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Informatica Generale
SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLʼINFORMAZIONE
💡 Cosʼè lʼinformatica^ ^ Lʼinsieme dei processi e delle tecnologie che rende
possibile la creazione , la raccolta , lʼelaborazione , lʼimmagazzinamento e la diffusione dellʼinformazione. Elementi funzionali dell'informatica sono i Sistemi di Elaborazione dell'Informazione. Spesso tali sistemi sono detti “elaboratori elettroniciˮ, o ancora più semplicisticamente “computerˮ.
L'etimologia italiana della parola "informatica" proviene dal francese, dalla compressione di inform(ation electronique ou autom)atique. Diversi termini, un solo ente:
elaboratore : in italiano, che sottintende un processo prossimo all'intelligenza umana; ordinateur : in francese, a sottolineare le sue capacità di organizzare i dati (oggi le informazioni); computer : in inglese, letteralmente calcolatore, in diretta discendenza delle calcolatrici, prima meccaniche, poi elettromeccaniche, poi elettroniche.
Hardware e Software
LʼHardware ( HW ) ed il Software ( SW ) sono i due pilastri su cui si regge lʼinformatica:
lʼhardware è la componenta fisica del computer (monitor, tastiere, stampanti, etc); il software è la componente “mentaleˮ (windows, amule, internet explorer, videogiochi).
Es. analogia con l'essere umano: l'hardware è il corpo e il software è ciò che determina il comportamento (le opinioni, i ricordi, il carattere personale etc...).
Dati
I dati sono la materia prima del trattamento dellʼinformazione. Tipi di dati:
semplici : numeri, caratteri, date; complessi : immagini, grafici, filmati, suoni, animazioni (la gestione di dati complessi è resa possibile dalla potenza raggiunta dagli elaboratori nellʼultimo decennio).
Il ciclo di elaborazione dellʼinformazione
RAPPRESENTAZIONE DELLʼINFORMAZIONE
Il bit
Si parla di matematica binaria, contesto in cui gli elementi rappresentativi sono due simboli: ‘0ʼ, ‘1ʼ
rappresentazione analogica : 256 gradi di luminosità con una lampada; rappresentazione digitale : 8 lampade 256 configurazioni diverse);
Ciò induce a comprendere che la rappresentazione digitale è lʼopzione migliore.
Rappresentazione Binaria
Le informazioni che si vogliono trattare con lʼausilio di dispositivi elettronici sono:
Informazioni tradizionali : numeri (interi positivi, positivi e negativi, reali) e testi; Informazioni multimediali : immagini fisse (vettoriali, possono essere descritti da elementi matematici quali il vettore; bitmap, mappa dei bit; puntini che caratterizzano il reticolo dellʼimmagine), audio e video.
Codifica binaria
Esiste una particolare aggregazione di bit che è costituita da 8 bit 2^8 256 informazioni) e prende il nome di byte.
Di solito si usano i multipli del byte.
SISTEMI NUMERICI
Per determinare un sistema numerico serve:
un insieme limitato di simboli (le cifre), che rappresentano quantità prestabilite 1, 2, V, X, M; le regole per costruire i numeri: sistemi numerici posizionali ; Il valore delle cifre dipende dalla loro posizione allʼinterno del numero; ogni posizione ha un peso. es.:
In tal caso stiamo considereando dei sistemi a base fissa dove:
sistemi numerici non posizionali. il valore delle cifre è indipendente dalla posizione (es. Numeri romani); in tal caso quindi la posizione del numero non conta.
Sistema Decimale
È un sistema numerico posizionale a base fissa; questo utilizza:
r= d=0,1,2,3,4,5,6,7,8,
es.:
Bit Necessari
Le macchine hanno vincoli spaziali:
è necessario conoscere il massimo valore rappresentabile; con n bit si può rappresentare al massimo ilcnumero 2^n-1 ; è facile determinare che per poter rappresentare fino ad X , sono necessari un numero n di bit pari a [log2X; dove [y] (ovvero le parentesi incicano che) resitituisce il più piccolo numero intero maggiore o uguale a y (contenuto nelle parentesi).
Overflow
Esiste un limite al numero di bit impiegati per rappresentare un numero.
Dato che la rappresentazione è formata da un numero finito di bit, se si supera tale limite si ha errore: overflow.
MEMORIZZAZIONE SU CALCOLATORI E CODICE
Bit, Byte e Word
L'unità atomica è il bit; l'insieme di 8 bit è detto byte. Una word è un insieme di bit la cui dimensione è una importante caratteristica del calcolatore considerato.
tipicamente 16, 32 o 64bit; influenza la larghezza degli indirizzi; influenza la dimensione dei registri del processore (aree di memorizzazione allʼinterno del processore);
influenza larghezza dei bus, trasportatori di dati (word o multipli di essa).
