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Teoria dell'Informatica: Componenti e Funzionamento di un Computer - Prof. Frosini, Appunti di Elementi di Informatica

Università degli Studi di Firenze (UNIFI)Elementi di Informatica
Prof. Andrea Frosini

Una spiegazione dettagliata della teoria dell'informatica, concentrandosi sui componenti fisici e logici di un computer, tra cui il software, l'unità centrale di elaborazione (CPU), la memoria centrale (RAM), la memoria di massa, i dispositivi di ingresso/uscita (I/O), i dispositivi di collegamento (BUS) e la loro interazione. Viene inoltre descritta l'architettura della scheda madre e i tipi di memoria.

Tipologia: Appunti

2018/2019

Caricato il 20/11/2021

dalila.barbalace1
dalila.barbalace1 🇮🇹

4.5

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INFORMATICA TEORIA
Computer:
- Punto di vista logico -> macchina che ci permette di compiere azioni in breve tempo al
posto nostro.
- Punto di vista fisico -> dispositivo costituito da circuiti elettronici, i quali misurano 2 stati:
0. Passaggio di corrente (circuito aperto)
1. Assenza di passaggio di corrente (circuito chiuso)
Quindi in pratica i computer elaborano sequenze di 0 e 1 (stringhe binarie).
La minima parte della stringa è detta bit (cifra binaria).
Ciò che deve fare il computer in particolare è digitalizzare l’informazione, cioè codificarla nel
linguaggio binario, costituito da bit e da stringhe.
Metodo + diffuso per fare ciò -> ASCII -> utilizza 8 bit (il primo è sempre 0).
8 bit = 2^8 simboli = 256 simboli.
Tipi di computer:
1) Supercalcolatori -> risolvono problemi di calcolo di complessità elevata (usati quindi per
fare previsioni metereologiche ma anche ricerche in bioinformatica e ingegneria spaziale).
2) Mainframe -> prestazioni notevoli in quanto buona gestione delle periferiche e buona
velocità di calcolo MA utilizzano terminali “stupidi” in quanto non effettuano elaborazioni.
3) Minicalcolatori -> piccoli mainframe (anch’essi con terminali stupidi).
4) Work station -> calcolatori un po' più potenti del personal computer (utilizzati nelle aree
ingegneristiche e tecnico-scientifiche).
5) Personal computer -> Calcolatori destinati ad uso personale.
6) Network computer -> Computer con minime capacità di calcolo (ex. telefoni).
TUTTI I COMPUTER HANNO DUE COMPONENTI:
- HARDWARE (componente fisica -> insieme delle parti solide del computer).
- SOFTWARE (componente logica -> insieme dei programmi eseguiti dal sistema).
Programmi organizzati in files, cioè l’archivio organizzato di dati che risiedono in memoria
(organizzati in quanto hanno una propria gerarchia e un proprio modo di salvare i dati).
Esistono infatti:
File di dati -> contengono informazioni come testi, numeri, suoni e immagini.
File di programmi -> contengono le sequenze di istruzioni per compiere certe azioni.
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INFORMATICA TEORIA

Computer:

  • Punto di vista logico -> macchina che ci permette di compiere azioni in breve tempo al posto nostro.
  • Punto di vista fisico -> dispositivo costituito da circuiti elettronici, i quali misurano 2 stati:
    1. Passaggio di corrente (circuito aperto)
    2. Assenza di passaggio di corrente (circuito chiuso) Quindi in pratica i computer elaborano sequenze di 0 e 1 ( stringhe binarie ). La minima parte della stringa è detta bit ( cifra binaria ). Ciò che deve fare il computer in particolare è digitalizzare l’informazione, cioè codificarla nel linguaggio binario, costituito da bit e da stringhe. Metodo + diffuso per fare ciò -> ASCII -> utilizza 8 bit (il primo è sempre 0). 8 bit = 2^8 simboli = 256 simboli. Tipi di computer:
  1. Supercalcolatori -> risolvono problemi di calcolo di complessità elevata (usati quindi per fare previsioni metereologiche ma anche ricerche in bioinformatica e ingegneria spaziale).
  2. Mainframe -> prestazioni notevoli in quanto buona gestione delle periferiche e buona velocità di calcolo MA utilizzano terminali “stupidi” in quanto non effettuano elaborazioni.
  3. Minicalcolatori -> piccoli mainframe (anch’essi con terminali stupidi).
  4. Work station -> calcolatori un po' più potenti del personal computer (utilizzati nelle aree ingegneristiche e tecnico-scientifiche).
  5. Personal computer -> Calcolatori destinati ad uso personale.
  6. Network computer -> Computer con minime capacità di calcolo (ex. telefoni). TUTTI I COMPUTER HANNO DUE COMPONENTI:
  • HARDWARE (componente fisica -> insieme delle parti solide del computer).
  • SOFTWARE (componente logica -> insieme dei programmi eseguiti dal sistema). Programmi organizzati in files, cioè l’archivio organizzato di dati che risiedono in memoria (organizzati in quanto hanno una propria gerarchia e un proprio modo di salvare i dati). Esistono infatti: File di dati -> contengono informazioni come testi, numeri, suoni e immagini. File di programmi -> contengono le sequenze di istruzioni per compiere certe azioni.

