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Informatica PARTE A
LA GESTIONE DELL’INFORMAZIONE
INFORMAZIONE → qualsiasi informazione immagazzinata o recuperata per mezzo di un dispositivo deve essere rappresentata attraverso un linguaggio che può essere capito da quest’ultimo. Questo linguaggio è il CODICE BINARIO. CODICE BINARIO → sistema di codifica che usa le cifre binarie 0 e 1 al fine di Rappresentare lettere, cifre o altri caratteri all’interno di un computer o di qualsiasi altro dispositivo elettronico. BIT (binary digit) è l’unità di informazione attraverso la quale un dispositivo gestisce tutti i tipi di informazione al suo interno. Un singolo BIT può avere solo due stati: 0 and 1.
QUANTITÀ NECESSARIA DI BIT. QUANTI BIT SONO NECESSARI PER RAPPRESENTARE UNA COMUNE
QUANTITÀ DI INFORMAZIONI?
❖ Con un BIT, si possono rappresentare solo DUE caratteri (es: 0=A 1=!) ❖ In realtà, qui si richiede di rappresentare oltre 200 caratteri. Per questo motivo sono necessari più BITS.
Ad esempio, quando si adopera il programma Microsoft Word si stanno maneggiando (più o meno)
i seguenti “elementi”:
- 52 caratteri di lettere maiuscole e minuscole dell’alfabeto;
- 10 cifre (0, 1, 2, 9);
- Diversi caratteri di punteggiatura (,. ; :! “? ‘ ^ \ ...);
- Diversi caratteri matematici (+, - , x, ±, {, [, >,...);
- Diversi caratteri nazionali (à, è, ì, ò, ù, ç, ñ, ö,...);
- Diversi caratteri grafici particolari (©, #, §, @, €,...);
- In totale: circa 220 caratteri. Attraverso l’uso dello stato (i.e., 0 o 1) di ogni BIT combinato con lo stato di altri BITS un ampio numero di elementi può essere rappresentato.
Qualsiasi cosa che viene immagazzinata o recuperata da un dispositivo (e.g., computer) è rappresentata in codice binario.
LA RAPPRESENTAZIONE DELL’INFORMAZIONE:
CODICE BINARIO PERCHÈ SI ESIGE L’USO DEL CODICE BINARIO
Generalmente, le esperienze della vostra vita sono relative a segnali analogici (i.e., funzioni continue nel tempo). Un esempio tipico è quello della corrente elettrica che alimenta la vostra casa (e.g., la luce):
COME CONVERTIRE UN NUMERO IN BASE 10 IN UN NUMERO IN BASE 2
Leggendo la sequenza di cifre dal basso verso l’alto il numero convertito risulta decodificato come segue: GLI ATTUALI DISPOSITIVI LAVORANO SULLA BASE DEL CODICE ASCIIASCII: American Standard Code for Information Interchange: Si osservi che: i numeri in base 10 sono numeri che usualmente siete abituati a trattare nella vita di ogni giorno. La regola esposta afferma che ogni numero in base 10 può essere rappresentato come numero in base 2.
ALCUNI DETTAGLI - All’interno di ogni dispositivo “l’informazione” è "veicolata" per mezzo di un
numero fissato di bytes, ad esempio: ▪ 16 bits (2 bytes) ▪ 32 bits (4 bytes) ▪ 64 bits (8 bytes).
Ora, si può comprendere perché il numero di bytes identifica la "potenza" di un dispositivo, poiché
maggiore è il numero di bytes:
▪ maggiore è la capacità di un dispositivo di calcolare operazioni complesse; ▪ maggiore è la capacità di un dispositivo di gestire diverse quantità di informazioni; ▪ maggiore è la capacità di un dispositivo di comprendere istruzioni complesse.
All'interno di un dispositivo un "numero" (i.e., l'informazione) può essere identificato da tre classi:
▪ Interi Senza Segno (i.e., interi positivi); ▪ Interi Con Segno (i.e., interi positivi e negativi); ▪ Reali (i.e., numeri positivi e negativi con una virgola).
