Fondamenti di Informatica T [A-K]

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1 Fondamenti di Informatica T [A-K] Prof. Jorge E. Fernandez A.A

2 Programma del corso Introduzione alla programmazione e architettura del sistema di calcolo Utilizzo in modalità console del sistema operativo Windows (cenni di Linux). Programmazione di alto livello: o Il linguaggio FORTRAN 90 o Cenni di C++ Calcolo numerico

3 Informazioni varie Ricevimento Prof. Fernandez martedì presso Laboratorio di Montecuccolino via dei Colli 16 (Autobus 52) Tel: 051/ Testi S.J.Chapman. Fortran 90/95 Guida alla programmazione 2/ed McGraw-Hill Dispense del docente Testo integrativo (calcolo numerico) G. Monegato. Fondamenti di Calcolo Numerico. Levrotto e Bella. Torino Visitate il sito:

4 Account per i laboratori

5 Cos è un calcolatore? Strumento usato per elaborare delle informazioni Caratteristiche: Elettronico - circuiti elettronici Binario informazione codificata seguendo l algebra binaria Capace di immagazzinare programmi e dati General-purpose può trattare molteplici tipi di problemi

6 Cenni storici sullo sviluppo del calcolatore automatico 1944: Eniac Univ. della Pensylvania (USA) valvole, peso 30 ton, potenza 200 KW 1974: Altair MITS (Intel 8800) sistema operativo: Basic 1976: Apple I; 1977: Apple II 1981: PC originali IBM (chip Intel 8088) Informazioni dettagliate sulla costruzione Sistema operativo Microsoft Contratto non esclusivo con Microsoft Vedi sito:

7 ENIAC: si programmava intervenendo manualmente su interruttori e connessioni dei cavi

8 Altair MITS 8800 Apple I MOS 6502

9 Desktop PC Alcuni tipi di calcolatore Notebook: calcolatore portatile Ultrabook: ultraleggeri, memoria stato solido, batteria lunga durata Convertibile: può essere usato anche come tablet NetPC: calcolatore super-portatile, con (in genere) basse prestazione (ideato per navigare in internet) Workstation: ha le caratteristiche di un PC ma è dotato di risorse di alte prestazioni Mainframe: sistema di grandi dimensioni che mette a disposizione degli utenti la sua memoria centrale e le sue enormi memorie di massa. Gli utenti accedono al mainframe tramite terminali. Macchine parallele Supercomputer

10 Componenti di un elaboratore elettronico HARDWARE: (componenti fisici del sistema) insieme di tutti i circuiti delle macchine e dei componenti elettronici, elettrici e meccanici di un sistema elaboratore SOFTWARE: insieme dei programmi operanti sulla macchina, sufficienti a coprire tutte le esigenze di elaborazione

11 Architettura di riferimento dei calcolatori Modello di Von Neumann Funzioni che il calcolatore deve svolgere Input Output Elaborazione Conservazione delle informazioni Controllo Ipotesi: singolo processore istruzioni sequenziali

12 Architettura dal punto di vista delle funzioni esterne CPU Memoria dati Elaborazione dei dati Immagazzinamento dei Dispositivi input/output Trasferimento dei dati

13 Macchina base di Von Neumann I, D UNITA UNITA DI D DI INPUT Dati MEMORIA OUTPUT Istruzioni UNITA ARITMETICO LOGICA UNITA DI CONTROLLO CPU Controllo Controllo Caratteristica importante: separazione controllo-calcolo

14 Clock il clock e' utilizzato come segnale di base per sincronizzare le attività all'interno del calcolatore Si tratta di un segnale periodico fisso caratterizzato da periodo (o ciclo) T e frequenza f (f = 1/T) Hertz e' l'unita' di misura della frequenza Ogni istruzione di CPU e' eseguita in un numero finito di cicli di clock. Il ciclo di clock e' una importante figura di merito di un calcolatore T