HARDWARE

Architettura del computer -> insieme delle parti solide. Teorizzata da Von Neumann:

  • Unità centrale di elaborazione (CPU)
  • Memoria centrale (RAM)
  • Memoria di massa
  • Dispositivi di ingresso e uscita (I/O)
  • Dispositivi di collegamento (BUS) CPU -> unità che svolge i calcoli (unità di elaborazione -> PROCESSORE). Fornisce le capacità di elaborazione, che avvengono in accordo a delle sequenze di istruzioni dette istruzioni macchina , le quali sono scritte secondo un linguaggio macchina. - Lavora insieme alla memoria centrale - Agisce secondo un programma (PROGRAMMA = serie di operazioni che il CPU deve svolgere -> insieme delle istruzioni). Possiede quindi due tipi di info:
  1. Le istruzioni (programma -> istruzioni macchina e linguaggio macchina)
  2. L’insieme dei dati su cui le istruzioni operano LA CPU POSSIEDE 3 COMPONENTI:
  3. Unità di controllo -> esegue operazioni finalizzati al trasferimento dei dati e al controllo dell’esecuzione dei programmi -> programmi eseguiti in modo ciclico, scanditi da un tempo che è fornito dal clock (sorta di metronomo che fornisce le frequenze con cui la CPU deve elaborare i programmi). Ad ogni ciclo si ha l’esecuzione di un programma, quindi di un’istruzione macchina. Ogni ciclo (ogni istruzione) è formato dalle seguenti attività -> fetch (lettura dell’istruzione dalla RAM), decode (decodifica dell’istruzione caricando i dati dalla RAM), execute (esecuzione dell’istruzione, quindi del programma), infine si memorizza l’info elaborata.
  4. Unità logico-aritmetica -> Insieme dei circuiti che svolgono le operazioni controllate dall’unità di controllo, operazioni che sono di tipo logico e aritmetico (confronti di bit, somme ecc.) -> è lei che legge, decodifica, esegue e memorizza i programmi.
  5. Registri -> Unità di memoria molto veloci ma anche molto piccole (da 4 a 8 byte) le quali contengono le informazioni di necessità immediata per il processore -> RAM. Tutte queste componenti sono collegate alla RAM mediante i BUS, cioè i dispositivi di collegamento -> BUS CONTROLLO, BUS DATI, BUS INDIRIZZI. RAM -> sequenza di celle di memoria.

I DATI VENGONO SALVATI PERMANENTEMENTE.

