|
Il ciclo macchina Il ciclo macchina è il funzionamento di una CPU che:
Il ciclo macchina è suddivisa in quattro parti:
Ogni ciclo macchina viene eseguito molto velocemente e in maniera ciclica a con altri cicli macchina, fino a un reset. Il reset indica l'azzeramento di un elemento, per riportare il processore a una condizione iniziale di Fetch. Il reset significa porre a zero (0). Il set che indica porre a uno (1). Fetch dell’istruzione Il Fetch significa prelevamento изъятие e identifica la fase in cui la CPU deve trovare l’istruzione da eseguire. In questa fase la CPU deve dialogare con la memoria RAM per ottenere il codice macchina dell’istruzione da eseguire. Il prelevamento avviene in questo modo:
Decode dell’istruzione La fase di deсode e’ una fase interna alla CPU durante la quale avviene l’interpretazione dell’istruzione e la preparazione dei dispositivi necessari. In questa fase:
Fetcli degli operandi Ketch degli operandi un’operazione di lettura, dalla memoria o da un registro. Execute dell’istruzione Nella fase di execute la Control Unit invia segnali che rappresentano opportuni comandi per l’esecuzione. L’esecuzione di ogni istruzione da parte della CPU:
La memory dump mostra 8 celle per ciascuna riga. La memory dump identifica lo stato in cui si trovano le celle della memoria in un determinato momento. Mostra il corrispettivo ASCII del contenuto della singola cella di memoria. L’ esempio guardare al libro pag 16 Nella figura a lato è rappresentato il “tipico” data path per una CPU: Il data path è una sezione della CPU che raggruppa L’ALU e i registri. Il ciclo di data path è il passaggio di due operandi attraverso L’ALU e la memorizzazione del risultato in un nuovo registro. Ogni istruzione viene eseguita in uno o più cicli data path, per esempio una divisione necessita di molti cicli per la sua esecuzione. La velocità con cui viene compiuto un cielo di data path determina la velocità della CPU. Ogni ciclo macchina è controllato da un temporizzatore clock. Un temporizzatore clock è un oscillatore al quarzo che emette segnali a intervalli di tempo regolari. Il numero di cicli macchina eseguiti in un secondo di tempo prende il nome di Hertz (Hz). Hertz = 1 ciclo al secondo, UHertz = 1000 cicli al secondo, MHertz = 1 milione di cieli al secondo, GHertz = 1 miliardo di cicli al secondo. Ogni singola istruzione elementare richiede generalmente più di un ciclo macchina e più di un ciclo di clock.
Il clock sincronizza l'esecuzione di tutte le operazioni della CPU e non solo. Nella formula seguente T è il periodo con cui si ripete il segnale periodico con frequenza: f = 1/T Hz. L’architettura interna della CPU Nello schema, oltre alla memoria centrale (RAM), possiamo individuare i seguenti elementi funzionali della CPU:
Il BUS è un insieme di linee, ciascuna delle quali in grado di trasmettere un bit di informazione tra due elementi elettronici. Il segnale che viene trasferito è di tipo logico, secondo la codifica binaria di un'informazione. Il BUS interno e’ un BUS che collega tutti gli elementi che fanno parte della CPU; nello schema sono individuabili dal colore nero delle frecce. Si tratta di un BUS generalmente di controllo, senza distinzione tra dati e indirizzi. I registri interni Un registro è paragonabile a una lavagna sulla quale viene scritta un’informazione per un breve periodo di tempo. Per memorizzare un'informazione per un periodo più lungo può essere usata una cella di memoria, paragonabile a un quaderno o a un blocco note. Diversamente dalle celle di memoria i registri non possiedono un indirizzo ma un nome specifico. Due tipi di registri:
Di seguito sono illustrati i registri interni non accessibili dal programmatore. Il registro è una particolare cella di memoria contenuta all'interno della CPU.