15 Struttura del calcolatore BUS UNITA CENTRALE DI ELABORAZIONE (CPU) MEMORIA PRINCIPALE DISPOSITIVI DI INGRESSO/USCITA BUS = interfaccia standard di trasferimento delle informazioni Il bus è il mezzo fisico che permette a periferiche e componenti del sistema di dialogare tra loro Possiamo avere diversi tipi di bus (degli indirizzi, dei dati, di controllo) E stato necessario definire uno standard per i BUS

16 L interconnessione Bus ALU CPU CU MEMORIA BUS UNITA DI INPUT UNITA DI OUTPUT UNITA DI I/O CPU svincolata dagli altri dispositivi Ogni dispositivo aggiuntivo interagisce autonomamente con il resto del sistema mediante un controllore connesso al bus di sistema => si possono aggiungere nuovi dispositivi senza modificare quelli esistenti

17 Alcune definizioni Bit (binary digit): la più piccola unità di informazione in una macchina. Scatola che può contenere 1 o 0 Unità di misura della memoria: multipli del byte 1 byte = 8 bit Ogni byte possiede un indirizzo, cioè un numero che indica dove è memorizzato nella memoria principale Byte = la più piccola quantità di memoria accessibile in quanto possiede un proprio indirizzo word = sequenza di byte consecutivi nella memoria. Contiene tanti bit quanti un determinato calcolatore ne può elaborare interamente in un unico momento (32 o 64 bit)

18 Unità di misura della memoria KB = kilo byte MB = mega byte GB = giga byte TB = tera byte = 1024 byte 10 3 byte = 1024*1024 byte = byte 10 6 byte = 1024 MB = byte 10 9 byte byte

19 Memoria Memoria principale (memoria centrale o primaria) Capacità: Mbyte (smartphone) o Gbyte (PC) ; velocità: ns Memoria secondaria o di massa (disco ottico, magnetico o stato solido (SSD) ) Memorie di transito (registri, memoria cache) Cache: memoria molto veloce, spesso interna alla CPU, utilizzata per memorizzare istruzioni e dati durante l esecuzione. Diversi livelli secondo la velocità.

20 Gerarchia delle memorie nanosec word Tempo di accesso Registri Memoria cache Memoria principale Stato solido SSD Dischi magnetici Capacità sec Nastri Dischi ottici Gbyte

21 Gerarchia delle memorie Livello Registri Dimensioni < 1 KB Tempo di accesso < 0.5 ns Cache < 2 MB ns RAM SSD < 4 GB < 512 GB < 10 ns < 100 micros Hard disk > 128 GB micros Dischi ottici Nastri 650 MB 17 GB > 10 GB micros millis 100 millis

22 Memoria di massa Hard disk Uno o più dischi magnetici che ruotano ad alta velocità e dotati di testine lettura/scrittura. Capacità in continua crescita Chiave USB Memoria flash (semiconduttore) di dimensioni contenute che comunica con il PC grazie allo standard di comunicazione USB (= Universal Serial Bus). Velocita' di trasferimento : 12 Mbit/s (USB 1.1); 480 Mbit/s (USB 2.0); 4.8 Gbit/s (USB 3.0) SSD (Solid State Drive) Memoria di massa a semiconduttore, utilizzata anche per sostituire i dischi magnetici. Dimensioni in continua crescita ( 512 GB) Floppy disk Supporto magnetico di tipo rimovibile. Capacità: 1,44 MB

23 Dischi ottici Memorie di Massa a sola lettura CD ~ 650 MB DVD +R/-R ~ 4 GB (single layer), ~ 8 GB (double layer) BLU-RAY ~25-50 GB a lettura/scrittura CD RW DVD RW

24 uno o più dischi (piatti) in alluminio o vetro, rivestiti di materiale ferromagnetico in rapida rotazione ( giri al minuto) Hard disk su ogni lato e presente una testina (2 testine per disco) in grado di leggere/scrivere la superficie sottostante ogni piatto e suddiviso in anelli concentrici tracce e in fette detti settori si chiama cilindro l insieme delle tracce alla stessa distanza dal centro ma su dischi diversi si chiama formattazione l operazione in cui si organizza la superficie del disco capacita da 40GB a 2TB Struttura di un piatto: A) Traccia B) Settore C) Settore di una traccia D) Cluster, insieme di settori contigui

