CALCOLATORI ELETTRONICI
Anno accademico 2016/2017 - 3° annoCrediti: 9
SSD: ING-INF/05 - Sistemi di elaborazione delle informazioni
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 146 di studio individuale, 49 di lezione frontale, 30 di esercitazione
Semestre: 1°
Obiettivi formativi
Il corso ha un duplice obiettivo. In primo luogo ha l’obiettivo di introdurre alla conoscenza delle tecnologie e metodologie per la progettazione di sistemi digitali. Un secondo obiettivo è la conoscenza dell’organizzazione dei calcolatori elettronici, l’architettura del set delle istruzioni, e le tecniche per un’efficiente implementazione. In tale contesto lo studente impara a programmare nel linguaggio Assembly relativo a un processore educational.
Prerequisiti richiesti
Rappresentazione dell’Informazione nei calcolatori elettronici, Algoritmi. Sequenze di Controllo. Tipi di dati. Puntatori. Funzioni. Concetto di Stato. Macchina a stati finiti.
Frequenza lezioni
La frequenza non è obbligatoria
Contenuti del corso
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. Flusso di progettazione mediante tools automatici. 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. IInstruction Set Architecture MIPS64. Un Instruction Set Simulator per il processore MIPS 64: EDUMIPS Operazioni logico-aritmetiche. Accesso alla memoria. Chiamate di sistema. Array. Stringhe. Chiamata a procedura. 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.
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.
Testi di riferimento
[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
Programmazione del corso
| * | Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|---|
| 1 | * | Progetto di reti combinatori. Algebra di commutazione. Espressioni booleane minime. Minimizzazione mediate il metodo delle mappe di Karnaugh e di Quine-McCluckey. | T1 capitoli 3 e 4, T4 |
| 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. | T1 capitoli 5 e 6, T4 |
| 3 | * | Progettazione di un sistema digitale. Flusso di progettazione di un sistema digitale. Datapath e unità di controllo. Componenti di un sistema digitale. Multiplexer, Decoder, Encoder, Comparatore, Registri, Register file. | T1 capitoli 7 e 8, T2 capitolo 3, T4 |
| 4 | Sommatore a propagazione del riporto e Sommatore ad anticipo di riporto. Moltiplicatore e divisore. Progetto di un ALU | T1 capitoli 7 e 8, T2 capitolo 3, T4 | |
| 5 | * | Linguaggi HDL. Sviluppo di un modello VHDL di sistema digitale. Simulazione di un modello VHDL. Testbench. | T1 appendice A, T4 |
| 6 | * | I tipi di calcolatori e le loro caratteristiche. I componenti di un calcolatore. Organizzazione dei calcolatori elettronici. | T2 capitolo 1, T3 capitolo 5 T4 |
| 7 | * | Architettura del Set di Istruzioni dei processori. | T2 capitolo 2, T3 capitolo 5, T4 |
| 8 | * | Organizzazione sequenziale di un processore. Datapath di un processore sequenziale. Unità di Controllo di un processore sequenziale: realizzazione cablata e microprogrammata. | T2 capitolo 4, T3 capitolo 7, T4 |
| 9 | Organizzazione Pipeline di un processore. | T2 capitolo 4, T4 | |
| 10 | * | Assembly del processore educational EDUMIPS64. Assembler, linker e loader. Struttura di un programma assembly. | T4 |
| 11 | * | Un Instruction Set Simulator per il processore EduMIPS Instruction Set Architecture dell’EDUMIPS. | T4 |
| 12 | * | Istruzioni logico-aritmetiche. Istruzioni di accesso alla memoria. Istruzioni per il controllo di flusso. | T4 |
| 13 | * | Chiamate di sistema. Lettura e stampa di interi e stinghe. Gestione degli array. | T4 |
| 14 | Chiamata a procedure. Procedure annidate. Stack pointer. | T4 | |
| 15 | * | Il Sottosistema di memoria. Classificazione delle memorie. Ram Statica e RAM dinamica. Cicli di lettura e di scrittura. DRAM asincrona e sincrona. Organizzazione della memoria. Decodifica degli indirizzi. | T2 capitolo 5, T3 capitolo 8, T4 |
| 16 | * | Memorie cache. Valutazione delle prestazioni delle memorie cache. Politiche di Block placement, block identification, block replacement e di scrittura. | T2 capitolo 5, T3 capitolo 8, T4 |
| 17 | Tecniche per il miglioramento delle prestazioni della cache. | T2 capitolo 5, T3 capitolo 8, T4 |
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.
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
Sono previste due prove da svolgere di norma nell'arco della stessa giornata.
La prima prova in (2h 30min) verterà sulla progettazione dei sistemi digitali e saranno presenti 3 quesiti a risposta aperta sulle reti logiche e lo sviluppo al calcolatore di un modello VHDL di un componente digitale. Per ciascuna delle parti è attribuito un punteggio massimo di 15 punti. Per superare la prova è necessario ottenere un punteggio minimo pari a 9 per ciascuna delle due parti. Il punteggio della prova è data dalla somma dei punteggi. Per superare la prova è necessario ottenere un punteggio minimo pari a 18.
La seconda prova (3 ore) è organizzata in due parti: la prima parte prevede lo sviluppo di un programma assembly (max 16 punti)
Nella seconda parte sono previsti 2 quesiti sull’architettura dei calcolatori (max 14 punti).
Il punteggio della seconda prova è dato dalla somma dei punteggi relativi alle due parti.
Per superare la seconda prova in itinere è necessario ottenere un punteggio minimo pari a 18 con almeno 10 punti nella prima parte della prova (programma assembly).
Il punteggio della prova è dato dalla somma dei punteggi relativi alle due parti.
Per superare l’esame è necessario superare entrambe le prove.
Il voto finale proposto per il superamento dell’esame è pari alla media dei voti ottenuti nelle due prove.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
Esempi di domande e/o esercizi frequenti sono disponibili all’indirizzo http://utenti.dieei.unict.it/users/gascia/corsi.html
o all’indirizzo
htpp://studium.unict.it