ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI ELETTRONICI

Docenti: 
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI (ING-INF/05)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Anno di corso: 
3
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Conoscenza e Comprensione
Lo scopo del corso quello di illustrare i meccanismi di base di funzionamento dei sistemi di calcolo e in particolare l'interazione fra i moduli (CPU, memoria, I/O) di un calcolatore.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente acquisirà la capacità di comprendere il funzionamento di base delle moderne CPU.
Lo studente al termine del corso sarà capace a scrivere anche semplici programmi a livello assembler.

Contenuti dell'insegnamento

Il corso fornisce i concetti di base delle architetture dei sistemi di elaborazione, analizzandone l'organizzazione interna e descrivendo i principi di funzionamento delle CPU, delle memorie, delle strutture di interconnessione e di ingresso/uscita. Il corso comprende le nozioni fondamentali della programmazione in linguaggio assembly. I concetti sono esposti in modo generale; quando necessario si fa diretto riferimento all’architettura dei processori INTEL. Gli argomenti principali trattati sono: architettura di base di un calcolatore, architetture moderne dei processori, funzionamento delle memorie, sottosistema di ingresso-uscita, programmazione in assembly.

Programma esteso

Il corso si articola in circa 45 ore di didattica frontale sui seguenti argomenti (durate indicative):
- introduzione al corso, macchina di Turing, storia del calcolatori, macchina di Von Neumann, legge di Moore; legge di Amdhal; (3 ore)
- Instruction Set Architecture; RISC e CISC; CPU della famiglia Intel; CPU della famiglia ARM; microarchitettura della CPU; architettura CPU monociclo e multiciclo; varianti della CPU multiciclo; confronto di prestazioni; (6 ore)
- valutazione delle prestazioni; benchmark; (1 ora)
- pipeline e alee; architettura superscalare; (3 ore)
- caratteristiche linguaggi Assembly; architettura di riferimento Assembly 8086; memorizzazione operandi; registri 8086: registri generali; altri registri; modelli di memoria; memoria segmentata; Modalità di indirizzamento; tipi di dato; istruzioni di trasferimento di dati, aritmetiche, trasferimento di controllo; chiamata a funzione; definizione di variabili in Assembly; Istruzioni per la gestione bit a bit; istruzioni su stringhe di dati; istruzioni controllo flag; accesso alle stringhe di dati; passaggio dei parametri mediante lo stack; (14 ore)
- esercizi su allineamento ed ordinamento in memoria in preparazione dello scritto; (2 ore)
- caratteristiche delle memorie; gerarchia di memorie; SRAM, DRAM, SDRAM e DDR; memorie permanenti; interfacciamento memoria-processore; protocollo MESI; memoria virtuale; (5 ore)
- interfacciamento memoria-processore ed esercizi in preparazione dello scritto; (4 ore)
- memorie cache ed esercizi in preparazione dello scritto; (4 ore)
- interfacciamento I/O; polling; interruzioni; Intel 8259; DMAC; memorie esterne; strutture di interconnessione; (3 ore)

Sono inoltre previste circa 18 ore in laboratorio con il seguente programma (indicativo):
- introduzione agli strumenti di compilazione; esempi semplici; uso del debug; (1 ora);
- esercitazioni varie e laboratorio (17 ore);

Bibliografia

- A.S. Tanenbaum e T. Austin, “Architettura dei Calcolatori: un approccio strutturale”, sesta ed., Pearson/Prentice Hall, 2013
- Giacomo Bucci, “Calcolatori elettronici – Architettura e organizzazione”, Mc Graw-Hill, 2009
- William Stallings, “Architettura e organizzazione dei calcolatori. Progetto e prestazioni”, ottava ed., Pearson Prentice-Hall, 2010
- Carl Hamacher, Zvonko Vranesic, Safwat Zaky, “Introduzione all'architettura dei calcolatori”, seconda ed., McGraw-Hill, 2007

Metodi didattici

Il corso comprende indicativamente 40 ore di lezioni tradizionali in aula e 24 ore di esercitazione in laboratorio.

Modalità verifica apprendimento

L'esame consiste in due parti, che possono essere date indipendentemente, sia come sessione sia come ordine. La prima parte è una prova orale fatta per iscritto, su domande di teoria e un esercizio. La seconda parte è una prova pratica in laboratorio che richiede lo sviluppo di un programma in Assembly x86. Il voto finale è dato dalla media dei due voti.