La classe specifica dipende da diversi fattori, tra cui:
▪ Tipo di applicazione/servizio; ▪ Complessità dell'applicazione/servizio; ▪ Caratteristiche della applicazione/servizio. Al fine di capire il modo in cui un generico numero è rappresentato, è possibile osservare il seguente esempio: ▪ In base 10 e usando 4 cifre il più grande numero rappresentabile è: 9999; ▪ In base 2 e usando 4 cifre il più grande numero rappresentabile è: 1111: ▪ Si ricordi che: 1111 2 = 15 10 ▪ In generale, con una base B e con n cifre, è possibile rappresentare: Bn – 1. ▪ Un esempio con B = 10 and 4 cifre: 9999 = 10 4 - 1. ▪ Un esempio con B = 2 and 4 cifre: 1111 = 2 4 – 1 (i.e., 15 10 ).
INTERI SENZA SEGNO (INTERI POSITIVI)
Per questi motivi: Tenendo conto sia della base numerica B = 2 sia del numero n di cifre a disposizione (che dipendono sull'architettura (la “potenza”) del dispositivo: 16 bits, 32 bits, e così via), un dispositivo può rappresentare la seguente serie di numeri interi positivi: - da 0 sino a 2 n – 1
DETTAGLI FINALI
➢ Come osservato, qualsiasi dispositivo adotta un numero fisso di bit per la gestione dei dati (ad esempio, 16, 32, e così via). ➢ Quando una fase di elaborazione generica (ad esempio, un programma) esegue un'operazione il cui risultato supera questo numero fi sso, l'errore di overflow si verifica.
ARCHITETTURA DEGLI ELABORATORI E SISTEMI PERATIVI
Rappresentazione dei Numeri Reali: Si rappresentano con la seguente espressione:
- 1 S x 2 (E - 127) x (1 + F) dove: ➢ S è il bit del segno; ➢ E è l’esponente al quale 127 deve essere aggiunto per ottenere l’equivalente elemento decodificato; ➢ F è la parte frazionaria ARCHITETTURA DEGLI ELABORATORI L’architettura di un elaboratore è, in generale, una specificazione dettagliata di come un insieme di componenti hardware interagiscono tra loro al fine di formare un dispositivo (ad esempio, computer). In altre parole, è l’arte di assemblare elementi fisici (e.g., memoria, processore, etc…) all’interno di un dispositivo al fine di specificare le relazioni tra questi.
IL MODELLO DI VON NEWMANN - IL PROGETTO DI OGNI DISPOSITIVO.
Tutti i dispositivi, per esempio: Desktop PCs; Laptops; Smartphones e così via. Ma anche altri dispositivi, per esempio: Sistemi elettronici delle automobili e Sistemi elettronici degli aeromobili. Tutti sono basati sullo stes so modello: Il modello di Von Neumann. OGNI DISPOSITIVO FUNZIONA IN BASE AI SEGUENTI PRINCIPI Il funzionamento di ogni dispositivo, durante l’esecuzione di un Programma/Applicazione/Servizio
è basato sui seguenti TRE “PRINCIPI”:
1) Un dispositivo consiste principalmente di tre componenti principali (il Modello Von Neumann):
✓ Memory (Memoria): per contenere programmi e dati in esecuzione; ✓ Processor (Processore - Central Processing Unit - CPU): per eseguire ed interpretare le operazioni aritmetiche e logiche; ✓ Input/Output: per introdurre input e produrre output.
2) Programma/Applicazione/Servizio (i.e., parte di esso) risiede in Memoria durante l’esecuzione;
3) Programma/Applicazione/Servizio è eseguito in maniera sequenzia le durante l’esecuzione.
