Materia:Architetture degli elaboratori: differenze tra le versioni

Si presume che queste lezioni siano indipendenti nella loro stesura, questo per descrivere nel modo piùpiù definito possibile i livelli della Architettura.

Si utilizzeràutilizzerà come esempio due architetture particolari. La prima éé quella del MIPS e la seconda éé una versione SEMPLIFICATA di quella che éé l'architettura della [http://www.java.sun.com Java Virtual Machine]. Si presume che, per visonarne al meglio le differenze, lo studente conosca i principi fondamentali della programmazione in ambiente C/C++ e Java.

Prima di parlare in maniera dettagliata di come sia fatta l'architettura a livelli che vogliamo studiare ` necessario fare una introduzione storica. I computer non esistono da sempre. Il primo che uomo che abbia realizzato un computer èè il francese [[w:Blaise_Pascal|Blaise Pascal]] (nel cui onore éé stato battezzato un linguaggio di qualche tempo fa..) che nel 1642 - a soli 19 anni - progettòprogettò e realizzòrealizzò un meccanismo di contabilitàcontabilità. Era un aggeggio completamente meccanico; un computer a manovella!! Le sole operazioni che era in grado di compiere erano addizione e sottrazione. Passaronon 30 anni prima che [[Leibniz]] aggiungesse a quella macchina le operazioni moltiplicazione e divisione che costruirono la prima vera calcolatrice del mondo. Trecento anni fa..

Quando un giorno un tizio di nome [[w:Charles_Babbage|Babbage]] dall'UnivesitàUnivesità di Cambrige creòcreò 'difference engine' un dispositivo meccanico che come quello di Pascal poteva soltanto sottrarre e addizionare. Esso venne utilizzato per la navigazione marittima.

La cosa piùpiù interessante del 'difference engine' era il suo modo di produrre output. Esso stampava su un disco (non un vinile!!) grazie all'ausilio di una punta in ferro. Era pertanto in grado di produrre dischi perforati che potevano anche essere re-introdotti nell'elaboratore.

L'evoluzione di 'difference engine' fu 'analytical engine', un dispositivo composto di una memoria, un mill (unitàunità di calcolo), la possibilitàpossibilità di ricevere input (da schede prestampate) e la possibilitàpossibilità di produrre un output (sempre su schede).

Questo dispositivo éé stato il primo dispositivo programmabile!!

Poi negli anni '30 (1930) un tedesco di nome [[w:Konrad_Zuse|Konrad Zuse]] costruìcostruì una macchina computazionale automatica utilizzando dispositivi elettromagnetici. Questi suoi studi, non di certo finanziati dal governo, vennero considerati di secondo piano rispetto alla guerra che stava per iniziare.. Ci si aspettava (in Germania) che la guerra finisse presto e, vincitori, si sarebbe potuto sviluppare il progetto. CosìCosì non fùfù. Il progetto di Zuse fu vittima dei bombardamenti e non influenzòinfluenzò in modo utile le macchine che vennero dopo. Nonostante tutto éé necessario menzionarlo, in quanto anche le sue idee erano innovative.

Diversi furono gli studiosi che si cimentarono nell'evoluzione di questi dispositivi calcolatori. Tra questi spicca Howard Aiken che nel 1944 all'UniversitàUniversità di Harvard presentòpresentò Mark I, una macchina in grado di gestire 72 parole di 23 digits ciascuna. Era in grado di svolgere una operazione (istruzione) in 6 secondi circa.

Il primo computer, purtroppo, non fu costruito per fare qualcosa di veramente utile. I primi computers infatti (costruiti durante la Guerra Mondiale) erano destinati alla traduzione di codici per sventare attacchi, da questo a quel popolo. Ricordiamo tra queste ENIGMA (Germania) ma anche COLOSSUS (Gran Bretagna). Nel 1943 viene creato ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Consisteva di 18.000 valvole e di 1500 releèreleè, pesava qualcosa come 30 tonnellate e consumava 140 KiloWatts. Architetturalmente era costituito da 20 registri da 10 digits nei quali venivano rappresentati numeri interi. "Sfortunatamente" la sua completa realizzazione avvenne al termine della Guerra (1946) ed i suoi scopi bellici non erano piùpiù utili.

Nel 1949 venne creato EDSAC dall'UniversitàUniversità di Cambridge.

Dal progetto ENIAC un professore del Princeton's Institute od Advanced Studies noto col nome di [[w:John_von_Neumann|John Von Neumann]] creòcreò un progetto che éé rimasto ai giorni nostri, e dal quale inizieremo a discutere il nostro corso..

Egli descrisse [[w:Architettura_di_von_Neumann|una architettura di nome IAS]] che poteva essere generalizzata per la costruzione di questi dispositivi. Vennero introdotti nel discorso congegni come un accumulatore, una memoria, una unitàunità di controllo, dispositivi di input e di output.

