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Il computer come macchina da calcolo: introduzione all'architettura e al funzionamento, Appunti di Elementi di Informatica

Questo modulo fornisce una introduzione alla natura di un computer come macchina da calcolo, spiegando come l'aritmetica binaria e la traduzione di numeri da base decimale a binario sono fondamentali per il funzionamento di un computer. Viene inoltre presentato il concetto di livelli nella architettura informatica, dalla memoria volatile alla memoria secondaria, e la necessità di un bus per la comunicazione tra componenti.

Tipologia: Appunti

2020/2021

Caricato il 14/01/2021

studente4599
studente4599 🇮🇹

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MODULO 1
IL COMPUTER COME MACCHINA DA CALCOLO
Il computer è parte integrante della società, che negli anni ha subito evoluzioni e miglioramenti.
Nasce come macchina da calcolo per velocizzare lo svolgimento di operazioni alla base di problemi
scientifici. L'uomo ordina alla macchina cosa fare per risolvere determinati quesiti, senza
preoccuparsi di come questa lo faccia.
L'ARITMETICA DEL COMPUTER
PROBLEMA: ogni quesito che richiede una soluzione partendo da elementi noti. Siamo abituati a
risolvere i problemi utilizzando le operazioni aritmetiche (+-*:). L'operazione aritmetica è detta
binaria poiché parte da due numeri detti operandi e produce un numero chiamato risultato.
I numeri con il quale lavoriamo abitualmente sono in base 10 (0 1 2 3 4 5 6 7 8 9)
I meccanismi del cervello elettronico sono diversi da quelli dell'uomo perciò anche il metodo di
risoluzione dei problemi sarà diverso, il computer farà riferimento alla presenza o all'assenza di
elettricità nei suoi organi interni, è per questo che dispone solo di due simboli 0 e 1.
Questo sistema sarà detto in base 2 o binario.
Il computer per risolvere un quesito deve quindi tradurre il linguaggio umano a lui incomprensibile
in linguaggio macchina.
SOMMARE 5+3 per avere 8 → -trasformare 5 e 3 da decimale a binario
-una volta ottenuto il risultato binario, bisogna tradurlo in forma a
noi comprensibile
Una traduzione binaria di un numero decimale sarà una sequenza di soli 0 e 1, chiamati BIT (binary
digit), ovvero l'unita di elaborazione più piccola di un sistema informatico.
Per distinguere un numero da una base all'altra useremo questa notazione → (numero) base
es. 128 → (128) 10
TRASFORMARE UN NUMERO DA DECIMALE A BINARIO
ES. (140) 10
OPERAZIONE QUOZIENTE RESTO
140:2 70 0
70:2 35 0
35:2 17 1
17:2 8 1
8:2 4 0
4:2 2 0
2:2 1 0
1:2 0 1
LA TRADUZIONE DI 140 IN CODICE BINARIO DUNQUE SARA' 10001100.
L'EQUAZIONE SARA' (140) 10 = (10001100) 2
FORMA POLINOMIALE → riscrittura del numero in una particolare somma, in cui ogni cifra del
numero è espresso a seconda della sua unità moltiplicata per un'opportuna potenza della sua base.
ES. (2742)10 = 2 migliaia+7 centinaia+4 decine+2 unita
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MODULO 1

IL COMPUTER COME MACCHINA DA CALCOLO

Il computer è parte integrante della società, che negli anni ha subito evoluzioni e miglioramenti. Nasce come macchina da calcolo per velocizzare lo svolgimento di operazioni alla base di problemi scientifici. L'uomo ordina alla macchina cosa fare per risolvere determinati quesiti, senza preoccuparsi di come questa lo faccia. L'ARITMETICA DEL COMPUTER PROBLEMA: ogni quesito che richiede una soluzione partendo da elementi noti. Siamo abituati a risolvere i problemi utilizzando le operazioni aritmetiche (+-*:). L'operazione aritmetica è detta binaria poiché parte da due numeri detti operandi e produce un numero chiamato risultato. I numeri con il quale lavoriamo abitualmente sono in base 10 (0 1 2 3 4 5 6 7 8 9) I meccanismi del cervello elettronico sono diversi da quelli dell'uomo perciò anche il metodo di risoluzione dei problemi sarà diverso, il computer farà riferimento alla presenza o all'assenza di elettricità nei suoi organi interni, è per questo che dispone solo di due simboli 0 e 1. Questo sistema sarà detto in base 2 o binario. Il computer per risolvere un quesito deve quindi tradurre il linguaggio umano a lui incomprensibile in linguaggio macchina. SOMMARE 5+3 per avere 8 → -trasformare 5 e 3 da decimale a binario -una volta ottenuto il risultato binario, bisogna tradurlo in forma a noi comprensibile Una traduzione binaria di un numero decimale sarà una sequenza di soli 0 e 1, chiamati BIT (binary digit), ovvero l'unita di elaborazione più piccola di un sistema informatico. Per distinguere un numero da una base all'altra useremo questa notazione → (numero) base es. 128 → (128) 10 TRASFORMARE UN NUMERO DA DECIMALE A BINARIO ES. (140) 10 → OPERAZIONE QUOZIENTE RESTO 140:2 70 0 70:2 35 0 35:2 17 1 17:2 8 1 8:2 4 0 4:2 2 0 2:2 1 0 1:2 0 1 LA TRADUZIONE DI 140 IN CODICE BINARIO DUNQUE SARA' 10001100. L'EQUAZIONE SARA' (140) 10 = (10001100) 2 FORMA POLINOMIALE → riscrittura del numero in una particolare somma, in cui ogni cifra del numero è espresso a seconda della sua unità moltiplicata per un'opportuna potenza della sua base. ES. (2742) 10 = 2 migliaia+7 centinaia+4 decine+2 unita