25 Hard disk dischi multipli Direzione di rotazione Per aumentare la capacita' del disco si possono usare piu' superfici sovrapposte Movimento braccio di accesso Ogni superficie ha una testina di lettura/scrittura Testine di lettura/scrittura Superficie 0 Superficie 1 Le testine sono rigidamente vincolare allo stesso braccio Cilindro: insieme delle tracce sulla stessa verticale Ogni blocco e' univocamente identificato dalla tripla: <Superficie, Cilindro, Settore>

26 MEMORIA PRINCIPALE: RAM e ROM Supporto di memorizzazione alla CPU: tutte le informazioni da elaborare e tutti i risultati vengono sempre presi e/o inviati alla memoria principale RAM (Random Access Memory) Accesso in lettura/scrittura ad accesso diretto (il tempo di accesso al singolo contenitore di memoria è indipendente dalla sua posizione) Il contenuto della memoria RAM è volatile: al cessare dell alimentazione si perde l informazione contenuta ROM (Read Only Memory) Memorie a sola lettura, programmabili una sola volta Il contenuto della ROM è permanente (non si perde al cessare dell alimentazione) Contiene informazioni vitali per la fase di avvio del computer (Basic Input Output System = BIOS)

27 RAM (Random Access Memory) Esempio: memoria di 16 Mbyte word Indirizzo: stringa di K bit contenente il numero di ordine della singola unità di memoria Ogni cella di memoria ha un suo indirizzo che ne rappresenta la posizione Spazio di indirizzamento fisico: l insieme dei 2 k indirizzi (k = larghezza del BUS indirizzi di memoria)

28 Memoria cache Memoria intermedia tra RAM e registri Capacita da 64 KB a 8 MB (piu alta e piu e costosa) Permette di memorizzare una parte del programma in fase di esecuzione senza dover accedere alla RAM Organizzata per livelli (L1, L2, L3,..., Ln) dimensione aumenta da L1 a Ln Velocità diminuisce da L1 a Ln Puo essere interna o esterna al processore

29 Gerarchia della cache Memoria principale Cache L3 Cache L2 L1 L1 CPU

30 Memoria cache Quando la CPU ha bisogno di un dato cerca questo in L1: se qui e' presente lo carica in un registro (L1 cache hit), altrimenti (L1 cache miss) lo cerca in L2 cache miss: penalità (in cicli di clock) nel caricare il dato nei registri (può causare uno stallo se il processore non ha niente altro da eseguire) Perche' conviene: perche' si sfruttano i principi di localita' spaziale e temporale

31 CPU (CENTRAL PROCESSING UNIT ovvero PROCESSORE) Nucleo di un calcolatore preposto alla elaborazione dei dati Unità aritmetico-logica (ALU) + Unità di controllo (CU) + alcuni registri + cache memory Clock = orologio interno che regola tutte le operazioni generando impulsi regolari ad un certa frequenza (-> coordinamento tra le varie attività della CPU) CPU cycle time: tempo richiesto dalla più breve microperazione della CPU CPU clock rate (frequenza della CPU): reciproco del cycle time [MHz], rappresenta una figura di merito della CPU

32 Componenti CPU BUS DATI MEMORIA PRINCIPALE BUS INDIRIZZI BUS CONTROLLO MDR MAR registri ALU PC CU IR

33 Componenti CPU: Registri Piccole unita di memoria (qualche byte), molto veloci, che memorizzano i dati e le istruzioni che sono in fase di elaborazione Sono presenti in numero limitato (qualche decina) Si dividono in speciali e generali Registri speciali: Program Counter (PC) Instruction Register (IC) Registro indirizzi di memoria (MAR) Registro dati di memoria (MDR)

34 Componenti CPU: Registri speciali Program Counter (PC): contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire Instruction Register (IC): contiene l istruzione in esecuzione; la CU legge tale istruzione e la esegue Registro indirizzi di memoria (MAR): contiene l indirizzo della cella di memoria da cui andare a leggere o scrivere Registro dati di memoria (MDR): contiene il dato da leggere o da scrivere in memoria