Intervalli di Variabilità
Bit: numero di configurazioni: 2; intervallo di variabilità: 0,1;
Byte: numero di configurazioni: 256; intervallo di variabilità: dipende dal tipo di codifica.
Codifica dei Testi
La codifica è un insieme di regole che vengono adottate a livello internazionale per associare ad una sequenza di 8bit, un carattere. Si utilizza una tabella (arbitraria) e viene universalmente ricoconosciuto, ad oggi, come standard
Tabella dei codici ASCII American Standard Code for Information Interchange)
ogni carattere (simbolo) è codificato con 7 bit: 128 simboli diversi.
Tabella dei codici ASCII esteso
ogni carattere (simbolo) è codificato con 8 bit: 256 simboli diversi.
Grazie al SO possiamo: eseguire un programma, salvare un file, stampare un documento. programmi applicativi ; Elaboratore Software Attore Copione Lʼattore recita ruoli diversi a seconda del copione che gli viene dato. Lʼelaboratore svolge funzioni diverse a seconda del programma utilizzato. Applicazioni : compiti eseguiti con lʼausilio del computer. Programmi Applicativi : programmi utilizzati per svolgere le applicazioni.
Le Interfacce Utente
Rappresentano il mezzo di interazione tra lʼutente e la macchina (possono essere a caratteri o con grafiche). Le Interfacce Grafiche Utente GUI vennero sviluppate al Xerox PARC. Oggi ne esistono diverse (es. Windows di Microsoft).
GUI: Caratteristiche Comuni
Interfaccia a finestre; Funzioni attivabili tramite click del mouse; Impiego della tecnologia WTSIWYG; Standardizzazione dei comandi tra le diverse applicazioni (es.: taglia, copia, incolla, cerca...).
I Sistemi Operativi
Hanno subito nel corso del tempo un graduale ampiamento delle loro funzioni (connessione ad una rete, gestione del suono e del video).
Appena le nuove funzionalità si diffondono vengono assorbite dal SO (i progettisti SW considerano comune a tutti gli elaboratori).
Funzioni principali :
Gestire le risorse dellʼelaboratore; Controllare che le operazioni vengano eseguite in modo regolare;
Determinare dove memorizzare dati e programmi; Coordinare la comunicazione tra i vari componenti del computer; Gestire lʼinterazione tra lʼutente e i programmi applicativi.
Il Ruolo del BIOS
Il BIOS Basic Input Output System) è un programma memorizzato su un chip di memoria ROM che fornisce un collegamento fra il SW e i componenti HW dellʼelaboratore. Ha diverse funzioni:
interpreta i dati immessi tramite la tastiera; visualizza i caratteri sullo schermo; gestisce le comunicazioni attraverso le porte del computer;
Eʼ la porzione del SO che si occupa di acquisire lʼinput dellʼutente e di interpretarlo (es.: doppio click sullʼicona di unʼapplicazione; il SO interpreta questi comandi caricando ed eseguendo lʼapplicazione).
I Sistemi Multitasking
I vecchi SO potevano eseguire soltanto un programma per volta. I SO moderni consentono di utilizzare diversi programmi contemporaneamente.
Ma come si fa con una sola CPU?
Multitasking preempitive : lʼaccesso al processore è regolato dal SO.
I Sistemi Multithreading
I programmi, in genere, elaborano i dati e i comandi in ordine sequenziale: solo quando unʼoperazione è stata portata a termine possono iniziarne unʼaltra. In un SO multithreading i programmi applicativi possovo svolgere più operazioni parallelamente.
INTRODUZIONE ALLʼARCHITETTURA DEI
CALCOLATORI
Calcolatore Unità di Elaborazione Unità di Controllo
Preleva le istruzioni dalla memoria; Interpreta i codici di istruzione; Effettua le azioni che questi prevedono;
Programma Insieme organizzato di istruzioni.
Organizzazione a livelli
Hardware e software sono organizzati a livelli:
ciascun livello corrisponde a una macchina (reale o virtuale) in grado di eseguire un proprio insieme di operazioni; ciascun livello fornisce un insieme di operazioni più semplici da utilizzare rispetto a quelle del livello sottostante; ciascun livello è realizzato in termini dellʼinsieme di operazioni fornite dal livello immediatamente sottostante.
Componenti di un Calcolatore
Bus e soluzione Master-Slave
Il bus è una linea a cui sono contemporaneamente connesse le unità del calcolatore e che consente il trasferimento di dati tra tali unità.