SISTEMI OPERATIVI
Il sistema operativo è il programma più importante che viene eseguito su un computer. Ogni computer deve avere un sistema operativo per eseguire altri programmi e altre applicazioni. I sistemi operativi eseguono le operazioni portanti e di base, come, ad esempio il riconoscimento di input da tastiera, l'invio di output sullo schermo del display, tenere traccia di file e directory sul disco, il controllo di dispositivi periferici, e così via.
MODELLO DI VON NEUMANN
❖ Le somme di un insieme di numeri si effettuano «a coppie di due». ❖ L’operazione di somma è una delle due operazioni base implementate all’interno dei dispositivi elettronici, quali: Smartphones, PCs, Laptops, etc...
❖ Le sottrazioni di un insieme di numeri si effettuano «a coppie di due». ❖ L’operazione di sottrazione è una delle due operazioni base implementate all’interno dei dispositivi elettronici, quali: Smartphones, PCs, Laptops, etc...
CONSIDERAZIONI – SOMMA, SOTTRAZIONE, SHIFT, OPERAZIONI LOGICHE
o Circuiti analoghi esistono per la sottrazione, lo shift, le operazioni logiche; o Tutti questi circuiti sono integrati all’interno del processore e ne definiscono la «potenza»; o Tutti questi bit devono essere manipolati in qualche modo
CONSIDERAZIONI – DOVE METTIAMO TUTTI I BIT (MEMORIA, HARD - DISK, ETC..)
➢ Negli ELABORATORI un numero deve essere rappresentato in un particolare dispositivo elettronico interno che si chiama registro ed è paragonabile ad una cella di memoria. ➢ Caratteristica fondamentale di questo dispositivo è la sua dimensione (numero di bit) stabilita in sede di progetto. Ad esempio: se il nostro contenitore (Sregistro) è lungo 5 bit:
IL DISPOSITIVO: LITTLE COMPUTER 2 (LC - 2)
Al fine di fornire un dispositivo di riferimento durante la spiegazione del Modello di Von Neumann, introduciamo il dispositivo denominato Little Computer 2 (LC-2). Quest’ultimo può essere considerato un dispositivo didattico per la spiegazione delle componenti di base del Modello di Von Neumann. LC-2 può essere considerato un semplicissimo computer che possiede le seguenti caratteristiche di base: La MEMORIA di LC-2 possiede 8 registri ad uso generale, ciascuno con una dimensione di 16 bits; Il PROCESSORE opera con “parole” di 16 bits (semplificando: sia per elaborare dati sia per contenerli, sia per individuarli); Il PROCESSORE contiene 18 istruzioni di base. Operatori (ADD, AND, and NOT), Istruzioni di Movimento (LD, LDI, LDR, ST, STI, STR, LEA), Istruzioni di Controllo (BR, JSR, JMP, JSRR, JMPR, RET, RTI, TRAP)
RAM – ALCUNI DETTAGLI:
▪ Quando si parla di memoria RAM è necessario quindi distinguere tra: ▪ L’indirizzo di una cella di memoria ; ▪ Il contenuto della cella di memoria. Inoltre: ▪ Larghezza della Memoria (W):
- Di quanti bits è costituita ogni singola cella di memoria (tipicamente 1 byte (=8 bits)); ▪ Larghezza degli Indirizzi (N):
- Quanti bits sono usati per rappresentare ogni indirizzo (questo fattore determina la dimensione massima della memoria = spazio degli indirizzi);
- Se la larghezza degli indirizzi è di N-bits, allora lo spazio degli indirizzi è di 2N (0,1,...,2 N-1)
FUNZIONAMENTO DELLA
MEMORIA
Domanda: come fa il PROCESSORE (CPU) a immagazzinare (store) e recuperare (fetch) le stringhe di bit (parti di programma e dati utente, d’ora in poi semplicemente dato) dalla memoria RAM?