35 Registri speciali: Program counter (PC) contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire all inizio dell esecuzione di un programma viene caricato con l indirizzo della prima istruzione di quel programma quando l'istruzione viene eseguita, il PC viene incrementato per contenere l indirizzo dell'istruzione successiva

36 Registri generali in numero limitato (8, 16, 24) sono usati come memorie temporanee per contenere gli operandi delle istruzioni e i risultati parziali durante l esecuzione delle istruzioni

37 Fetch-decode-execute CICLO fetch-decode-execute Si accede all'istruzione che corrisponde all'indirizzo contenuto nel PC L istruzione è copiata nel registro delle istruzioni (Current Instruction Register IR) Incremento del PC (contiene l indirizzo dell istruzione successiva a quella in esecuzione) Esecuzione dell istruzione caricata

38 UNITA' ARITMETICO LOGICA (ALU) Esegue calcoli e operazioni logiche con i dati presenti nella memoria preleva gli operandi e deposita il risultato delle operazioni (da/in i registri generali) A volte oltre alla ALU possiamo avere anche un co-processore matematico

39 Cosa fa la UC? Esempio: addizione fra due numeri 1.Preleva la prossima istruzione (usando l'indirizzo presente nel) PC e la copia nel IR (-> fetch) 2.Il PC viene incrementato all'istruzione successiva X = A + B 3.Decodifica l istruzione: somma (-> decode) 4.Determina dove si trovano i due operandi, li preleva e li trasferisce nei registri della ALU 5.Segnala all ALU di eseguire la somma e di porre il risultato in un registro 6.Trasferisce il risultato alla memoria centrale execute

40 Limite alla velocità dei componenenti GHz)

41 Legge di Moore

42 Calcolo Parallelo v 1 Number of processing elements

43 Scheda madre (motherboard) E' una scheda elettronica (circuito stampato) che contiene i componenti del calcolatore Contiene gli alloggiamenti (socket) per il processore, per i banchi di memoria, e quelli per le schede di espansione (slot) Provvede alle linee di collegamento da/per la CPU (bus)

44 Unità di input/output Unità di input Unità di output Tastiera Mouse Scanner Trackball Unità audio/video Webcam Touch screen Video Stampante Plotter Altoparlanti Dispositivi controllati (video proiettore, TV, ecc.)

45 Scanner Plotter Trackball

46 Tastiera Principale strumento di input Esistono vari tipi di layout QWERTY (Italia, UK, USA, etc.) QWERTZ (Germania) AZERTY (Francia, Belgio)

47 Monitor / Video Principale unita' di output La dimensione e' misurata in pollici (lunghezza della diagonale). Il rapporto tra i lati può essere 4:3 o 16:9 (panoramico) Consiste di una matrice rettangolare di pixel (picture element). Ogni pixel del monitor può assumere un colore tra quelli disponibili. Il pixel occupa una zona quadrata, il cui lato varia da monitor a monitor. Il numero di pixel di base e il numero di pixel in altezza sono le dimensioni in pixel del monitor (per esempio 1024 x 768 pixel). Dimensioni comuni di questa matrice rettangolare di pixel sono le seguenti 640 pixel di base per 480 di altezza (standard VGA); 800 pixel di base per 600 di altezza; 1024 pixel di base per 768 di altezza (standard XGA) 1280 pixel di base per 1024 di altezza (standard SuperVGA) pixel di base per 1080 di altezza (full HD) La risoluzione del monitor è il numero di pixel per unità di misura (pollice o centimetro): pixel per pollice (ppi, pixel per inch); pixel per centimetro (ppc).

48 Principali tipologie Definizioni Stampanti a getto d'inchiostro laser dpi (dots per inch): numero di punti stampati in un pollice lineare (2.54 cm) indica la qualità di stampa ppm (pagine per minuto): numero di pagine stampate in un minuto indica la velocità di stampa

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