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Architettura del calcolatore significa costruire degli spazi organizzati in modo che possano essere fruibili. Cos’è un Personal Computer? ha la possibilità di installare le applicazioni di nostro interesse, ci sono tutta una serie di programmi con la particolarità che ha la possibilità di essere personalizzato. Per farlo ci si appoggia al mondo dell’hardware e del software, l’informatica si basa su hardware e software (d’ambiente e applicativo). Il funzionamento di un PC si basa su due elementi fondamentali ovvero istruzioni da eseguire e dati da elaborare. HARDWARE (HW) è composto da tutti i componenti fisici SOFTWARE (SW) programmi che vengono eseguiti dall’HW: di sistema/d’ambiente applicativo, realizza specifiche esigenze applicative MODELLO DI VON NEUMANN Ha inventato il concetto di computazione/primo computer, ha inventato un computer negli anni ‘ del secolo scorso, modello molto semplice composto da 4 elementi: unità di elaborazione (CPU), il computer deve avere un dispositivo in grado di interpretare dei comandi ed eseguire dei programmi, programma è sequenza di passi che vanno eseguiti (processore) memoria centrale, dove stanno dati e programmi, memoria è MEMORIA RAM interfaccia delle periferiche, interfaccia è dispositivo che si pone in mezzo tra dispositivo ed esecuzione, permettono di interagire con il mondo esterno (tastiera, mouse, visore 3D, ecc) bus di sistema, che collega i tre oggetti precedenti In questo sistema manca la memoria di archiviazione, è stata trascurata perché la macchina di Von Neumann non prevede un HARD-DISK, rientra nelle periferiche che non sono specificate. Come funziona un calcolatore? modo semplice, memoria centrale contiene dati e programmi, PC funziona in modo sincrono, prende un’istruzione dalla memoria centrale, decodifica, interpreta ed esegue, i bus di sistema connettono tutti gli elementi. In ogni processore maggiore è la frequenza, minore è il tempo che impiega a eseguire le istruzioni in un secondo. MM è matrice fatta da numero di colonne fissato (16, 32, potenze di due) e righe che variano in base a quanto RAM abbiamo pagato, quando uno compra dispositivo elettronico non si parla di RAM anche se è fondamentale perché è il luogo dove dati e programmi vivono. MM contiene sia dati sia programmi di istruzione, ogni riga si chiama PAROLA M. VOLATILE mantiene il suo stato una volta alimentata da energia, se va via la corrente viene persa, ma sono molto più veloci degli hard-disk Spazio di indirizzamento, insieme di tutte le righe fino al 1023 (2*10=1024) permette di puntare esattamente la cella di memoria che serve in un determinato momento, per accedere alla casello metto la sequenza dell’indirizzo in BIT UNITA’ DI ELABORAZIONE, unica che distingue dati e programmi tra loro unità di controllo preleva l’istruzione dalla memoria, la decodifica, la interpreta e la esegue
clock definisce gli istanti di tempo in cui viene eseguita un’istruzione unità aritmetico-logica registro dati, stesso registro dati della MM (che cosa) registro indirizzi, uguale a MM (dove) registro istruzione corrente, piccola memoria dove viene portata un’istruzione per essere interpretata registro contatore di programma che da l’istruzione successiva da eseguire A, B registri operandi e registri generali BUS DI SISTEMA sequenza di lettura sequenza di scrittura, unità di elaborazione dice dove si vuole scrivere e mette nel registro dati, da comando di scrittura, memoria prende le informazioni e le inserisce del posto giusto, dando l’ok della buon fine dell’operazione unità comanda,, memoria esegue INTERFACCIA DELLE PERIFERICHE fatto in modo simile, specifico il comando e si esegue con registri dati e registri comandi tutti i calcolatori si ispirano alla macchina di Von Neumann CABINET, detto anche case, contenitore esterno, LAPTOP, DESKTOP, TOWER SCHEDA MADRE, oggetto fondamentale, alloggia tutti