MDK (Memory Data Resister) è un registro interno collegato direttamente al BUS dati attraverso un buffer bidirezionale tri-state . Buffer bidirezionale tri-state è un circuito in grado di colleggare due componenti elettronici in due direzioni. Il tri-state è in grado di rappresentare oltre i due stati binari tradizionali (0 e 1) un terzo stato chiamato alta impedenza. II registro non è visibile al programmatore e contiene i dati che la CPU vuole inviare o ricevere dalla memoria o dai dispositivi di I/O. Il registro MDK è una sorta di memoria di transito dove vengono immagazzinati temporaneamente tutti i dati scambiati con la memoria, prima di essere smistati presso gli altri registri interni. MAR (Memory Address Resister) è un registro interno collegato direttamente al BUS indirizzi.
IR (Instruction Resister) è il registro interno che riceve il codice operativo dell’istruzione prelevata durante la fase di fetch.
Il modello di programmazione Il modello di programmazione è l’insieme degli elementi accessibili al programmatore, in generale tramite il linguaggio assembly e l’ambiente di debug.
PC (Program Comiuter) è un registro interno accessibile parzialmente dal programmatore che lo può usare per modificare il flusso sequenziale del programma.
PSW (Process Status Word) è registro interno, chiamato anche registro delle flag (bandiere), non ha un significato nel suo complesso;
Le flag principali: ZERO (ZF): contiene 1 (true) quando il risultato dell’operazione è uguale a 0, mentre contiene 0 (false) quando il risultato dell’operazione è diverso da 0. Nei linguaggi evoluti di programmazione la condizione diventa a livello di linguaggio macchina CARRY (CF): viene utilizzato per due diverse ragioni: verificare se un elemento è maggiore o minore di un altro, oppure verificare se un numero non può essere contenuto in un registro. OVERFLOW (OF): contiene true quando il segno del risultato dell’ultima operazione aritmetico-logica discorda dal segno degli operandi, cioè quando per esempio il prodotto di due numeri negativi ha un nuovo valore negativo. I PARITY (PF): contiene true quando nel risultato dell’ultima operazione aritmetico-logica il numero di bit a 1 del risultato è pari. Viene usato negli algoritmi di comunicazione per la gestione degli errori di comunicazione. I SKìN (SF): contiene true quando il risultato dell’ultima operazione aritmetico-logica è negativo. I registri generali I registri generali sono registri non specializzati, destinati a ospitare temporaneamente i dati in corso di elaborazione:
CU (Control Unit) è il blocco che invia i comandi esecutivi all’ALU in base alla decodifica dell’istruzione, e decide l’incremento dell’indirizzo di memoria contenuto nel registro PC in modo da predisporsi all’esecuzione dell’istruzione. ALU è il blocco che esegue le trasformazioni sui dati.
