L'insegnamento è organizzato come segue:

Obiettivi formativi

Modulo:
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Architettura dei calcolatori.
Il corso si propone di dare allo studente la conoscenza necessaria alla realizzazione in forma digitale di un algoritmo presentando le possibili alternative comprese tra l'utilizzo di un processore universale e la costruzione di un dispositivo digitale dedicato.
Queste conoscenze costituiscono i prerequisiti necessari alla comprensione dei meccanismi di funzionamento di un sistema informativo e del processo di traduzione di un programma da una sua descrizione ad alto livello sino a una realizzazione cablata o a codice macchina che esegue su un processore.

Sistemi operativi.
Lo scopo del corso e' di presentare l'organizzazione di un sistema operativo e le problematiche connesse di correttezza ed efficienza. Saranno trattati i seguenti argomenti:
definizione e storia dei sistemi operativi e di programmazione;
programmi di utilita', sottosistemi, sistemi a multiprogrammazione;
processi, comunicazione tra processi e sincronizzazione;
allocazione della memoria, segmentazione e impaginazione;
caricamento e collegamento, librerie;
allocazione delle risorse, schedulazione, valutazione delle prestazioni;
sistemi d'ingresso e uscita, dispositivi di memorizzazione, organizzazione degli archivi.

Programma

Modulo:
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Introduzione all'architettura degli elaboratori.
Realizzazione di funzioni logiche elementari con circuiti a interruttore e porte logiche CMOS.
Tipologie di circuiti: digitali e analogici; combinatori e sequenziali; sequenziali sincroni e asincroni.

Introduzione alla logica combinatoria.
Assiomi e teoremi dell'algebra di Boole.
Riscrittura di espressioni con le regole dell'algebra di Boole.

Forme normali congiuntive e disgiuntive.
Funzioni incompletamente specificate.
Ipercubi Booleani e mappe di Karnaugh.

Minimizzazione logica usando le mappe di Karnaugh.
Implicanti, primi ed essenziali.
Calcolo degl'implicanti primi di funzioni a una o piu' uscite.
Minimizzazione esatta con il metodo di Quine-McCluskey.

Ritardi nei circuiti combinatori e circuiti oscillatori.
Logica regolare e programmabile per circuiti combinatori.
Matrici logiche programmabili con piani AND e/o OR flessibili (PLA, PAL, ROM).
Selettori e deselettori.

Progettazione di circuiti combinatori dalla specifica in linguaggio naturale alla realizzazione in una tecnologia data.
Linguaggi di descrizione dei sistemi elettronici.

Aritmetica binaria con numeri negativi.
Condizioni di trabocco in complemento a due.

Addizionatori a propagazione di riporto, ad anticipo di riporto, a selezione di riporto.
Addizionatore binario modulo e segno e addizionatore di numeri in codifica BCD.
Sottrattore binario.
Unita' aritmetico-logica.

Introduzione alla logica a piu' livelli.
Conversione tra AND/OR, OR/AND e NAND, NOR.

Introduzione ai circuiti sequenziali.
Lucchetto ("latch").
Cella di memoria statica con coppia ad anello d'invertitori.
Cella di memoria SR con coppia di porte NOR (o NAND) incrociate.
Cella di memoria SR con segnale d'abilitazione.

Cella di memoria SR campionata in discesa mastro-servo ("master-slave").
Problema della memorizzazione degli uni spuri.
Bistabili ("flip-flop").
Bistabile D campionato in discesa mastro-servo.
Bistabile JK campionato in discesa mastro-servo.
Bistabile D campionato in discesa o salita.
Metodologie di temporarizzazione sincrona.
Metastabilita' e ingressi asincroni.

Registri di base. Registri a scorrimento. Contatori.
Analisi di registri a scorrimento e contatori dallo schema logico al grafo degli stati.
Sintesi di registri a scorrimento e contatori dal grafo degli stati allo schema logico.

Analisi e sintesi di macchine a stati finiti.
Macchine di Moore, Mealy, Mealy sincronizzate.
Trasformazione da macchine di Moore a macchine di Moore temporizzate.
Confronto tra macchine di Moore temporizzate e macchine di Mealy sincronizzate.

Minimizzazione degli stati di macchine a stati finiti.
Impatto della minimizzazione degli stati sulla minimizzazione logica.

Codifica degli stati di macchine a stati finiti.
Codifica degli stati basata sulle uscite.

Progettazione di circuiti sequenziali dalla specifica,
alla macchina a stati finiti, alla rappresentazione logica minimizzata.
Relazioni tra i percorsi critici e la frequenza/periodo di un circuito sequenziale.

Architettura di un processore.
Unita' di controllo e unita' esecutiva.
Ciclo di prelievo-decodifica-esecuzione di un'istruzione.
Tipi d'istruzioni. Registri fondamentali.

Protocollo a 4 fasi d'interazione con la memoria.
Interazione con le unita' d'ingresso-uscita.
Schemi d'interconnessione dell'unita' esecutiva.
Schematico di un'unita' esecutiva MIPS elementare che realizza un sottoinsieme minimale d'istruzioni macchina.

