elaborazione sequenziale di un programma residente in memoria

CPU: Central Processing Unit, o processore, consta di:

• Unità di Controllo: coordinamento dell'esecuzione
• Unità Aritmetico-Logica (ALU): esecuzione di operazioni
• registri: celle di memoria ad accesso veloce (∼ 1 ns)
• memoria cache (nelle architetture odierne)

memoria: ospita il programma in esecuzione e i dati

bus: canale veloce di comunicazione (throughput : ∼ 100 MB/s)

architettura Von Neumann

registri, due categorie:

generici: per gli operandi di operazioni dell'ALU

• N.B.: l'ALU non accede al bus
• →   anche l'esecuzione di una semplice operazione, su dati
        in memoria, richiede l'intervento dell'Unità di Controllo

speciali: di pertinenza dell'Unità di Controllo:

• PC: Program Counter
  • contiene l'indirizzo di un'istruzione
• IR: Instruction Register
  • contiene l'istruzione corrente
• SP: Stack Pointer
  • contiene un indirizzo nella pila di sistema

linguaggio macchina: insieme delle istruzioni accettate dalla CPU, in una data codifica

formato binario delle istruzioni:

• codice operativo, eventuali operandi

• lunghezza: fissa o variabile

due tipologie di linguaggi macchina (e di architettura della CPU):

• RISC: Reduced Instruction-Set Computer
• CISC: Complex Instruction-Set Computer
  • concetto: microprogramma

classificazione del repertorio di istruzioni macchina:

• gruppo di trasferimento dei dati (include istruzioni di I/O)
• gruppo logico/aritmetico
• gruppo di controllo

comunicazione mediante controller

• un controller presiede alla comunicazione fra il sistema CPU+memoria e dispositivi periferici di uno stesso tipo (stampanti, dischi, monitor, etc.)
• usualmente è una scheda alloggiata in una slot della scheda madre (ingl. motherboard ), attraverso cui accede al bus
• spesso dispone di propria memoria e unità di controllo (progettata ad hoc per il tipo di dispositivo periferico)

memory-mapped I/O : comunicazione CPU-controller mediante istruzioni di trasferimento dati a indirizzi riservati (porte di I/O )

• STORE: CPU → controller
• LOAD: controller → CPU

DMA (direct memory access):

• trasferimento di blocchi di dati direttamente fra memoria e controller,
  senza intervento della CPU

bps (bits per second): velocità di trasferimento dei bit fra due dispositivi

• multipli usuali: Kbps, Mbps, Gbps, etc.
• capacità o larghezza di banda (bandwidth) di un canale di comunicazione: massima velocità di trasferimento dei bit fra due dispositivi attraverso il canale

tipi di canale di comunicazione:

• seriale: trasferimento sequenziale, un bit alla volta
  (più semplice, più lenta)
• parallela: trasferimento simultaneo di più bit su linee fisiche distinte
  (più complessa, più rapida)

modem (modulatore-demodulatore):

• dispositivo di conversione e riconoscimento dei bit nella/dalla rappresentazione in toni di frequenza in uso nei canali telefonici

architettura biprocessore:

• si accelera l'esecuzione di un programma sequenziale sfruttando l'alternanza, nel ciclo macchina, di:
• fasi in cui la CPU accede al bus:
  prelievo, esecuzione di un'istruzione di trasferimento dati
• fasi in cui la CPU non accede al bus:
  decodifica, esecuzione di un'istruzione logico/aritmetica

con due processori in pipeline ("incanalati") si anticipa il prelievo dell'istruzione successiva (pre-fetch ) da parte di uno dei due, mentre l'altro decodifica l'istruzione corrente

• ciò è sempre efficace, tranne quando l'istruzione corrente è una istruzione di controllo, la cui esecuzione altera la sequenza di esecuzione rispetto a quella di memorizzazione

la limitata capacità del bus ne fa il collo di bottiglia dell'architettura Von Neumann

le architetture multiprocessore risultano efficaci all'accelerazione dell'esecuzione di algoritmi paralleli, grazie anche alla disponibilità di più canali di comunicazione delle istruzioni e/o dei dati

architetture sincrone:

• SIMD :Single Instruction, Multiple Data
• MIMD :Multiple Instruction, Multiple Data

architetture asincrone:

• cluster ("grappolo") di processori, ciascuno con propria memoria locale, che cooperano attraverso opportuni protocolli, ad es. MPI: Message Passing Interface

1. Architettura di calcolo e dissipazione termica
   La complessità dell'architettura di una CPU spesso, ma non sempre, comporta maggiore consumo energetico e dissipazione termica. Può essere interessante approfondire le cause principali di inefficienza energetica di un'architettura di calcolo.
2. Microprogrammazione e RISC
   La tecnica della microprogrammazione è stata inizialmente proposta già nel 1957, da Maurice Wilkes, ma non risultò di impiego pratico con le tecnologie dell'epoca. In seguito, invece, già dagli anni '60, l'idea trovò largo impiego, nel progetto di architetture CISC come pure di controller sofisticati. Si può indagare ulteriormente l'argomento per approfondire, ad esempio, perché la microprogrammazione non sia adatta alle architetture RISC, e quali siano le tecniche impiegate con più vantaggio in queste architetture.

1. Bus di comunicazione con dispositivi periferici
   La crescente varietà di dispositivi periferici per le funzioni più disparate ha fatto emergere l'esigenza di una standardizzazione dei canali di comunicazione fra controller e dispositivi periferici. Una ricognizione sugli standard più diffusi, quali SCSI, IDE, USB, può essere utile.
2. Supercomputers
   Questo termine designa sistemi di calcolo di altissime prestazioni. Naturalmente, le cifre prestazionali sono relative al periodo storico: le prestazioni di un supercomputer degli anni '60 non distano molto da quelle di un PC odierno, mentre i supercomputer attuali possono constare di decine di migliaia di processori operanti in parallelo. Può essere interessante esplorare lo stato dell'arte nel settore e alcune applicazioni di questi "mostri".