CALCOLATORI ELETTRONICI A - L

L’insegnamento ha l’obiettivo di fornire i concetti fondamentali relativi ai sistemi di elaborazione dell’informazione.

Nella prima parte dell'insegnamento vengono introdotte le tecniche e le metodologie per la progettazione dei sistemi digitali.

Nella seconda parte dell'insegnamento vengono presentati i componenti dei calcolatori elettronici e la loro organizzazione, l’architettura del set delle istruzioni dei processori, alcune tecniche per un’efficiente implementazione dei processori e il sottosistema di memoria. Inoltre, al fine di comprendere meglio il funzionamento del processore, l'insegnamento introduce lo studente alla programmazione assembly di un processore educational.

Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente conoscerà:

• Le tecniche di base per la progettazione dei circuiti digitali combinatori e sequenziali. -le tecnologie per la progettazione di sistemi digitali a diversi livelli di astrazione
• I moduli elementari che compongono un sistema di elaborazione
• Le principali architetture del set delle istruzioni
• Le architetture di base dei processori RISC
• L’assembly di un processore RISC educational

Conoscenze applicate e capacità di comprensione
Lo studente sarà in grado di:

• Progettare semplici circuiti combinatori e sequenziali sincroni
• Sviluppare modelli di semplici sistemi digitali mediante il linguaggio di descrizione VHDL
• Valutare le prestazioni di un calcolatore
• Scrivere programmi nel linguaggio assembly di un processore educational

Autonomia di giudizio
Lo studente sarà in grado di valutare l'impatto delle scelte architetturali sulle prestazioni dei calcolatori.

Capacità di apprendere
Lo studente sarà in grado di apprendere autonomamente:

• Ulteriori caratteristiche di base delle architetture dei processori
• L'assembly di altri processori

L'insegnamento verrà svolto utilizzando lezioni frontali, esercitazioni pratiche e lo studio di alcuni casi.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Rappresentazione dell’Informazione nei calcolatori elettronici, Algoritmi. Sequenze di Controllo. Tipi di dati. Puntatori. Funzioni. Concetto di Stato. Macchina a stati finiti

La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata

Parte I Progettazione di sistemi digitali

1.1 Progetto di reti combinatorie

• Algebra di commutazione. Espressioni booleane minime. Minimizzazione mediate il metodo delle mappe di Karnaugh e di Quine-McCluckey.

1.2 Progetto di reti sequenziali sincrone

• Introduzione alle macchine sequenziali. Gli elementi di memoria: i bistabili. Sintesi di reti sequenziali sincrone. Minimizzazione delle macchine a stati finiti.

1.3 Progettazione di un sistema digitale

• Flusso di progettazione di un sistema digitale. Datapath e unità di controllo.
• Linguaggi per la descrizione dello hardware. Il VHDL. Entity e architecture. Modello concorrente e sequenziale. Process. Tipi di dati. Procedure e funzioni. Simulazione e sintesi.

Parte II Il calcolatore

2.1 Il calcolatore: astrazione e tecnologie

• I tipi di calcolatori e le loro caratteristiche. I componenti di un calcolatore elettronico e loro organizzazione. Valutazione delle prestazioni di un calcolatore. Legge di Amdhal.

2.2 Il linguaggio del calcolatore: l’Assembly

• Architettura del Set di Istruzione dei processori.
• Traduzione e avvio di un programma: Assembler, linker e loader.
• Instruction Set Architecture MIPS64.
• Un Instruction Set Simulator per il processore MIPS 64. Operazioni logico-aritmetiche. Accesso alla memoria. Chiamate di sistema. Array. Stringhe. Chiamata a procedura.
• Procedure annidate. Stack.

2.3 Organizzazione del calcolatore

• Organizzazione sequenziale di un processore. Datapath di un processore sequenziale. Unità di Controllo di un processore sequenziale.
• Organizzazione pipeline di un processore. Hazard nella pipeline. Valutazione delle prestazioni di un processore pipeline. Tecniche per il rilevamento e la risoluzione degli hazard nella pipeline. Schedulazione del codice per la minimizzazione degli hazard.

2.4 Il Sottosistema di memoria

• Memorie RAM statiche e dinamiche. Memorie asincrone e sincrone. Organizzazione della memoria.
• Memorie cache. Politiche di Block placement, block identification, block replacement e di scrittura. Valutazione delle prestazioni della memoria.
• Tecniche per il miglioramento delle prestazioni della cache.

(*) Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame.

N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame.

[T1] Fummi, Sami, Silvano, “Progettazione digitale”, 2/ed McGraw-Hill

[T2] Patterson, Hennessy, “Struttura e progetto dei calcolatori”, Zanichelli

[T3] Bucci, “Architettura e organizzazione dei calcolatori elettronici: fondamenti”, McGraw-Hill

[T4] Materiale fornito del docente on line

E’ possibile scaricare tutto il materiale didattico in formato elettronico all’indirizzo htpp://studium.unict.it

L'esame consiste in un'unica prova scritta e al calcolatore. Nella prova d'esame sono previsti:

• Due quesiti sulle reti logiche (8 punti);
• Lo sviluppo di un modello VHDL (5 punti);
• Lo sviluppo di un programma assembly (9 punti);
• Due quesiti sulle architetture dei calcolatori (10 punti).

Per superare la prova è necessario ottenere un punteggio minimo pari a 18, con almeno 5 punti per i quesiti sulle reti logiche, almeno 5 punti per lo sviluppo del programma assembly e almeno 6 punti per i quesiti sulle architetture.

Non sono previste prove in itinere.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti sono disponibili all’indirizzo http://studium.unict.it