Gli inventori (John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley) ricevettero il premio {{Nobel}} per la Fisica (1956). In poco piùpiù di un decennio i transistors (transistori in Italiano) rivoluzionarono il mercato dai computer fino a rendere obsoleti, alla fine degli anni '50, i computers costruiti con le valvole.

Il primo calcolatore a transistors fu costruito nei laboratori del M.I.T. e prese il nome di TX-0 (Transistored eXperimental computer 0). Da questo progetto prese spunto anche Kenneth Olsend che fondòfondò una societàsocietà di nome DEC (Digital Equipment Corporation) che creòcreò il PDP-1 (1961).

Tra questi modelli venduti almeno uno finìfinì al M.I.T. che produsse una innovazione che al giorno d'oggi sembra quasi scontata: il display!

Uno schermo di 512x512 punti!! PiùPiù che sufficiente per creare il primo videogioco: SPACEWAR!

Questa macchina, in particolare, prevedeva la possibilitàpossibilità di impiegare un linguaggio antecedente al Pascal (Algol 60) e includeva nel suo hardware la possibilitàpossibilità di compilare un programma.

Era nata l'era del software cosìcosì come la intendiamo noi.

Correva l'anno 1958 quando [[w:Robert_Noyce|Robert Noyce]] riuscìriuscì a sistemare diversi transistors in un'unica unitàunità chiamata : CHIP.

Questo permetteva di costruire computers di dimensioni ristrette, piùpiù veloci dei loro predecessori e nello stesso tempo meno cari. Questa terza generazione di computers produsse il primo dei problemi che riscontriamo al giorno d'oggi e che èè il collo di bottiglia che ci impedisce di evolvere in modo esponenziale: la retro-compatibilitàcompatibilità.

Infatti nel 1964 IBM produsse due modelli di computer (7094 e 1401) che, incredibilmente, non erano compatibili tra loro. Scrivere un programma per 7094 non significava che esso potesse funzionare anche 1401. Quando venne il tempo di aggiornare questi prodotti, IBM introdusse una singola linea di produzione chiamata System/360 che veniva predisposta sia per i calcoli matematici piùpiù utili che per la computazione commerciale.

Tre sono le novitànovità introdotte da queste architetture:

Strumento molto utile in quanto definìdefinì due grandi famiglie di microarchitetture.

Nel trascorrere del tempo e nelle nuove innovazioni tecnologiche 16MB di memoria indicizzabile non furon piùpiù sufficienti per i programmatori. In particolare a metàmetà degli anni '80 IBM abbandonòabbandonò questa quantitàquantità preferendo costruire una memoria di 2 alla 32 bytes.

In molti aspetti PDP-11 era "fratello" di System/360. Avevano in comune ad esempio la possibilitàpossibilità di utilizzare registri a parole e memorie organizzate in Byte, dai costi veramente irrisori rispetto agli inizi.

Questo rese possibile integrare nei ciruiti prima decine di migliaia, poi centinaia di migliaia ed infine milioni di transistors su un singolo chip. Questo conduce a computers sempre piùpiù piccoli e veloci. Siamo entrati nell'era dei nostri computers moderni.

Prima del PDP-1 i computers erano giganteschi, composti di una infinitàinfinità di valvole ed eccessivamente costosi. Soltanto alcuni dipartimenti erano in grado di acquistare un computer.

Con l'avvento di VLSI chiunque (potenzialmente) poteva avere un Centro di Elaborazione Dati (CED) in azienda. CosìCosì inizia l'era dei personal computers (computers personali).

Con essi arriva anche la possibilitàpossibilità di creare le proprie applicazioni, utilizzare fogli di calcolo, produrre immagini (anche se all'inizio non di elevatissima risoluzione).

Il profano che osserva l'interno di un computer per la prima volta si perde nell'osservare tutti i collegamenti, le scatolette scintillanti.. Lo studente di questo corso, invece dovràdovrà osservare con maggiore attenzione.

Per poter meglio descrivere cosa sia e come funzioni un computer éé necessario osservarlo ed astrarlo in modo piùpiù consono. L'immagine sottostante chiarisce come viene pensato e come éé strutturato:

Ogni livello éé una particolare branca dell'informatica moderna. Durante il [Corso di Fondamenti d'Informatica] abbiamo potuto osservare al meglio il Livello 0 (Logica Digitale) e abbiamo scoperto come semplici porte logiche possano formare dei circuiti che sono in grado di memorizzare l'informazione (latch,flip-flop,..) ma anche di trasformarla (shifter,ALU).

Questo livello verràverrà discusso meglio nel Corso di Sistemi Operativi e nel relativo Laboratorio.

Non éé nel nostro interesse visionare questo livello, se non con riferimenti