(2742) 10 = 2x1000 + 7x100 + 4x10 + 2x

(2742) 10 = 2x10^3 + 7x10^2 + 4x10^1 + 2x10^0

(1101) 2 = 1x2^3 + 1x2^2 + 0x2^1 + 1x2^0 1x8 + 1x4 + 0x2 + 1x1 = (13) 10 (1101) 2 = (13) 10 → TRASFORMAZIONE DA BINARIO A DECIMALE Un bit può immagazzinare un solo valore 0 e 1, non può quindi costituire un valore complesso come una sequenza di 0 e 1 appunto. Per rappresentare quindi una sequenza di più bit è stato necessario costruire uno standard fisso di rappresentazione informatica di un dato. A questo scopo nasce il BYTE, ovvero una sequenza di 8 bit. Data la scomodità nel scrivere un byte attraverso 8 cifre, è nato un metodo che ha permesso la rappresentazione del byte mediante due sole cifre. Si utilizza una base diversa, maggiore di 10, ossia 16, detta appunto base esadecimale. Per rappresentare una base bisogna avere un numero di simboli pari a quello della base da rappresentare. Es → base2 : 0, → base10: 0,1,2,3,4,5,6,7,8, CONVERTIRE UN NUMERO DA BASE 10 A BASE 16 quindi (3706) 10 = (EB0) 16 CONVERTIRE UN NUMERO DA BASE 16 A BASE 10 OPERAZIONI

PRINCIPIO DI ASTRAZIONE TRA UOMO E MACCHINA → L'uomo si astrae, si allontana da ciò che sono i meccanismi interni della macchina, che rimanendo nascosti all'utente gli permettono di concentrarsi solo sulle attività essenziali. Quindi, MINORE sarà il rapporto tra uomo e macchina, MAGGIORE sarà l'astrazione fra i due. LA CALCOLATRICE Per far si che una calcolatrice tradizionale funzioni servono fili, transitor e circuiti che lavorano tra loro. Questi elementi sono raggruppati in un unico LIVELLO che per comodità chiameremo LIVELLO FISICO. I circuiti non funzionano in maniera disordinata, hanno un preciso scopo, quello di compiere calcoli. La calcolatrice dispone di una sua memoria interna che registra le nostre richieste. Per questo la calcolatrice dispone di “contenitori” che le permettono di raccogliere e registrare questi dati. I contenitori sono chiamati REGISTRI. Un insieme di registri sono raggruppati in un nuovo insieme, il LIVELLO, in grado di cooperare con il precedente. Questo nuovo livello è detto LIVELLO LOGICO, l'ambito in cui il cervello della calcolatrice risolve i calcoli. Senza il livello fisico non esisterebbe il livello logico. Chi usa la calcolatrice si preoccupa di digitare i numeri e leggere le risposte, senza preoccuparsi di come la macchina funziona al suo interno.

LIVELLO LOGICO → mette a disposizione i registri, grazie alla presenza dei circuiti presenti nel livello fisico LIVELLO FISICO → permette l'esistenza materiale dell'oggetto Una macchina da calcolo risulta quindi una GERARCHIA DI LIVELLI, in cui quello più basso è affine alla macchina, mentre quello più alto è più vicino all'uomo. ARCHITETTURA INFORMATICA → descrizione di come sono organizzati gli elementi alla base della struttura dell'elaboratore. JHON VON NEUMANN ha proposto un modello di architettura che si è rivelato efficace. Nacque l'esigenza di creare una macchina in cui fosse possibile introdurre programmi diversi senza dover ricorrere al riposizionamento dei cavi interni. Questa macchina doveva possedere una propria memoria interna, riprogrammabile, all'interno della quale fosse possibile introdurre programmi diversi a seconda dell'esigenza imposta da un particolare problema. CPU → central processing unit- unità centrale di calcolo, è il cuore del computer. La sua funzione fondamentale è quella di eseguire i programmi contenuti nella memoria principale della macchina. Anche la cpu possiede i registri. REGISTRI → aree in cui è possibile memorizzare alcuni tipi di dati, al fine di rendere possibile l'elaborazione da parte del computer. L'ALU → arithmetic logic unit, unità aritmetico logica, permette alla cpu di svolgere operazioni di base. Elabora due termini (A e B) e produce un risultato ( C ). Ecco perché è rappresentato sotto forma di V. CONTROL UNIT → unità di controllo, il “direttore dell'orchestra”. Coordina le azioni della cpu, e permette lo svolgimento in sequenza delle azioni. MEMORIA PRINCIPALE → in essa sono presenti i programmi e i dati che vengono elaborati dalla macchina. Permette la memorizzazione dei dati solo se al suo interno circola corrente. Quando si interrompe il passaggio di questa, i dati vengono persi. Per questo è detta memoria VOLATILE. MEMORIA SECONDARIA → i dispositivi fisici che permettono la memorizzazione permanente dei dati (es. dischi rigidi, cd, dvd, chiavi usb, ecc) DISPOSITIVO DI INPUT → qualunque dispositivo che permette all'utente di inviare informazioni alla macchina. es. tastiera, mouse