▪ MAR - Memory Address Register:
è un registro della Central Processing Unit (CPU) contenente l'indirizzo della locazione di memoria RAM in cui si andrà a leggere o scrivere un dato;
▪ MDR - Memory Data Register: è
un registro a cui l’Unità Aritmetica e Logica (ALU) ha accesso diretto e che contiene momentaneamente i dati da/per la CPU. ▪ L'MDR, insieme al MAR, interfaccia quindi la CPU con la RAM. Il funzionamento della MEMORIA si basa sui seguenti due passi
(Running Example):
Operazione LOAD: per leggere una
locazione (A):
1)Scrivere l’indirizzo (di A) all’interno del MAR;
- Mandare un segnale di «lettura» alla memoria;
- Leggere il dato (contenuto di A) dall’MDR.
Operazione STORE: per scrivere un
valore (X) nella locazione (A):
- Scrivere il dato (X) nell’MDR;
- Scrivere l’indirizzo (A) nel MAR;
- Mandare un segnale di “scrittura” alla memoria. In breve:
- L’MAR si occupa degli INDIRIZZI
- L’MDR si occupa dei DATI.
PROCESSING UNIT
La Processing Unit- processa, calcola- (Unità di Elaborazione) è un’unità funzionale composta da due sotto-moduli principali:
▪ ALU: è la Arithmetic and Logic Unit
(Unità Aritmetico e Logica). Tale sotto- modulo effettua tutte le operazioni (Aritmetiche e Logiche) Richieste dal dispositivo. Supporta anche le operazioni di Movimento; ▪ TEMP: è una memoria velocissima/costosissima utilizzata per le operazioni interne dell’ALU (i.e., Cache Memory della CPU). La Processing Unit contiene le operazioni di base che permettono al dispositivo di lavorare propriamente. Nel nostro caso, LC-2, all’interno contiene diverse istruzioni, tra le quali: ▪ LD, LDI, LDR, ST, STI, STR, LEA. TEMP:
- Piccola, veloce e costosissima memoria;
- Operandi e Risultati dell’ALU. Grandezza delle parole elaborate:
- Il numero di bits normalmente elaborati dalla ALU è una istruzione. La Control Unit (Unità di Controllo) è un’unità di gestione. Essa è composta da due sotto - moduli, ossia PC e IT:
- PC: è il Program Counter (Contatore di Programma) e contiene l’indirizzo della prossima istruzione che necessita di essere eseguita;
- IR: è l’Instruction Register (Registro delle Istruzioni) e contiene le istruzioni che possiede il PROCESSORE. Lo scopo della Control Unit (Unità di Controllo) è:
- La gestione dell’intero processo di elaborazione. Ossia: o Legge ciascuna istruzione dalla memoria: o L’indirizzo dell’istruzione è all’interno del modulo PC;
- Esso interpreta ogni istruzione e genera i segnali che «dicono» agli altri componenti cosa fare:
- Una istruzione può impiegare diversi cicli macchina per essere completata.
ESECUZIONE DELLE ISTRUZIONI
CORE- termine coniato dalle case produttrici MULTICORE- più unità di calcolo che lavorano contemporaneamente.
- AD OGGI NON ESISTONO COMPUTER CHE NON CONTENGONO MULTICORE. GPU- unità di elaborazione grafica – si occupa di gestire l’interfaccia grafica
I SISTEMI OPERATIVI
➢ Il sistema operativo, abbreviato in SO (in inglese OS, "operating system") è un insieme di componenti software, che garantisce l'operatività di base di un calcolatore, coordinando e gestendo:
- LE RISORSE HARDWARE;
- LE PERIFERICHE;
- LE RISORSE SOFTWARE (PROCESSI);
- E FACENDO DA INTERFACCIA CON L'UTENTE. ➢ È la "base" per i software applicativi, che dovranno essere progettati e realizzati in modo da essere riconosciuti e supportati da quel particolare sistema operativo.