ALU (Arithmetic Louie Unit) l’ALU è la parte della CPU dedicata alle operazioni aritmetiche e logiche: poiché tutte le istruzioni e i dati sui quali opera sono codificate in forma numerica (binaria), in realtà tutte le elaborazioni devono passare attraverso l’ALU. ■ Le architetture RISC c CISC Le due tecnologie per la costruzione di microprocessori sono:
I processori costruiti secondo l’architettura CISC hanno un numero elevato di istruzioni diverse, di tipo anche complesso:
CPU сon architettura CISC ha:
Per eseguire le istruzioni è necessario:
I processori CISC più conosciuti sono la famiglia di CPU della Intel: 80286, 80386, 80486, Pentium, Celeron. I processori costruiti secondo l’architettura RISC hanno la forte riduzione del numero di istruzioni:
Il fine principale della struttura RISC è quello:
Lo svantaggio della tecnologia RISC è:
Attualmente diffondono tecnologie ibride CISC/RISC, come quella dell'architettura Nehalem (IntelCore). `Il core del processore Il Core rappresenta il nucleo o nocciolo della CPU, cioè il vero e proprio “nucleo elaborativi”, tutto il resto della CPU è rappresentato dal package, o guscio, che lo contiene. Il nucleo è collegato elettricamente al contatto che messo nel socket. Dall’anno 2005 circa, i produttori di processori (Intel e Amd) hanno capito che non possono più innalzare le frequenze operative dei propri processori, e hanno deciso di usare più nuclei nello stesso package, chiamate MuItiCore A re hi tee tu res:
Nel 2007 a 4 core (QuadGore) e dal 2010 i nuclei diventano 8 con la tecnologia Intel i7. Se confrontiamo la CPU Pentium 4 (3.00 GHz) con il Core 2 Duo E6600 (2.4 GHz), vediamo che il Core2 ha prestazioni migliori: possiede una frequenza di clock inferiore, ma un doppio nucleo (Dual Core), cioè può risolvere due calcoli per volta, a differenza del Pentium 4, grazie al parallelismo della sua architettura. I Tuttavia è bene ricordare che le frequenze di clock dei diversi Core della stessa CPU non possono essere sommate. Infatti la CPU E6600 non elabora a 5.8 GHz, ma sono i due Core che elaborano ciascuno a 2.4 GHz. La CPU nel personal computer La CPU si trova sulla motherboard. Il motherboard mette in comunicazione:
La CPU non è presente in questo schema in quanto può venire montata sull’apposito alloggiamento, in questo caso di tipo Socket ZIF. ZIF (Zero Insertion Force) è un alloggiamento particolare nel quale non è necessario usare la propria forza per collocare la CPU in questa sede. Per facilitare il suo inserimento viene usata una piccola leva che, una volta sollevata, permette l'inserimento del processore senza alcuna pressione e, una volta riabbassata, mantiene il processore sul suo supporto. Due tipologie di alloggiamenti per CPU
NorthBridge e SouthBriclge Il Ghipset è un supporto che collega la CPU e le varie periferiche, è formato da due diversi circuiti integrati :
II bridge collega i diversi componenti con motherboard. Al NorthBridge sono affidate le relazioni verso le periferiche più veloci come:
NorthBridge:
Al SouthBridge, ICH (I/O Controller Hub), spetta lo scambio dati con tutto il resto:
Un BUS denominato ISB (Internai Side BUS) collega i due chipset tra loro. FSB è il BUS che trasporta i dati tra la CPU e il chipset NorthBridge. È formato:
ISB è il BUS che trasporta i dati tra il chipset NorthBridge e SouthBridge. LPC (Low PinOut Controller) è il BUS che collega il chipset SouthBridge con alcuni dispositivi lenti come:
BSB (Back side BUS) è il BUS che collega la CPU con la memoria Cache di secondo livello (L2), I Recentemente i costruttori di microprocessori si stanno orientando per cablare nella CPU anche questi circuiti, per esempio il processore Core i7, contiene un circuito che gli consente di gestire direttamente la memoria RAM. La bandwidth (banda passante) è la velocità con la quale la CPU trasmette i dati al northbridge. La bandwidth (banda passante) si calcola: moltiplicando i byte della dimensione del BUS del processore per la frequenza di clock (cicli al secondo) per il numero di data transfer a ogni ciclo. Per esempio, un sistema con:
possiede una bandwidth di: 2 (byte) x 100 (FSB) x 2 (tc) = 400 MB/s (Megabyte al secondo). |
|
 |
|
 |
II clock è un circuito di temporizzazione che permette di generare un segnale a onda quadra caratterizzata da una particolare frequenza. Si tratta di un segnale che commuta continuamente i circuiti da un livello basso a uno alto, molti milioni di volte al secondo. Un tipico segnale di clock:
Se il risultato della sottrazione ò zero significa che i due elementi (a e b) sono uguali, pertanto ZF viene attivato ( 1 ). Per evitare confusione conviene usare true (vero) e false (falso) senza usare i termini 1 e 0.