Cicli di esecuzione delle operazioni di somma tra registri,
lettura/scrittura da/a memoria, salto (macchina di Mealy sincrona).
Micro-operazioni per eseguire le istruzioni RTL e dipendenza dallo schema d'interconnessione.
Tempistica delle transizioni di stato e delle micro-operazioni (operazioni immediate e operazioni ritardate).

Realizzazione dell'unita' di controllo di Moore con una ROM o PLA.
Tempistica interfaccia memoria-registri.
Microprogrammazione orizzontale e verticale.

Macchine a stati finite estese.
Progettazione di processori dedicati: esempio del processore che realizza l'algoritmo di Euclide del Massimo Comun Divisore.


Introduzione ai sistemi operativi.
Cronistoria dei sistemi di calcolo e dei sistemi operativi:
- da ENIAC fino ai sistemi distribuiti fine anni 80;
- da Internet fine anni 80 fino alla nuvola e ai sistemi mobili odierni.

Funzioni del sistema operativo: l'esempio di protezione della memoria con traduzione degl'indirizzi e modalita' nucleo-utente.
Multiprogrammazione, concorrenza e spazi d'indirizzamento.

Processi e flussi esecutivi ("threads") come meccanismi di gestione della protezione della memoria e della concorrenza.
Stati di un processo, code degli stati di un processo, cambiamenti di stato.
Esempio di gestione con la pila ("stack") delle chiamate a procedura.

Chiamate principali di sistema per gestire la creazione, esecuzione, interruzione, commutazione di contesto, duplicazione ("fork") e confluenza ("join"), terminazione di flussi esecutivi ("threads").
Eventi interni ed esterni per l'interruzione volontaria o la prelazione.
Interruzioni.
Gestione dei flussi esecutivi in modalita' sistema operativo oppure utente.
Multiprogrammazione.

Introduzione alla concorrenza.
Gestione di servizi di rete con gruppi di flussi esecutivi di servizio ("threaded web server").
Programmazione di servizi di rete di tipo ATM con gestione ad eventi.
Analisi di un esempio paradigmatico di agenti concorrenti rispetto a una sezione critica.

Il problema dell'attesa attiva.
Definizione di sezioni critiche mediante la disabilitazione/riabilitazione delle interruzioni.
Disabilitazione delle interruzioni durante la sezione critica o durante l'acquisizione e rilascio dei lucchetti.
Istruzioni macchina atomiche per lettura-modifica-scrittura e loro uso per definire sezioni critiche.

I semafori. Il problema produttori-consumatori con i semafori.

I monitor.
Gestione di una coda infinita con i monitor.
Il problema dei lettori-scrittori con i monitor.
Confronto tra monitor e semafori.
Gestione di una lista con l'istruzione atomica compare-and-swap.

Contesa sulle risorse e stallo.
Algoritmo per rilevare lo stallo.
Algoritmo del banchiere per evitare uno stallo.

Schedulazione di processi.
Algoritmi FIFO, RR, minimo tempo di completamento senza e con prelazione, lotteria.
Schedulazione con piu' code di priorita'.
Valutazione degli algoritmi di schedulazione.

Gestione della memoria principale.
Schemi di traduzione degl'indirizzi da virtuali a fisici:
rilocazione, segmentazione semplice, multi-segmentazione, impaginazione, multi-livello: segmentazione + impaginazione, impaginazione a due livelli, tavola inversa.
Ruolo del sistema operativo nella traduzione degl'indirizzi.
Formato di un elemento nella tavola delle pagine.

Introduzione al concetto di cache e gerarchia della memoria come gerarchia di cache a piu' livelli.
Cache a indirizzamento diretto, associativo a piu' vie, completamento associativo.

TLB come cache delle traduzioni degl'indirizzi da virtuali a fisici.
Gestione dell'insuccesso nell'accesso a una TLB.
Organizzazione della TLB, e accesso in parallelo alla TLB e cache dei dati.
Memoria virtuale e impaginazione su richiesta.
Meccanismo dell'impaginazione su richiesta e gestione di una mancanza di pagina. Eccezioni trasparenti e precise.

Politiche di rimpiazzo della pagine: FIFO, MIN, LRU, casuale.
Anomalia di Belady.
Algoritmo dell'orologio e della seconda scelta.
Saturazione del sistema per il sovraccarico di accessi in memoria
("thrashing"). Insieme di lavoro.

Cenni ai dispositivi d'ingresso-uscita.
Il disco rigido: caratteristiche e prestazioni. Schedulazione delle richieste del disco.

Organizzazione degli archivi di documenti ("file systems"); nomi e strutture dati di memorizzazione e ricerca.

Bibliografia

Modalità d'esame

Modulo:
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Le competenze sono verificate con una prova scritta di teoria e una prova scritta e/o pratica di laboratorio; il voto della prima contribuisce per i 3/4 del voto finale e quello della seconda per 1/4.
L'esame deve essere completato (teoria+laboratorio) entro l'inizio dell'anno accademico successivo a quello in cui e' stato erogato il corso ed e' stata sostenuta con successo la prova di teoria o la prova di laboratorio (a seconda di quale delle due e' stata superata per prima).