Architettura e organizzazione di un calcolatore

Architettura e organizzazione

Una famiglia di processori condivide la stessa architettura con organizzazioni diverse (più o meno veloci e costose): un programma scritto per un modello gira sugli altri. Il vincolo della retrocompatibilità (x86 dal 8086 di fine anni '70 ai processori attuali) pesa molto sulle scelte di progetto.

Struttura e funzione

Un calcolatore è un sistema gerarchico: a ogni livello si descrivono la struttura (come i componenti sono collegati) e la funzione (che cosa fa ciascun componente).

Quattro funzioni di base: elaborazione dei dati, memorizzazione, trasferimento (da e verso l'esterno: I/O se il dispositivo è vicino, comunicazione se è lontano), controllo delle altre tre.

Quattro componenti al livello più alto:

Dentro la CPU: unità di controllo (coordina e temporizza), ALU (esegue le operazioni), registri (memoria interna velocissima), interconnessione interna (vedi Struttura interna della CPU e registriComponenti interni della CPU (ALU, unità di controllo, banco dei registri, bus interno); registri visibili all'utente e registri di controllo e stato; flag e parola di stato (PSW) con bit di supervisore; quanti registri conviene avere; segmentazione della memoria.Struttura interna della CPU e registri →).

Macchina di von Neumann

I primi calcolatori (ENIAC, 1946) si programmavano cambiando i collegamenti: programma cablato. L'idea di von Neumann è un hardware generico che esegue operazioni diverse a seconda dei segnali di controllo ricevuti, e di scrivere questi comandi come istruzioni memorizzate in memoria insieme ai dati (programma memorizzato).

Caratteristiche:

1. dati e istruzioni nella stessa memoria, scrivibile e leggibile;
2. la memoria è indirizzata per posizione, indipendentemente dal contenuto;
3. le istruzioni si eseguono in sequenza, salvo salti espliciti.

Il prototipo è l'IAS (Princeton, completato nel 1952): 1000 parole di 40 bit; ogni parola contiene un numero oppure due istruzioni da 20 bit (8 bit di codice operativo + 12 bit di indirizzo, $2^{12} = 4096 \ge 1000$). Registri: PC, IR, MAR, MBR, accumulatore AC e MQ. Il funzionamento è il Ciclo fetch-executeRegistri PC, IR, MAR e MBR; ciclo dell'istruzione diviso in fetch ed execute; i quattro tipi di operazioni; diagramma degli stati del ciclo con calcolo degli indirizzi degli operandi e controllo delle interruzioni; esempio su una macchina ad accumulatore.Ciclo fetch-execute →.

Evoluzione tecnologica

Legge di Moore: il numero di transistor integrabili su un chip raddoppia a intervalli regolari (circa ogni 18–24 mesi). Componenti più piccoli e vicini significano segnali che percorrono distanze minori (sono limitati dalla velocità della luce), quindi clock più alti, consumi minori per operazione e costo minore.

Esempi di scala: Intel 4004 (1971) circa 2300 transistor a 108 kHz; 8086 (1978) circa 29 000 transistor a 5–10 MHz; i processori multicore attuali superano il miliardo di transistor.

Errori tipici

• Considerare "architettura" la tecnologia della memoria o il tipo di sommatore: sono scelte di organizzazione.
• Pensare che von Neumann significhi "memoria separata per il programma": è il contrario (la separazione è l'architettura Harvard, usata oggi per le cache L1 istruzioni/dati).