Nicola Cavallo  

Architettura degli elaboratori

A.A. 2004-2005

AVVISO IMPORTANTE

Le trasparenze, frutto di un’attiva collaborazione con i proff.  F. Cevenini e G .Spadaccini dell’Università di Napoli, non sono da intendersi assolutamente come un libro di testo.

Per quanti sforzi si siano compiuti al fine di rendere il filo logico quanto più trasparente ed omogeneo, esse sono e restano un complemento indispensabile solo durante le lezioni frontali.

Descrizione del Corso

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Scopo del Corso

Il corso si propone di introdurre l'architettura di un elaboratore, mettendo in luce sia le varie componenti sia le scelte progettuali e le tecniche implementative attraverso i seguenti argomenti: Rappresentazione e trasmissione delle informazioni. Algebra di Boole. Reti combinatorie e sequenziali. Cenni sugli automi a stati finiti. Unità di elaborazione logico-aritmetica ed architettura di un computer minimale. Memorie, bus, dispositivi di I/O.

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Prerequisiti

Nessuno

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Propedeuticità

Nessuna

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Programma del Corso

Introduzione alle informazioni in forma digitale

Concetto di comunicazione ed informazione. La rivoluzione digitale e l’ICT. Breve storia dell'elaboratore elettronico. Visione generale dei componenti di un computer. Fattori di progresso nello sviluppo degli elaboratori. Impatto delle nuove tecnologie. La rivoluzione digitale. Differenza tra segnali analogici e digitali. Architettura della macchina digitale. Livelli logici e forme d’onda digitali.

Rappresentazione e trasmissione delle informazioni

Informazione e rappresentazione dell’informazione.  Codifica. Codici, alfabeti, grammatiche. Rappresentazione dei numeri naturali in diverse basi e conversione da una base all'altra. Rappresentazione e Aritmetica degli  interi. Rappresentazione e Aritmetica dei numeri reali. Standard IEEE. Rappresentazione di caratteri alfanumerici. Codifica delle immagini. 

Trasmissione dell’informazione. Mezzi trasmissivi. Canale. Ridondanza dell'informazione. Rumore elettronico.  Rilevazione e correzione degli errori.

Algebra di Boole

Definizione e proprietà degli operatori booleani.  Modelli dell’algebra di Boole: algebra delle classi.  algebra dei divisori, algebra delle commutazioni, algebra degli interruttori, algebra delle porte.  Espressioni ed equivalenza di espressioni Booleane. Teoremi dell’algebra di Boole. Funzioni ed espressioni booleane. Rappresentazioni canoniche. Tecniche per la semplificazione di espressioni booleane in forma canonica.  Mappe di Karnaugh.

Reti logiche, reti combinatorie, reti sequenziali e cenni sugli Automi a stati finiti

Concetto di rete logica come elemento di sistema. Codifica elettrica degli elementi dell'algebra booleana.  Funzioni logiche ed interruttori. Definizione  delle reti combinatorie. Introduzione ai circuiti sequenziali. Il flip-flop come elemento di memoria. Concetto di "sincronizzazione" di un dato.  Reti sequenziali sincrone.  Generazione e distribuzione di segnali di clock.  Registri a scorrimento. Equazione e descrizione di un automa.  Diagramma degli stati.  Tabella di flusso. Definizione di automa di Mealy e di automa di Moore e trasformazioni. Esempi di automi più complessi.

Dispositivi di memoria

Celle elementare di memoria. Operazioni sulla memoria e segnali di servizio. La famiglia delle ROM e delle RAM. Banchi di memoria schema a blocchi e schema funzionale. Meccanismi di selezione multiplexing delle uscite con "buffer tristate". Tipi speciali di memorie (FIFO, LIFO, memory stack, CCD). Dispositivi programmabili (PLA, PAL, PLS).

Elaborazioni logico-aritmetiche e sistemi di elaborazione

Tecniche di trasferimento dati tra registri. RTL - “Register Transfer Language”, Reti per microoperazioni. ALU - “Arithmetic Logic Unit”. Unità operativa ed unità di controllo.Sviluppo dell’istruzione. Operazioni semplici (microoperazioni).. Schemi ed esempi di reti che implementano microoperazioni aritmetiche, logiche e di scorrimento. ALU. Operazioni complesse: definizione. Esempi. Controllo di piccoli sistemi. Separazione di parte controllo e parte operativa. Esempi di sistemi di elaborazione microprogrammati.  Esecuzione delle istruzioni in un sistema a controllo microprogrammato.

Architettura di un computer minimale: La “macchina di Morris Mano”

Compiti del processore, linguaggio macchina, formato d’istruzione, indirizzamento diretto ed indiretto, registri della CPU.  Caratteristiche dei registri, bus di collegamento, Repertorio di istruzioni, completezza del set di istruzioni, temporizzazione e controllo, cicli di istruzione, configurazione di ingresso e di uscita, istruzioni di ingresso/uscita, interruzione di programma. Descrizione globale della macchina. Logica di controllo.

La memoria cache

Concetto di memoria cache. Architetture (look aside e look through). Regole di accesso ("write back" e "write through"). Organizzazione. Modalità di indirizzamento. Algoritmi di sostituzione.

Strutture e protocolli dei bus

Introduzione al concetto di bus.  Linee indirizzi, linee dati e linee di controllo e temporizzazione; protocollo del bus, transazioni.  Bus paralleli e bus seriali, Bus sincroni ed asincroni. Esempio di un bus di un microprocessore semplice.

Evoluzione delle architetture

Il problema della velocità e delle performances. I primi microprocessori. Instruction Set Architeture. Macchine CISC e RISC. Architetture superscalari.

Struttura “pipeline”

Il concetto di catena di montaggio, tempo di esecuzione e frequenza di completamento delle istruzioni (troughput).  Stadio della pipeline e buffer interstadio.

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Testi consigliati

Il libri di testo che verranno seguiti per la maggior parte degli argomenti del corso delle lezioni sono:

	William Stallings  Architettura e organizzazione dei calcolatori (La struttura del calcolatore, metodi di progetto e prestazioni) Jackson Libri - Università, 2001

Da integrare, a seconda delle indicazioni, con riferimenti ed esempi tratti dai testi seguenti:

·        M. D. P. Bovet, “Introduzione all'architettura degli elaboratori”, Zanichelli, Bologna 1996.

·        V.C. Hamacher ed altri, “Introduzione all'architettura dei calcolatori”, McGraw-Hill Libri Italia srl, Milano, 1997.        

·        N. Carter, “Architetture degli elaboratori”, McGraw-Hill, 2002

·        D. A. Patterson e J.L. Hennessy, “Struttura, organizzazione e progetto dei calcolatori”, Jackson Libri, 1999.

·        J.L. Hennessy,  D. A. Patterson “Architettura dei computer: un approccio quantitativo" Jackson Libri, 2001.

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Esercitazioni

Il corso di Architettura degli elaboratori é affiancato da una serie di esercitazioni in aula.

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Frequenza al corso

La frequenza al corso non é obbligatoria ma é ritenuta di importanza essenziale per l'apprendimento dei concetti fondamentali e per acquisire la necessaria manualità nella risoluzione degli esercizi che costituiranno le due prove scritte di esonero.

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Esame

L'esame consta (a) di una prova scritta, costituita da test e/o risoluzioni di esercizi, riguardanti gli argomenti trattati nel corso delle lezioni, e (b) una  prova orale.

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Ricevimento degli studenti