progetto dell'unità di controllo. I registri (non essenziali) MAR, MBR, IR: contenuto, connessioni, utilizzazione. Definizione di micro-operazioni. Sequenza di micro-operazioni per la fase di caricamento. Regole per la generazione della sequenza di micro-operazioni: ordine, conflitti e parallelismo. Sequenza di micro-operazioni per la fase di indirizzamento indiretto. Considerazioni sulla sequenza di micro-operazioni per la fase di esecuzione. Segnali di controllo in entrata e in uscita ad un'unità di controllo. Esempio di segnali di controllo generati durante la fase di caricamento di un'istruzione. L'unità di controllo come macchina sequenziale. Considerazioni sulla realizzazione di un'unità di controllo a logica cablata. Unità 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'unità di controllo. Confronto tra realizzazione cablata e microprogrammata.

Architetture RISC e CISC: Definizione, considerazioni e caratteristiche delle due classi di architetture. Esempio di formato di istruzione di architettura RISC: Power PC (istruzione aritmetica a tre registri, istruzione aritmetica con operando immediato e istruzione caricamento/memorizzazione dei registri, istruzione di salto incondizionato). Descrizione formato di istruzione di architettura CISC: x86.

Principali linee in ingresso e in uscita di memoria, modulo di I/O e processore. Caratteristiche ed uso delle linee di dati, linee di indirizzo e linee di controllo. Elementi di progettazione di un bus: tipi di bus, arbitraggio, temporizzazione, ampiezza del bus. Gerarchie di bus multipli: bus locale, bus di sistema, bus di estensione, bus ad alta velocità. Esempi di organizzazione a bus multipli. Un esempio di bus ad alta velocità: PCI.

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 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. Vantaggi e svantaggi nell'uso dell'I/O con interruzioni. Accesso diretto alla memoria (DMA). Utilizzazione del bus da parte del controllore di DMA. Funzionamento e requisiti di un modulo DMA. Evoluzione delle funzionalità di un modulo di I/O: controllori, canali, processori. Interfaccia verso il modulo di I/O: interfacce parallele e seriali. Configurazioni punto-punto e a punti multipli. Esempio di bus esterno parallelo: SCSI. Esempio di bus esterno seriale: [FireWire]. Esempio di bus seriale a bassa velocità: USB.

Caratteristiche dei sistemi di memoria: locazione, capacità, unità di trasferimento, metodo di accesso (sequenziale, diretto, casuale, associativo), prestazioni (tempo di accesso, tempo di ciclo di memoria, velocità di trasferimento), tipo fisico (a semiconduttore, superficie magnetica, di tipo ottico), caratteristiche fisiche (volatile, non volatile), organizzazione. Principi e motivazioni della gerarchia di memoria. Memoria a semiconduttore. RAM dinamica e RAM statica: caratteristiche e differenze. Memorie a sola lettura: ROM, PROM. Memorie principalmente di lettura: EPROM, EEPROM e Memoria flash. Organizzazione dei moduli di memoria nella memoria principale: organizzazione con indirizzo spezzato, organizzazione one-bit-per-chip, multiplexing degli indirizzi e loro combinazioni.

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, corrispondenza associativa, corrispondenza set-associativa); algoritmi di rimpiazzamento (LRU, FIFO, LFU, Random); caratteristiche e confronto tra i diversi algoritmi. Elementi di progettazione della cache: politica di scrittura: tecnica "write through" e tecnica "write back", metodo del bus snooping; dimensione di una linea/blocco; organizzazione della cache a due e a tre livelli; cache unificate e divise.

La gestione della memoria da parte del S.O.: partizionamento: partizioni fisse (della stessa dimensione e di dimensioni diverse) e partizionamento dinamico (partizioni di dimensione variabile); paginazione: caratteristiche, pagine e frame di memoria, tabella della pagine, indirizzi logici e indirizzi fisici; memoria virtuale: paginazione a richiesta. Motivazioni e conseguenze della memoria virtuale. Organizzazione di supporto alla memoria virtuale: unità di gestione della memoria (MMU) e utilizzazione del DMA. Traduzione dell'indirizzo virtuale in indirizzo fisico, tabella delle pagine, registro base delle pagine. Errore di pagina. Problemi di progettazione: dimensione delle pagine, 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. CD, CD-ROM e DVD. Nastri magnetici.

-- AnnalisaMassini - 29 May 2007