Struttura di un elaboratore

Modello di von Neumann

Definizione (modello di von Neumann). Un calcolatore moderno segue (con varianti) l'architettura di von Neumann: dati e istruzioni del programma stanno nella stessa memoria e una CPU li legge in sequenza.

Componente	Ruolo
CPU (processore)	esegue le istruzioni: unità di controllo + ALU + registri
Memoria centrale (RAM)	contiene programma in esecuzione e dati; volatile, accesso diretto per indirizzo
Memoria di massa (SSD, HDD)	persistente, molto più lenta; contiene file e programmi non in esecuzione
Periferiche di I/O	tastiera, schermo, rete, dischi: comunicano con CPU e memoria tramite controller
Bus	collegamenti condivisi: bus dati, bus indirizzi, bus di controllo

Esempio. Con un bus indirizzi di $32$ linee la CPU indirizza $2^{32}$ celle da $1$ byte, cioè $4$ GiB di memoria centrale.

CPU

• Unità di controllo (CU): preleva le istruzioni, le decodifica e coordina le altre unità.
• ALU (Arithmetic Logic Unit): operazioni aritmetiche (somma, sottrazione, ...) e logiche (AND, OR, confronti).
• Registri: poche celle velocissime interne alla CPU. I principali:
  • PC (Program Counter): indirizzo della prossima istruzione;
  • IR (Instruction Register): istruzione in esecuzione;
  • registri generali per operandi e risultati intermedi;
  • registro di stato (flag: zero, segno, overflow, riporto).

Memoria centrale

Formula (celle indirizzabili con $k$ bit). Sequenza di celle (tipicamente di 1 byte = 8 bit), ognuna con un indirizzo numerico. Con indirizzi a $k$ bit si indirizzano $2^k$ celle. Una variabile di un programma occupa una o più celle consecutive: in C l'indirizzo è esplicito (vedi Puntatori in CUn puntatore contiene un indirizzo di memoria; operatori & e *, NULL, puntatori come parametri per modificare variabili del chiamante, aritmetica dei puntatori, legame tra array e puntatori, const, puntatori a puntatori.Puntatori in C →), in Python è nascosto.

Esempio. Con indirizzi a $k=16$ bit si indirizzano $2^{16}=65\,536$ celle.

Ciclo fetch-decode-execute

La CPU ripete all'infinito:

Definizione (ciclo fetch-decode-execute)

1. Fetch: legge dalla memoria l'istruzione all'indirizzo contenuto nel PC e la copia nell'IR; incrementa il PC.
2. Decode: la CU interpreta il codice operativo e individua gli operandi.
3. Execute: l'ALU (o l'unità di memoria/I/O) esegue l'operazione; il risultato va in un registro o in memoria.

Esempio. Con $\text{PC}=100$ il fetch copia in IR l'istruzione all'indirizzo $100$ e porta il PC a $104$ (istruzioni di $4$ byte); il decode ne ricava codice operativo e operandi.

Un salto (condizionato o no) è un'istruzione che scrive un nuovo valore nel PC: è così che vengono realizzati if, cicli e chiamate di funzione.

Le istruzioni comprensibili alla CPU formano il linguaggio macchina (codici binari specifici per ogni famiglia di processori, es. x86-64, ARM). L'assembly ne è la versione testuale. I linguaggi ad alto livello vengono tradotti in linguaggio macchina da compilatori o interpreti (vedi Paradigmi di programmazione e linguaggiAlgoritmo e programma; paradigmi imperativo, procedurale, a oggetti, funzionale e dichiarativo; compilazione e interpretazione; confronto tra Python e C.Paradigmi di programmazione e linguaggi →).

Gerarchia di memoria

Più una memoria è veloce, più è piccola e costosa per byte:

La cache conserva copie dei dati usati di recente (località temporale) e di quelli vicini (località spaziale). Conseguenza pratica: scorrere un array in ordine di indirizzo è più veloce che saltare a caso.

Sistema operativo

Il sistema operativo (Windows, Linux, macOS) è il programma che gestisce le risorse: carica i programmi in memoria, assegna la CPU ai processi, gestisce file system e periferiche. Un programma in esecuzione è un processo, con il proprio spazio di indirizzi diviso in segmenti (codice, dati statici, stack, heap: vedi Gestione della memoria in CSegmenti di memoria di un processo (codice, dati statici, stack, heap); durata delle variabili; allocazione dinamica con malloc, calloc, realloc e free; errori classici: memory leak, dangling pointer, double free, buffer overflow; strumenti di controllo.Gestione della memoria in C →).

Errori tipici

• Confondere memoria centrale (volatile, dove gira il programma) e memoria di massa (persistente, dove stanno i file): un dato in una variabile si perde alla fine del programma se non viene scritto su file.
• Pensare che il PC conti le istruzioni eseguite: contiene l'indirizzo della prossima istruzione.