i componenti fondamentali e si occupa di far trovare posto ai componenti principali, ha una batteria a bottone che permette di contare il tempo in modo tale che, quando spengo un computer e lo riaccendo sa data e ora giusta. Quando si scarica la batteria si ritorna all’origine del tempo 1/01/1970 per i computer. MICROPROCESSORE, montato insieme a una ventola, esegue tutte le richieste che arrivano dal sistema operativo, legge e scrive i dati nella MM, riconosce ed esegue i programmi, indica alle altre componenti del computer cosa fare MEMORIA PRINCIPALE RAM, memoria di accesso casuale ovvero ci impiega lo stesso tempo per leggere i dati nelle varie celle, fisicamente il posto dove ci sono tutte le info su cui si sta lavorando INTERFACCE INPUT/OUTPUT, sono le port di comunicazione tra computer ad altri dispositivi HARD-DISK, memoria di massa non volatile fatto da dischi rigidi che contengono info, disco ricoperto di materiale ferromagnetico che può essere polarizzato, dischi in rotazione con testine che stanno a pochi micro dalla superficie e si spostano insieme e leggono le info memorizzate per polarizzazione magnetica le info restano anche senza corrente le info sono scritte in termini di magnetizzazione, disco diviso in zone ciascuna delle quali contiene ino specifiche FORMATTARE significa PREGI DISCHI RIGIDI: molto robusti e contengono una grande quantità di dati, buon compromesso nel rapporto qualità-prezzo
La codifica binaria è fatta da due simboli: 0 e 1, ma è capace di rappresentare elementi complessi. Cifra binaria (BIT) è la più piccola quantità di info che possono essere da una qualsiasi configurazione. COME SI RAPPRESENTA IN BINARIO? con un bit codifico 2 elementi, con più bit codifico più configurazioni di elementi. k*bit = 2 elevato k stati = 2 elevato k oggetti Ogni bit che aggiungo va a raddoppiare in numero di configurazioni Se so che voglio codificare N oggetti so che N < 2 elevato k bit SCREEN DELLE SLIDE Non esistono configurazioni meglio di altre dato che l’importante è che non vengano lasciati inutilizzati troppi elementi e che venga accordata una sintassi. Per definire un codice parto dall’insieme degli oggetti che voglio rappresentare e in base a quello decido la quantità di bit, sintassi e semantica. 1 BYTE = 8 bit, 256 configurazioni CODIFICA ASCII (American Standard Code for Information Interchange) utilizza 7 bit = 128 configurazioni/caratteri, CODISCE ASCII ESTESO usa 256 caratteri = 8 bit, CODICE UNICODE usa 16 bit = 2 elevato a 16 caratteri. Stringa è sequenza di caratteri. La notazione posizionale è la semantica. CODIFICA BINARIA, usata per tutte le info, ha una base B = due fatta da due elementi (0, 1). Preso un qualsiasi numero binario N espresso in base 2, basta che riscriva secondo la notazione posizionale utilizzando cifre e potenze della base 10. CONVERSIONE BINARIO —> DECIMALE Scrivo il numero binario e associo ad ogni cifra una posizione numerata a partire da 0 da destra, moltiplico ogni cifra binaria per la potenza di 2 della posizione assegnata (posizione 3=2 elevato a 2), calcolo il valore delle potenza di 2, moltiplico ogni cifra binaria per il valore della sua potenza di 2 e sommo i risultati. CONVERSIONE DECIMALE —> BINARIO Parto dal decimale e divido per 2 finché non arrivo ad avere la divisione 2:2 con resto 0, faccio poi 1:2=0 con resto 1, leggo tutti i resti dall’ultimo al primo. Per i numeri interi con segno si utilizza il primo bit a sinistra per codificare il segno: 0 per i positivi, 1 per i negativi, ma è inefficiente perché per lo zero esistono due codifiche diverse, motivo per il quale si usa il COMPLEMENTO DUE. Una memoria è sempre una sequenza di bit, quello che cambia è il contenuto. SEGNALI AUDIO I suoni sono onde/sinusoidi che possono essere sommate tra loro. Per rappresentare in binario un suono devo ottenere una grafico “squadrato” quindi sommo varie sinusoidi finché non ottengo la sequenza di bit.
