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INFORMATICA
La rappresentazione delle informazioni -> è come se all’interno dei computer ci fossero tanti interruttori, e con questi elementi si rappresentano tutti gli elementi all’interno dei computer. (tipi di segnali: analogici cioè un insieme continuo di valori, trasmette molte informazioni e sono sensibili alle interferenze -> nel computer non ci sono segnali del genere, ci sono solo segnali digitali -> insieme discreto di valori, semplici da distinguere; i vantaggi del digitale sono: il fatto che sia semplice, non sensibile interferenze e riproducibile senza errori) BIT -> sta per binary digit cioè cifra binaria, cioè un segnale discreto su due valori come falso e vero, ed è un elemento di base per rappresentare le informazioni; si sceglie il sistema binario perché più semplici ed è possibile rappresentare quasi ogni informazione. Il bit viene realizzato o rappresentato con la presenza o l’assenza di carica elettrica, la direzione di magnetizzazione, la presenza o assenza di corrente o tensione e infine il passaggio o non di luce - > guardare la slide per avere più chiarezza. Un bit può assumere due valore 0 e 1, quindi con un bit posso rappresentare due informazioni es: si/no, vero/falso, on/off, su/giù -> associamo il valore di un bit con un informazione ad esempio, 0=no e 1=si e cosi via. La corrispondenza tra informazione <-> valore del bit è una convenzione. Ad esempio per rappresentare le risposte vero falso a un questionario di 10 domande, possiamo usare 10 bit -> 0,1,0,1,0,1… vuol dire falso, vero, falso, vero, falso, vero… -> con l’aggiunta di un bit si raddoppiano le possibilità quindi se con un bit ce ne sono 2 con due bit ce ne sono 4 seguendo lo schema di 2 elevato alla seconda e se ne aggiungessi un altro sarebbe 2 elevato alla terza e quindi 8 -> con N bit si rappresentano 2 elevato alla N informazioni distinte tra loro. Problema inverso -> se abbiamo k informazioni di quanti bit abbiamo bisogno per rappresentarle? Dobbiamo utilizzare un numero di bit sufficiente per esprimerle tutte, e dobbiamo scegliere N in modo che 2 alla N sia > = K -> se 2 alla N = K ogni combinazione di bit ha un informazione corrispondente e se 2 alla N > K alcune combinazioni di bit non corrispondono a informazioni -> spreco inevitabile. BYTE -> 8 bit formano un byte -> 8 byte -> 2 elevato alla 8= 256 informazioni diverse. BISOGNA RAGIONARE SEMPRE IN BIT perché PIU’ FACILE E POI ARRIVRE AI BYTE -> il byte non si può dividere quindi in caso servano 4 bit ma ci viene chiesto quanti byte la risposta è uno. LEZIONE DEL 13/
Per la rappresentazione dei numeri bisogna fare inizialmente una distinzione tra numerale e numero: il numero è un concetto che rappresenta una quantità, numerale è un simbolo che rappresenta una quantità-> numerale serve per esprimere il numero -> ad esempio: 6, sei, VI, six sono numerali che rappresentano tutti lo stesso numero -> numero 245 -> decimale, alfabeto di 10 cifre basse= 0,1,2, …,9 -> quindi 245 ci sono 2 centinaia, 4 decine, 5 unità -> 2 volte 10^2, 4 volte 10^1, 5 volte 10^0 -> la potenza di 10 da considerare dipende dalla posizione della cifra. Il
numero di cifre coincide con il numero di bit -> numerale 101 2.
Il numerale 10010011 2 = 1 * 2^7 (basta
contare le cifre dopo l’1 e moltiplicare per quel numero
ed è per questo il 2^7).