Problema : contesa su un mezzo condiviso! Soluzione CPU master, periferiche = slave
Punti di forza:
semplicità 1 sola linea di connessione ∀ # di dispositivi; estendibilità : nuovi dispositivi possono essere aggiunti tramite unʼinterfaccia al bus senza influenzare lʼHW preesistente; standardizzabilità : definizione di normative che consentono a periferiche di costruttori diversi di interagire correttamente.
Punti di debolezza:
lentezza : lʼuso in mutua esclusione del bus inibisce almeno parzialmente la parallelizzazione delle operazioni di trasferimento di dati tra dispositivi; limitata capacità : al crescere del numero di dispositivi la presenza di una sola linea comporta un limite alla capacità di trasferire dati; sovraccarico della CPU : lʼunità centrale viene coinvolta in tutte le operazioni di trasferimento di dati.
Schema di riferimento:
Tipologie di bus:
Unità aritmetico-logica (esegue le operazioni necessarie per eseguire le istruzioni); Registri; memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei; determina il parallelismo della CPU; esistono registri generici e registri specifici Program Counter PC; Instruction Register IR.
Tre Tipologie di Istruzioni
Istruzioni Aritmetico Logiche (elaborazione dati): somma, sottrazione, divisione, …; And, Or, Xor, …; Maggiore, minore, uguale, maggiore uguale, … Controllo del flusso delle istruzioni Sequenza; Selezione; Ciclo a condizione iniziale, a condizione finale, … Trasferimento di informazione Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria; Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di I/O
Struttura del “ data path ˮ:
Esecuzione delle Istruzioni, Ciclo Fetch-Decode-Execute :
Prendi lʼistruzione corrente dalla memoria e mettila nel registro istruzioni IR [Fetch]; Incrementa il program counter PC in modo che contenga lʼindirizzo dellʼistruzione successiva; Determina il tipo dellʼistruzione corrente Decodifica]; Se lʼistruzione usa una parola in memoria determina dove si trova;
Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU; Esegui lʼistruzione Execute]; Torna al punto 1.
Struttura Semplificata di una CPU
Es. Lettura della Memoria :
Fasi di Fetch - Lettura dalla Memoria
Decodifica - Lettura della Memoria
Esecuzione - Somma tra due registri
Riepilogo: Registri di CPU
IR : usato per contenere l'istruzione in corso di esecuzione e, caricato in fase di fetch, determina le azioni svolte durante la fase di esecuzione; PC : tiene traccia dell'esecuzione del programma e contiene lʼindirizzo di memoria in cui è memorizzata la prossima istruzione da eseguire; MAR : contiene l'indirizzo della locazione di memoria da leggere o scrivere; la dimensione di MAR determina l'ampiezza dello spazio di memoria fisica. Dalla fine degli anni '80 vengono prodotti microprocessori con bus indirizzi a 32 bit; MDR Registro attraverso il quale viene scambiata l'informazione tra la memoria e la CPU; tradizionalmente la dimensione di MDR dà la misura del grado di parallelismo della macchina 8, 16, 32, 64 bit); PSW Program Status Word) : contiene info riguardo lo stato del programma; R0, R1,...Rn : registri di uso generale.
Dilemma…
Distanza linguaggio umano/macchina: quanto complesse devono essere le istruzioni che una CPU è in grado di eseguire?
CISC Complex Instruction Set Computing) , repertorio di istr. esteso preferibile perché: istruzioni potenti semplificano la programmazione; riduce il gap tra linguaggio di macchina e linguaggio di alto livello; lʼuso efficiente della memoria (allʼepoca era costosa) era la preoccupazione principale (meglio avere codici compatti). RISC Reduced Instruction Set Computing) : memorie più veloci ed economiche: posso anche mettere un numero maggiore di istruzioni, però più semplici; comportamento dei programmi: l'80% delle istruzioni eseguite corrispondeva al solo 20% del repertorio; conviene investire nella riduzione dei tempi di esecuzione di quel 20%, anziché aggiungere raffinate istruzioni, quasi mai usate, ma responsabili dell'allungamento del tempo di ciclo di macchina; conviene costruire processori molto veloci, necessariamente con repertori.
RISC - Criteri di Progettazione
Frequenza di clock → velocità con cui gli istanti di tempo si succedono all'interno della CPU. Si misura in Hz, che significa “volte al secondoˮ. 2Hz 2 volte al secondo;
Periodo di clock → intervallo di tempo tra un istante ed il successivo. E' l'inverso della frequenza di clock. Il periodo di clock deve essere sufficientemente “lungoˮ da consentire a tutti I segnali elettrici di arrivare;
Le istruzioni devono essere semplici → se l'introduzione di una operazione di macchina fa crescere del 10% il periodo di clock, allora essa deve produrre una