- PROBLEMA: il suono è un segnale continuo nel tempo, devo andare a campionarlo in istanti di tempo precisi ovvero lo DISCRETIZZO. Invece che usare tutto il tempo, utilizzo la
frequenza per ottenere il periodo (f=1/T, ricavo il tempo T=1/f). ATTENZIONE ALLE FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO.
- Discretizzo le ampiezze secondo intervalli regolari di T secondi, non prendo tutte le ampiezze ma solo alcune fissate e precise, prendo il minimo e il massimo delle ampiezze, prendo il range, decido quanto bit voglio usare e divido il range quante sono le configurazioni possibili compreso max e min. Approssimo ogni campione T all’ampiezza più vicina e associo una configurazione. Errore di campionamento=allontanarsi troppo dal valore reale Facendo ciò passo dal tempo continuo al tempo discreto. Su un CD può starci un’ora di musica (630 MByte), con i file MP3 si riducono gli audio secondo un fattore di riduzione 10: TECNICHE LOSSY, comprime perdendo informazioni sfruttando delle debolezze dell’orecchio umano. TECNICHE LOSSLESS, comprime informazioni senza perdere qualità, file zip. IMMAGINI Simile ai suoni perché le immagini del mondo reale vanno discretizzate, ovvero devono essere trasformate in parti distinte che possono essere codificate sotto forma di numeri. IMMAGINI RASTER/SCALARI (fotografie) Immagini non discrete con informazioni continue, discretizzo con una griglia, poi rappresento ogni pixel con un numero. I punti più critici delle immagini sono i contorni. A differenza dei segnali non devo trovare minimi e massimi, dato che si sanno già, ovvero nero e bianco, con minimo e massimo vado a definire il numero di bit quindi il numero di colori. Per le immagini che hanno contorni curvi che passano a metà pixel si va per maggioranza. Informazione numerica del pixel è informazione quantizzata. Immagini in bianco e nero (solo bianco e nero) ho solo due configurazioni quindi uso solo un bit. Immagini bianco e nero sfumate con tonalità di grigio prendo massimo e minimo e in base a quanti bit ho a disposizione prendo delle scale di grigio. Immagini a colori secondo il modello RGB (red, green, blu) che fa una sintesi additiva dei tre colori primari, il numero di bit per ogni pixel si chiama PROFONDITA’ CROMATICA. Profondità cromatica e risoluzione determinano il peso di un’immagine, per quelle in bianco e nero sono un byte per pixel mentre per quelle a colori sono 3. TECNICHE LOSSLESS come per gli audio, per le immagini si usano PNG TECNICHE LOSSY, sfruttano le caratteristiche degli oggetti rappresentati per buttare via delle informazioni poco importanti. JPEG tecnica lossy che sfrutta il fatto che l’occhio umano è poco sensibile ai lievi cambi di colore in punti contigui, immagini non hanno i colori originali ma si avvicinano molto. TIFF non si perdono informazioni, formato originale ma pesa molto GIF più immagini nello stesso file, comprime senza perdere PNG tecnica lossless, ottimale per immagini web
Sequenza finita di azioni che risolve in un dato tempo dei problemi, tramite una macchina astratta capace di eseguire azioni specificate nell’algoritmo. Ogni azione deve essere univocamente interpretabile, vanno date istruzioni precise per eseguire le azioni in tempo finito. Proprietà: eseguibilità, non ambiguità, finitezza. Per poter far eseguire qualcosa all’algoritmo bisogna scomporre parti e azioni complesse in semplici. L’algoritmo opera con
- OGGETTI: dati iniziali del programma, info ausiliarie, risultati parziali e finali, tutte queste info possono essere variabili o costanti
- OPERAZIONI: interventi da effettuare sui dati come calcoli, confronti, ricopiature, ecc.