Il sistema decimale (quello che usiamo normalmente) è basato su 10 cifre (0-9), mentre il binario è basato su 2 cifre (0 e 1). Per convertire un numero decimale in binario, si divide il numero per 2 e si scrivono i resti. Esempio: Convertiamo il numero decimale 13 in binario:
- 13 ÷ 2 = 6, resto 1
- 6 ÷ 2 = 3, resto 0
- 3 ÷ 2 = 1, resto 1
- 1 ÷ 2 = 0, resto 1 Ora leggiamo i resti dal basso verso l'alto: 1101 (quindi 13 in decimale corrisponde a 1101 in binario). -> secondo chatgpt Il massimo numero rappresentabile con un dato numero di cifre (decimali,binarie,…) non coincide con il numero di informazioni rappresentabili -> per esempio con 2 cifre decimali rappresento 100 numero, ma il numero più grande è 99base10. Numeri a 2 cifre • Sistema decimale : – 100 (10^2) numeri diversi – da 0^10 a 99^10, cioè da 0 a 10^2 – 1 – massimo numero rappresentabile: 10^2 – 1 • Sistema binario : – 4 (2^2) numeri diversi – da 0^2 a 11^2, cioè da 0 a 2^2 – 1 – massimo numero rappresentabile: 2^2 – 1. Numeri a N cifre -> sistema decimale 10^N numeri diversi, da 0 base 10 al massimo numero rappresentabile 10^N – 1. Sistema binario 2^N numeri diversi, da 0 base 2 al massimo numero rappresentabile 2^N – 1. Per la conversione da base 2 a base 10 è sufficiente moltiplicare ogni bit per il suo peso e sommare -> 11010 base 2 = 12^4 + 12^3 + 02^2 + 12^1 + 02^0 = = 16 + 8*
i 256 caratteri dell’ASCII sono insufficienti per alcuni sistemi di scrittura come quello cinese o giapponese -> quindi non esiste un unico ASCII esteso, ma uno o più diverso per ogni lingua, e diventa problematico rappresentare testi complessi che comprendano sistemi di scrittura diversi -
la soluzione è definire uno standard, cioè una convenzione che utilizza più
bit e comprende tutti i sistemi di scrittura -> unicode -> due standard (per i nostri fini) equivalenti e coprono quasi tutti i sistemi di scrittura e le lingue del mondo. Utilizza fino a 4 byte per ogni carattere -> 8*4 bit= 32 bit per ogni carattere e 2^32 (oltre 4 miliardi) possibili caratteri rappresentabili -> attualmente rappresentati oltre 98000 caratteri. UTF (unicode transformation format) definisce come codificare il numero di un carattere unicode come sequenza di bit. UTF-8 -> alcuni caratteri codificati con 8 bit, altri con 16 bit, altri ma pochi con 32 bit; compatibile con ASCII: i caratteri codificati con 8 bit coincidono con i caratteri ASCII, usati per e-mail e pagine web. UTF-16 -> alcuni caratteri codificati con 16 bit, altri ma pochi con 32 bit, usata internamente da windows. CODIFICA DELLE IMMAGINI -> vi sono varie tecniche utilizzate per memorizzare in modo digitale un’immagine, e poi elaborarla; per semplificarla immaginiamo di dover codificare un’immagine in bianco e nero (dual tone, con soli due colori). Per codificare delle immagini dobbiamo: suddividere l’immagine da una griglia formata da linee a distanza costante, ogni quadrato derivante da tale suddivisione viene chiamato pixel (picture element) e può essere codificato in binario con la convenzione che 0 rappresenta un pixel bianco (ovvero quando il bianco è predominante) e 1 rappresenta pixel nero (ovvero quando il nero è predominante) (guardare slide 87). Per avere una sequenza di bit, in quale ordine leggere i pixel? -> occorre una convenzione -> slide 95 per esempio con immagine. Non sempre il contorno della figura coincide con le linee della griglia: digitalizzando un’immagine si ha sempre un’approssimazione dell’immagine stessa. Come avere un immagine più fedele -> aumentiamo la risoluzione, cioè il numero dei pixel (e rimpiccioliamo i quadratini della griglia di campionamento) -> la rappresentazione di un’immagine mediante la codifica dei pixel viene chiamata codifica BITMAP. Con solo bit per pixel si possono codificare solo due colori (tipicamente bianco e nero); per codificare più informazioni dobbiamo usare più bit. LEZIONE del 20/03 ->
con un solo bit di pixel si possono codificare solo due colori (tipicamente nero e bianco), per codificare più informazioni dobbiamo appunto usare più bit come ad esempio la tonalità di grigio -> per ogni quadratino si stabilisce il livello medio di grigio -> si codifica ogni livello di grigio quindi se so k bit avremo 2^k tinte diverse. C’è un problema però, come associare una rappresentazione binaria a ogni possibile colore di un pixel? -> modello più usato TRUECOLOR (o RGB) -> tre colori primari: rosso, verde e blu cioè red, blue, green quindi RGB. -> sono diversi dai colori primari usati per gli inchiostri, gli altri colori vengono ottenuti sommando i tre colori primari; monitor e televisori funzionano cosi. Nel truecolor ci sono 256 valori possibili per ogni