  • Memoria non molto veloce (anzi molto lenta)
  • Memoria molto ampia (capacità di memorizzazione altissime)
  • Memoria non volatile (dati salvati permanentemente) Esistono due sistemi di memoria secondaria:
  1. Dischi e nastri magnetici ( dischi magnetici )
  2. Tecnologie basate sull’uso dei raggi laser ( dischi ottici ) -> CD e DVD. DISCHI MAGNETICI Sfruttano l’esistenza di sostanze che possono essere magnetizzate (ex. Hard Disk). La magnetizzazione può essere positiva o negativa a seconda del tipo di magnetizzazione verrà usato il bit 0 o il bit 1 (0 negativa 1 positiva). HARD DISK -> capacità molto alta ma velocità molto bassa. Costituiti da: -Traccia -Settore -Arm -> leggono i settori e le tracce, posizionandosi sullo specifico settore o traccia da leggere. Cosa è la formattazione? -> suddivisione del rivestimento magnetico del disco in tracce e settori. DISCHI OTTICI Basati sull’uso di un raggio laser per le operazioni di lettura. PRIMA: sola lettura (per la scrittura necessaria una modifica fisica del disco). ORA: anche scrittura grazie alla masterizzazione. Chiamati infatti con l’acronimo ROM. Possono essere:
  • CD-ROM -> compact disk – read only memory (650 mb)
  • DVD-ROM -> digital versatile disk – read only memory (evoluzione del CD -> capacità molto maggiore -> fino a 17 gb). Dove vengono inseriti i dischi ottici? All’interno di drives , cioè appositi dispositivi contenenti una testina di lettura/scrittura tramite cui avvengono i trasferimenti dati fra disco e macchina. Come funzionano i dischi ottici?
  1. Il raggio laser viene emesso in fasci
  2. Il raggio laser viene riflesso in modo diverso a seconda che la superficie sia forata o no (superfici dei dischi ottici fatte con tanti piccolissimi forellini). Si avrà quindi due riflessioni: -Forata -Non forata A seconda del tipo di riflessione si avrà un bit diverso tra 0 e 1.

Dispositivi I/O -> anche detti periferiche -> permettono di realizzare l’interazione fra la macchina e l’utente che la utilizza. Essi quindi:

**- Ricevono input dall’esterno

  • Producono output dall’interno** La loro funzione è proprio quella di consentire l’ammissione dei dati all’interno dell’elaboratore, quindi degli input, ma anche l’uscita all’esterno dei risultati dell’elaborazione, quindi gli output. Altre caratteristiche:
  • Hanno limitata autonomia (sono completamente gestiti dal processore)
  • Sono collegati a dei circuiti che gestiscono il coordinamento tra: -PROCESSORE -MACCHINA -DISPOSITIVI In questo modo è possibile il trasferimento dei dati -> ad opera del controller. MOUSE Dispositivo di puntamento che permette di trasferire un movimento su base solida lineare all’interno del computer, in particolare ad un indicatore che si muove sullo schermo, detto puntatore. Come avviene ciò? -> lo spostamento del mouse viene comunicato al processore, il quale produce lo spostamento sul video, tramite la freccia. L’input viene quindi inviato prima al processore e poi tramite di esso allo schermo. TASTIERA Avverte il processore ogni volta che un carattere è disponibile in ingresso, quindi ogni volta che un carattere viene premuto. A questo punto il sistema:
  • Preleva il carattere
  • Lo deposita in memoria centrale
  • Viene passato dalla memoria al programma cui era destinato (ex. word) E’ quindi un dispositivo:
  • Di ingresso a carattere
  • Di input cieco (in quanto l’utente non può vedere i dati immessi nel calcolatore) MONITOR E’ il video, cioè una matrice di punti illuminati con diversa intensità. (matrice = organizzazione di dati numerici disposti in righe e colonne, cioè pixel e bit). Ogni punto del monitor è detto pixel. L’immagine è composta accendendo/spegnendo i pixel sullo schermo a seconda dei vari colori e dei vari ingressi -> a seconda del numero di pixel si ha una più o meno alta risoluzione. Infine, il video viene proiettato sul display , cioè il dispositivo elettronico adibito per la visual.

SOFTWARE

Insieme dei programmi eseguiti dal sistema -> Cos’è un programma? PROGRAMMA -> insieme ordinato di istruzioni sintatticamente corrette per l’elaboratore, il quale deve eseguire le suddette istruzioni per risolvere un problema. PROBLEMA -> tutto ciò che richiede un’elaborazione di una serie informazioni. Caratterizzato da:

  • L’insieme di dati di partenza ( input )
  • Un risultato cercato ( output )
  • Una soluzione = procedura che genera il risultato a partire dai dati. Come viene attuata la procedura?
    1. Analisi del problema e identificazione della soluzione da parte del 1^ soggetto (noi)
    2. Descrizione della soluzione da parte del 1^ soggetto al 2^ soggetto (pc) -> come? Ovviamente in termini comprensibili al pc, cioè in termini di ALGORITMI
    3. Interpretazione della soluzione da parte del 2^ soggetto
    4. Attivazione della soluzione da parte del 2^ soggetto Procedura attuata quindi dal 2^ soggetto, cioè dall’ esecutore. ALGORITMO -> procedimento che l’esecutore (il calcolatore) utilizza per giungere alla soluzione. Caratterizzato da:
  • Finitezza
  1. Numero di istruzioni finito
  2. Intervallo di tempo finito
  3. Ogni istruzione eseguita un numero di volte finito
  • Generalità l’algoritmo deve fornire la soluzione a una classe di problemi, non solo a uno, quindi non deve rispondere ad una sola istanza ma a più istanze in generale. (istanza = dati = input = DOMINIO, risultato = output = CODOMINIO)
  • Non ambiguità Le istruzioni devono essere definite in modo non univoco, quindi in modo che non vi siano paradossi contraddittori e in modo che il risultato dell’algoritmo sia identico indipendentemente da chi lo sta eseguendo (un input deve dare sempre lo stesso output). Tenere conto di questi 3 aspetti significa formalizzare il linguaggio in modo che esso possa essere capito dall’esecutore, quindi dal calcolatore, il quale opera seguendo delle istruzioni ben precise. Di tutto ciò se ne occupa il software. Il software si compone infine di due parti: SOFTWARE OPERATIVO (ex. windows, unix, linux). SOFTWARE APPLICATIVO (ex. word, excel).

SISTEMA OPERATIVO -> insieme dei programmi che gestiscono il funzionamento base del computer, quindi dell’hardware, quindi:

  • Aspetto grafico del monitor
  • Scrittura e lettura dei dischi
  • Messa in esecuzione e chiusura dei programmi
  • Ricezione e trasmissione dei dati attraverso i dispositivi I/O Inoltre rimane sempre attivo nel momento in cui viene caricato nelle memoria centrale, cioè quando BIOS ne preleva il kerrel e lo mette nella RAM. Componenti fondamentali di un SO:
  1. Gestore dei processi -> processo = programma in esecuzione -> quindi: creazione e cancellazione dei processi, sospensione e riesumazione dei processi, sincronizzazione dei processi, comunicazione tra processi, prevenzione e risoluzione del clock. SISTEMA MONO-TASKING: programmi eseguiti in modo sequenziale (il gestore dei processi deve evitare che vi siano tempi morti, per cui deve controllare che il processore esegua i processi in modo alternato, anche se un processo non è terminato -> per fare questo è necessario che il processore non sia mai inattivo (ridurre al minimo lo stato idle ). SISTEMA MULTI-TASKING: più programmi eseguiti simultaneamente dallo stesso processore -> numero dei processi attivi detto grado di multiprogrammazione del sistema. (questo è il punto di vista dei programmi, in quanto il processore ne esegue uno per volta, politica di gestione nota con il nome FIFO , tuttavia lo fa sfruttando gli eventi esterni che lo farebbero rimanere inattivo -> in questi momenti di inattività il processore non sta fermo ma esegue altri programmi in attesa, politica di gestione nota con il nome di round-robin ). PROCESSO PUO’ QUINDI TROVARSI IN 3 STATI: In esecuzione (sta utilizzando il processore). In attesa (sta aspettando il verificarsi dell’evento esterno cosicché il processore si liberi). Pronto (è potenzialmente in condizioni di poter utilizzare il processore).
  2. Gestore di memoria centrale -> RAM definibile come un’insieme di parole, ognuna identificata da un indirizzo. È gestita dal SO in 3 aspetti: Tenere traccia delle aree di memoria utilizzare e dei rispettivi utenti; Decidere quale processo caricare in memoria quando si rende disponibile lo spazio; Allocare o liberare spazio in memoria a seconda delle richieste. È quindi il gestore che si occupa di inserire i programmi usati al momento nella memoria principale non appena vi è spazio, ma anche di toglierli.
  3. Gestore di memoria secondaria -> memorizza permanentemente dati e programmi nella memoria di massa, la quale è più volatile ma anche più ampia. In particolare il SO è responsabile di: Gestire lo spazio libero; Allocare e deallocare lo spazio; Schedulare i dischi, cioè vedere quali sono le parti libere per scriverci dentro; Allocare files in celle vicine in modo da ridurre i tempi d’accesso e lo spazio occupato.
  4. Gestore dei dispositivi I/O -> gestisce le periferiche (tastiera, mouse, ecc.) Come lo fa? Tramite un sistema di memoria a buffer (BUFFER: area di memoria usata per conservare temporaneamente i dati da trasferire ad un dispositivo).