- FLUSSO DI CONTROLLO: insieme di tutti i possibili percorsi
- FLUSSO DI ESECUZIONE: una delle possibili sequenze del flusso di controllo, sequenza che viene effettivamente eseguita Per scrivere un algoritmo si deve definire un linguaggio/vocabolario (insieme di elementi per la descrizione, operazioni e flusso di controllo), definire una sintassi e una semantica. Devo creare una rappresentazione, descrizione univoca per l’esecutore che non può essere fraintesa. Il linguaggio naturale è intrinsecamente ambiguo, quindi le istruzioni per gli algoritmi si scrivono con un linguaggio di tipo grafico, dove ogni particolare segno grafico ha un significato specifico e unico, ad ogni simbolo grafico è associato un blocco a sua volta associato ad un’istruzione elementare. I blocchi sono collegati tra loro tramite delle frecce che indicano il susseguirsi delle istruzioni. Blocco di controllo è il blocco condizione ha due possibilità e due percorsi, se la condizione è vero ci sarà un percorso, se è falsa ce ne sarà un altro. Grazie ai 6 blocchi si possono implementare 3 strutture di controllo:
- SEQUENZA: serie di istruzioni
- SELEZIONE: decidere nel blocco condizione
- RIPETIZIONE: eseguire di nuovo un’istruzione
Ogni volta che di arriva a un blocco condizione, se questa è verificata il programma esce dal ciclo, altrimenti lo ripete. Un ciclo è detto ENUMERATIVO quando è noto a priori il numero di volte che deve essere eseguito, e si usa una variabile detta contatore del ciclo che viene incrementata (o decrementata) fino a raggiungere un valore prefissato Un ciclo è detto INDEFINITO quando non è noto a priori il numero di volte che deve essere eseguito, questo accade quando la condizione di fine ciclo dipende dal valore di una o più variabili che dipendono dall’interazione con l’esterno o vengono modificate all’interno dell’iterazione in modo complesso. TEOREMA DI BOHM-JACOPINI Basta conoscere le 3 strutture di controllo per scrivere algoritmi Un diagramma a blocchi è un insieme di blocchi costituito da un blocco iniziale, un numero finito maggiore di 1 di blocchi azioni e/o blocchi di lettura o scrittura, un numero finito maggiore di 0 di blocchi controllo e un blocco finale Le condizioni di validità dicono che ciascun blocco deve essere raggiungibile dal blocco iniziale, e che il blocco finale deve essere raggiungibile da ogni blocco. BLOCCHI-CONCETTO DI VARIABILE: informazioni che variano ad ogni esecuzione, info che variano con ogni azione. 2 particolarità:
- Variabile ha sempre un nome che la definisce
- Ad ogni variabile è sempre associato un nome, non può essere vuota OPERATORI
- Aritmetici: +, /, -, agiscono sugli operandi (variabili o costanti) producono un valore numerico
- Di confronto: >, =, <, agiscono sugli operandi (variabili o costanti) producono un valore logico (vero o falso)
- Funzioni: cos(x), log(x), agiscono su valori detti parametri (variabili oppure costanti) e producono un valore FLUSSO DI CONTROLLO, FLUSSO DI ESECUZIONE E TRACING Quando si scrive un algoritmo per capire sa funziona va provato, si utilizza il meccanismo di tracing. PROGRAMMAZIONE
- LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE, fondamentale per eseguire programmi, nel CPU vengono eseguite istruzioni in linguaggio binario, per far sì che ciò avvenga è necessario scrivere secondo un linguaggio macchina che è diverso da calcolatore a calcolatore
- FASI DELLA PROGRAMMAZIONE
- PARADIGMI DELLA PROGRAMMAZIONE
- COSTRUTTI ELEMENTARI DI UN LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE Algoritmo è la struttura logica che sta dietro ai programmi
Include significa portare dentro/dichiarare di utilizzare delle funzioni che si trovano nella libreria stdio.h (standard input output) sono librerie che già esistono quindi si danno le indicazione su dove si trova la libreria che si vuole usare Int main equivale all’inizio La sequenza di istruzioni è contenuta tra parentesi graffe, ciascuna istruzione (Statement) deve essere seguita dal punto e virgola. \n va a capo, indica una nuova linea (new line) Return equivale alla fine e serve a terminare la funzione main, si utilizza 0 per indicare che il programma è stato chiuso correttamente Le parentesi graffe si usano per aprire e chiudere il programma