colore primario. I colori che sono rappresentabili -> 1) 256 livelli -> 8 bit per ogni canale cioè colore primario; 2) 3 byte per ogni pixel= 38 vit per ogni pixel -> 2^24 colori= 16777216 colori. OCCUPAZIONI DELLE IMMAGINI A COLORI -> es. immagine 150 x 200 pixel truecolor -> occorrono 3 byte (24 bit) per pixel, quindi occupa 150200* byte= 90000 byte. Esistono tecniche di COMPRESSIONE delle immagini che consentono di ridurre la dimensione dello spazio occupato, per esempio una tecnica consiste nel codificare aree dello stesso colore in modo “abbreviato” -> è un esempio di tecnica lossless, senza perdita di informazione, cioè, quando decomprimiamo l’immagine, questa è identica all’originale -> formati compressi lossless: gif, tiff, png. Le tecniche di compressione lossy invece, causano perdita di informazioni, cioè il processo di compressione “scarta” alcuni dati -> quando si decomprime l’immagine, questa è diversa dall’originale: è degradata in qualità -> a quale scopo? La compressione lossy permette di risparmiare molto più spazio della lossless -
formati compressi lossy: jpeg, png. Codifica delle immagini in movimento -> codifica di sequenze di immagini (dette fotogrammi o frame), visto lo spazio elevato richiesto, occorrono tecniche di memorizzazione efficienti: per esempio, sono memorizzate solo le differenze tra un fotogramma e l’altro -> esistono vari formati, soprattutto lossy: mpeg, divx, avi (microsft), quicktime (apple) (memorizzano anche i suoni). La codifica dei suoni -> il suono è uno dei mezzi principali di comunicazione, anche i suoni possono essere codificati in digitale. Un suono è un onda di pressione che si ha in presenza di un mezzo (l’aria, l’acqua); quando un suono viene rilevato dall’orecchio o da un microfono, viene trasformato in uno stimolo o segnale
2^1, 1= 2^0 -> 1 x 256 + 0 x 128 + 0 x 64 + 1 x 32 + 0 x 16 + 1 x 8 + 1 x 4 + 0 x 2 + 1 x 1 = 301 A quale numero binario corrisponde il numero decimale 202? K bit tali che 2^k -1 >= 202, dove k è elevata a numeri normali -> servono 8 bit -> guardare slide esercizi sulla rappresentazione -> 11001010. CHIEDERE perché A VOLTE PARTONO ALL’INIZIO E ALTRE AL FONDO. FARE ESERCIZI SULLE RAPPRESENTAZIONI. ARCHITETTURA DELL’ELABORATORE -> Il ciclo di esecuzione delle istruzioni e il funzionamento interno della CPU In questa parte del corso approfondiamo il funzionamento interno della CPU, concentrandoci in particolare sul ciclo di esecuzione delle istruzioni, sulle componenti principali coinvolte (come registri, ALU, bus, memoria) e sull’unità di controllo. L’obiettivo è capire come una CPU gestisce ed esegue le istruzioni di un programma. Il ciclo Fetch – Decode – Execute Ogni istruzione, per essere eseguita, passa attraverso tre fasi fondamentali, che costituiscono il cosiddetto ciclo Fetch – Decode – Execute :
- Fetch (prelievo) : la CPU preleva l’istruzione dalla memoria principale. L’indirizzo dell’istruzione è contenuto nel Program Counter (PC).
- Decode (decodifica) : l’istruzione prelevata viene decodificata all’interno dell’ Instruction Register (IR) per capirne il significato e gli operandi coinvolti.
- Execute (esecuzione) : la CPU esegue l’istruzione, che può consistere in un’operazione aritmetica, logica, un accesso alla memoria o un’istruzione di salto. Questo ciclo viene eseguito in modo continuo, a meno che non venga interrotto da un’istruzione di fine programma o da un’eccezione. Il Data Path Il data path è l’insieme dei componenti interni della CPU attraverso cui fluiscono i dati durante l’esecuzione delle istruzioni. I principali elementi del data path sono:
PC (Program Counter) : registra l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire. IR (Instruction Register) : contiene l’istruzione attualmente in fase di decodifica o esecuzione. ALU (Arithmetic Logic Unit) : si occupa delle operazioni aritmetiche (somma, sottrazione, ecc.) e logiche (AND, OR, NOT, ecc.). Registri generali : memorizzano dati temporanei necessari per l’esecuzione delle istruzioni. Memoria : contiene sia i dati sia le istruzioni. Tutti questi componenti sono collegati da bus (linee di comunicazione) e controllati da segnali elettrici che determinano cosa deve essere attivato in ogni fase. Esecuzione delle istruzioni L’esecuzione di una singola istruzione comporta una sequenza ordinata di operazioni elementari, chiamate micro-operazioni , che spostano dati tra registri e componenti. Per esempio, per eseguire un’istruzione LOAD R1, 1000 (che carica nel registro R1 il contenuto della cella di memoria all’indirizzo 1000), i passaggi sono:
- Il contenuto del PC (indirizzo dell’istruzione) viene copiato nel MAR (Memory Address Register).