- E.g. su un computer con facciamo “girare” SW per Windows o per Linux o per MAC OS X (a seconda del SO installato). ➢ Assieme al processore, con cui è strettamente legato, costituisce la piattaforma del sistema di elaborazione. Ciclo Fetch-Decode-Execute (FDE - Leggi-Decodifica-Esegui): L’unità di controllo della CPU esegue continuamente il ciclo FDE: ▪ FETCH: o Prende l’istruzione corrente dalla memoria; o Preleva dalla RAM l’istruzione corrente da eseguire: o Da ricordare: l’indirizzo in RAM da leggere è memorizzato in PC (Program Counter); o L’istruzione viene memorizzata in IR (Instruction Register); o Il PC viene aggiornato all’indirizzo della successiva istruzione (nota, se o ogni istruzione occupa N byte, PC viene incrementato di N). ▪ DECODE: o Riconosce l’istruzione da eseguire o Determina di che istruzione si tratta (set di istruzioni del processore); o Da ricordare: un processore ha un set finito di istruzioni che servono ad eseguire tutto ciò che il processore sa fare. essenzialmente in questa fase si riconosce quale istruzione deve essere eseguita. ▪ EXECUTE: o Esegue l’istruzione determinata attingendo a tutte le “risorse” del caso o Dipende dal tipo di operazione: ad esempio se si tratta di un’operazione aritmetica bisognerà recuperare dalla memoria centrale gli operandi, fornirli all’ALU assieme alle operazioni da eseguire e salvare nei registri il risultato.
Il firmware è un programma integrato direttamente in un compo nente elettronico nel senso più vasto del termine (e.g., integrati, schede elettroniche, periferiche, etc..). Lo scopo del programma è quello d «avviare» il componente stesso e consentirgli di interagire con altri componenti tramite l'implementazione di protocolli di comunicazione o interfacce di programmazione. ➢ Il termine deriva dall'unione di "firm" (azienda) e "ware" (componente), indica che il programma non è immediatamente modificabile dall'utente finale, ovvero risiede stabilmente nell'hardware integrato in esso, e che si tratta del punto di incontro fra componenti logiche e fisiche, ossia fra software e hardware. Il firmware, forse, più conosciuto è quello della scheda madre, chiamato comunemente BIOS e responsabile del corretto avvio del computer.
BIOS
Il Basic Input Output System (BIOS) è un insieme di routine software (firmware) le quali forniscono la struttura di base con cui il Sistema Operativo (OS) si collega all’hardware. ➢ Il BIOS (in varie forme e definizioni) può essere presente in diversi componenti, quali schede madri, memorie di massa, schede video, etc… In particolare, ovunque si abbia la necessità di gestire hardware complesso dotato di processori dedicati. Il BIOS è un software contenuto in un chip di memoria non volatile (ossia: in grado di mantenere i dati in assenza di alimentazione). Attualmente il BIOS risiede su memorie dette FLASH o EEPROM che hanno la caratteristica di essere riscrivibili tramite un opportuno upgrade del sistema. All’avvio di un dispositivo (e.g., un computer) ancor PRIMA che il Sistema Operativo venga caricato, il BIOS si occupa di effettuare diverse operazioni , tra le quali: a- Governare l’hardware avviando diverse routine di test denominate POST (Power On Self Test) per verificare il corretto funzionamento dei circuiti della scheda madre, del processore, della memoria, e di tutto ciò che è «installato» nel dispositivo; b- Avviare un programma di gestione delle periferiche , nel caso in cui non vengano rilevati «errori» (gravi) nella fase di POST; c- Avviare una schermata video (interazione) per consentire all’utente di intervenire nella modifica di alcune operazioni «marginali» di avvio del BIOS stesso; d- Inizializzare la routine di BOOT che avvia il Sistema Operativo. Il BOOTSTRAP è un proces so incrementale con il quale viene letta quella parte del Sistema Operativo che si trova nel settore di BOOT (disco di avvio) e che carica progressivamente le parti del Sistema Operativo atte a rendere la macchina in uno stato stabile e utilizzabile.