- Il dato viene letto dalla memoria e copiato nel MDR (Memory Data Register).
- Il contenuto dell’MDR (cioè l’istruzione) viene trasferito nel registro IR.
- L’istruzione viene decodificata e riconosciuta come un comando LOAD.
- Si accede alla memoria all’indirizzo specificato (1000), e il dato ottenuto viene scritto nel registro R1. Questo esempio mostra come il controllo del flusso dei dati sia affidato all’unità di controllo, che abilita e disabilita le varie connessioni al momento giusto. L’Unità di Controllo
ecco il corrispettivo fisico del bit; è strutturata in una sequenza di celle di memoria, ogni cella memorizza un byte e le celle sono numerizzate in sequenza -> indirizzo. Le operazioni che si possono compiere sulla memoria sono la lettura del contenuto in una cella e la scrittura in una cella; per leggere e scrivere in una cella è necessario conoscerne l’indirizzo, specificando l’indirizzo di una cella, la CPU è in grado di leggere e o modificare il valore del byte memorizzato in quella cella -> es.. una RAM di 65536 (2^16) celle di un byte ciascuna. Quanti bit per esprimere un indirizzo compreso tra 0 e 65535? 16! DIMENSIONE DELLA MEMORIA -> lo spazio di indirizzamento è l’insieme o il numero delle celle indirizzabili direttamente -> Il numero di celle indirizzabili è una potenza di 2; con: 16 bit si indirizzano 216 = 65.536 celle; 32 bit si indirizzano 232 = 4.294.967.296 celle … • numero di celle indirizzabili = numero di informazioni rappresentabile con un certo numero di bit. L’unità di misura della memoria è il byte Si usano dei multipli: Kilobyte (KB) = 1024 byte (210 byte); Megabyte (MB) = 1024 KB (220 byte); Gigabyte (GB) = 1024 MB (230 byte) • Quindi: con 16 bit si indirizzano 64 KB di memoria, con 32 bit si indirizzano 4 GB di memoria. LA RAM -> Random Access Memory (RAM) : memoria ad accesso casuale • Perché si chiama “ad accesso casuale ”? Si può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro indirizzo. Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso, indipendentemente dalla posizione della cella nella sequenza. Il termine “random” (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono differenze nell’accesso alle varie celle della memoria. La RAM è veloce: il tempo di lettura/scrittura di una cella è compreso – in media – tra 5 e 30 nanosecondi (miliardesimi di secondo = 10-9 s) • La RAM è volatile: formata da componenti elettronici, se viene tolta l’alimentazione anche per un breve periodo di tempo (frazioni di secondo) tutto ciò che contiene viene perso (e la macchina deve ripartire) • La RAM è relativamente costosa. Read-Only Memory , memoria in sola lettura • Non può essere modificata (a meno che non sia di un tipo particolare, EPROM) • Non è volatile • Veloce quasi quanto la RAM • Solitamente usata per memorizzare programmi e dati necessari all’avvio dell’elaboratore: programmi di bootstrap (avvio dell’elaboratore); configurazione del sistema.
MEMORIA CACHE -> Stesse proprietà della RAM, ma: • più veloce (ma più piccola e costosa) della RAM • localizzata tra la CPU e la RAM • memorizza i dati di uso più frequente , evitando alla CPU di doverli recuperare tutte le volte dalla RAM • influisce pesantemente sulle prestazioni e sul costo della CPU: dimensioni tipiche sono 512 KB, 1 MB, 2 MB. LA CPU -> Esegue programmi scritti in linguaggio macchina • Tutti i programmi, anche Word, Excel, … internamente sono codificati in LM • I programmi sono sequenze di istruzioni in LM • Le istruzioni sono comandi elementari, ad esempio: – somma due numeri – leggi dalla memoria – scrivi in memoria – scrivi verso il dispositivo di output – confronta due numeri.. Il set di istruzioni -> Ogni tipo di processore è in grado di eseguire un numero limitato (centinaia) di istruzioni • Le istruzioni si suddividono in – aritmetiche , logiche – di salto – di lettura/scrittura in memoria – di lettura/scrittura verso dispositivi di I/O • Combinando in modo diverso sequenze anche molto lunghe di istruzioni (i programmi ) si possono fare svolgere al computer compiti completamente diversi. La CPU è formata da: Control Unit, Arithmetic Logic Unit e Registri. La CONTROL UNIT (CU) È la parte più importante del processore Funzioni: • esegue le istruzioni dei programmi • coordina le attività del processore • controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la memoria NON ha il compito di controllare il risultato delle istruzioni! CICLO DI FETCH – DECODE – EXECUTE -> La CU svolge la sua attività in modo ciclico Ciclo di fetch-decode-execute (o ciclo della macchina): 1. Fetch ( preleva ): preleva dalla memoria principale la prossima istruzione da eseguire 2. Decode ( decodifica ): decodifica l’istruzione e preleva gli operandi specificati 3. Execute ( esegui ): esegue l’istruzione utilizzando la componente opportuna, memorizza i risultati e ricomincia. L’ esecuzione (passo execute ) comporta l’invio di comandi opportuni all’unità relativa: • Calcoli → Arithmetic Logic Unit • Lettura/scrittura dati → memoria • Acquisizione/stampa → dispositivi di I/O. La frequenza con cui è eseguito il ciclo di fetch-decodeexecute è scandita dal clock ( orologio interno ): ad ogni impulso di clock la CU esegue un ciclo • La velocità di elaborazione di una CPU dipende dalla frequenza del suo clock • Es.: 2. GHz, cioè 2 miliardi e 800 milioni di cicli al secondo. CPU: LA ARITHMETIC LOGIC UNIT (ALU) • Esegue le operazioni di tipo aritmetico (ad es. somme) e
sistema operativo lo copia da memoria secondaria (es. hard disk) in RAM; l’operazione si chiama loading o caricamento. È composta da: • supporti di memorizzazione componente fisico in cui vengono immagazzinati i dati Es.: DVD • dispositivi di memorizzazione leggono/scrivono dati dal/sul supporto di memorizzazione Es.: lettore DVD. Tecnologie diverse: • magnetica • ottica
- (magneto-ottica) • flash (o allo stato solido). LA MEMORIA MAGNETICA -> • Sfrutta il fenomeno fisico della polarità • Sul supporto sono presenti particelle magnetiche • La testina di lettura/scrittura cambia/rileva la polarità delle particelle • Prese due particelle magnetiche adiacenti: – stessa polarità " 0 – diversa polarità " 1 • Usata per alcuni hard disk, floppy disk e nastri. LA MEMORIA OTTICA -> • Sfrutta la riflessione della luce di un laser • Sul supporto sono presenti delle minuscole scanalature (pit) che formano zone chiare (luce riflessa) e zone scure (luce non riflessa) – chiaro/scuro o scuro/chiaro -> 1; chiaro/chiaro o scuro/scuro -> 0. GERARCHIA DI MEMORIA ->
DISPOSITIVI DI INPUT -> • Tastiera • Dispositivi di puntamento (mouse, ...) • Microfono (in generale Line In) • Scanner • Fax. DISPOSITIVI OUTPUT -> • Stampanti • Videoterminali • Videoproiettori • Casse acustiche • Plotter. IL BUS -> • Bus : linea di comunicazione per la trasmissione di informazioni tra i vari componenti del sistema • Fisicamente, è un insieme di collegamenti in rame • Tutti i componenti del sistema sono collegati al bus • Il bus di sistema, che collega la CPU ad altri dispositivi del computer • Il bus locale è un’evoluzione del bus di sistema, per il collegamento veloce tra CPU, memoria e periferiche veloci (es. riprese video, schede video che mandano il segnale al monitor) • Metodo molto flessibile: facile aggiungere componenti. IL SISTEMA OPERATIVO IL SOFTWARE -> • L’ hardware da solo è soltanto un insieme di ferro, plastica e silicio e non è sufficiente per il funzionamento dell’elaboratore • Occorre utilizzare il software: un insieme di programmi che permettono di trasformare un insieme di circuiti elettronici in un oggetto in grado di svolgere funzioni di varia natura; •I computer sono programmabili: possono svolgere compiti diversi in base a istruzioni contenute nei programmi. Sistema Operativo: insieme di programmi che interagiscono e cooperano tra di loro per: • gestire efficientemente il computer e le sue periferiche • creare un ambiente virtuale per facilitare l'interazione uomo-macchina. Esempio: stampa di un file che si chiama “Documento”. A livello fisico questa operazione è complessa e richiede operazioni coordinate dalla CPU. Per fortuna, il s.o. fornisce all'utente un comando di stampa: print Documento. Il s.o. esegue un comando seguendo i seguenti passi:
- verifica se si tratta di un comando valido
- lo traduce per la macchina fisica
- eseguito il comando, -> a) fornisce un riscontro all’utente e b) si pone in attesa di un nuovo comando da parte dell’utente. FUNZIONI SVOLTE DAL SISTEMA OPERATIVO (1):
- Accensione e configurazione della macchina (bootstrap)
