Informatica Hardware & Software Problema, Algoritmo, Programma

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1 1 Informatica Hardware & Software Problema, Algoritmo, Programma

2 INFORMAZIONE E COMUNICAZIONE Informazione Notizia, dato o elemento che consente di avere conoscenza più o meno esatta di fatti, situazioni, modi di essere, diminuendo l incertezza Messaggio Tutto ciò che porta informazione Comunicazione Scambio di informazione 2 Introduzione

3 INFORMATICA INFORMATICA = Scienza della rappresentazione e dell elaborazione dell informazione L informatica studia le caratteristiche dell informazione e i modi di usarla, immagazzinarla, trasportarla e manipolarla in modo automatico L informatica ha due anime: tecnologica: i calcolatori elettronici e i sistemi che li utilizzano, metodologica: i metodi per la soluzione di problemi e la gestione delle informazioni. 3 Introduzione

4 ELABORATORE ELETTRONICO Elaboratore elettronico (o computer o calcolatore ): è una macchina per la rappresentazione, la memorizzazione e l elaborazione e trasmissione delle informazioni La prima decomposizione di un calcolatore è relativa alle seguenti componenti: Hardware la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici ed elettromeccanici Software l insieme dei programmi che consentono all hardware di svolgere dei compiti utili 4 Introduzione

5 HARDWARE & SOFTWARE L hardware è la macchina reale Le operazioni (chiamate istruzioni) che l hardware sa eseguire direttamente costituiscono il linguaggio macchina del calcolatore Le istruzioni del linguaggio macchina sono molto semplici, ma il calcolatore può eseguirle in modo molto efficiente Il software ha lo scopo di mostrare ai suoi utenti il calcolatore come una macchina virtuale (non esistente fisicamente) più semplice da usare rispetto all hardware sottostante 5 Introduzione

6 SOFTWARE Programmi che vengono eseguiti dal sistema: Software di Base (Sistema Operativo) Software Applicativo 6 Introduzione

7 SOFTWARE: MACCHINE VIRTUALI Macchine virtuali Semplificano la comunicazione fra uomo e hardware Le diverse macchine e i relativi insiemi di operazioni sono via via più astratti: più vicini alla logica dell utente e più lontani dalla logica del calcolatore come dispositivo elettronico Alla fine, comunque, l unico responsabile dell esecuzione del software è l hardware disponibile Il software di base permette una più semplice interazione con le componenti hardware (memorie, periferiche, ) Il software applicativo mostra all utente il calcolatore come una macchina virtuale utilizzabile per la risoluzione di problemi 7 Introduzione

8 8 Codifica dell Informazione

9 CODIFICA DELL INFORMAZIONE La stessa informazione si può rappresentare in modi differenti Stessa rappresentazione per informazioni differenti 9 Codifica dell Informazione

10 SISTEMI DI CODIFICA Sistema di codifica (o codifica, o codice) Usa un insieme di simboli di base (alfabeto) I simboli dell alfabeto possono essere combinati ottenendo differenti configurazioni (o codici, o stati), distinguibili l una dall altra Associa ogni configurazione ad una particolare entità di informazione (la configurazione diventa un modo per rappresentarla) 10 Codifica dell Informazione

11 SISTEMI DI CODIFICA: NUMERI INTERI (DECIMALI) 11 Alfabeto Cifre 0, 1, 2,, 9 separatore decimale (, ) separatore delle migliaia (. ) Segni positivo ( + ) e negativo ( - ) Regole di composizione (sintassi) Definiscono le combinazioni ben formate ,43 12, Codice (semantica) Associano ad ogni configurazione un entità di informazione ,43 = Lo stesso alfabeto può essere usato per codici diversi 123,456 = [IT] 123,456 = [UK] Codifica dell Informazione

12 CODIFICA BINARIA Codifica binaria: usa un alfabeto di 2 simboli Utilizzata nei sistemi informatici Si utilizza una grandezza fisica (luminosità, tensione elettrica, la corrente elettrica), per rappresentare informazione Si divide in due intervalli l insieme dei valori che la grandezza può assumere: ogni intervallo corrisponde ad un simbolo Solo 2 simboli al fine di ridurre la probabilità di errore Tanto più simboli si devono distinguere e tanto meno la rivelazione sarà affidabile (gli intervalli della grandezza fisica saranno meno ampi) 12 Codifica dell Informazione

13 CODIFICA BINARIA BIT (BInary digit) unità elementare di informazione rappresentabile con dispositivi elettronici con 1 bit si possono rappresentare 2 stati 0/1, on/off, si/no Combinando più bit si può codificare un numero maggiore di stati con 2 bit possono rappresentare 4 stati con K bit si possono rappresentare 2 K stati Quanti bit sono necessari per codificare N oggetti? N 2 K K log 2 N K = log 2 N 13 Codifica dell Informazione

14 I GIORNI DELLA SETTIMANA IN BINARIO 14 Codifica dell Informazione

15 CODIFICA BINARIA: UNITA DERIVATE Byte = 8 bit può rappresentare 2 8 = 256 stati KiloByte (KB) = 2 10 byte = byte 10 3 byte MegaByte (MB) = 2 20 byte = byte 10 6 byte GigaByte (GB) = 2 30 byte = byte 10 9 byte TeraByte (TB) = 2 40 byte = byte byte 15 Codifica dell Informazione

16 CODIFICA DEI NUMERI NATURALI Sistema di numerazione posizionale con base β β simboli (cifre) corrispondono ai numeri da 0 a β-1 i numeri naturali maggiori o uguali a β possono essere rappresentati da una sequenza di cifre Se un numero naturale N è rappresentato in base β dalla sequenza di n cifre a n-1 a n-2 a n-3 a 1 a 0 allora N può essere espresso come segue: 16 Codifica dell Informazione

17 CODIFICA DEI NUMERI NATURALI Esempio: 13 può essere espresso in funzione delle potenze di 2 come: 13 = cioè può essere rappresentato dalla sequenza di bit Codifica dell Informazione

18 CONVERSIONE DECIMALE-BINARIO Si calcolano i resti della divisione per 2 18 Codifica dell Informazione

19 CODIFICA DEI NUMERI INTERI Modulo e segno Il bit piu` a sinistra rappresenta il segno del numero (0 = +, 1 = - ) Esempio: +7 = 0111, -7 = 1111 Valori da -2 k-1 +1 a 2 k-1-1 Con k=4 bit: da =-7 a 2 3-1=+7 Attenzione ci sono due zeri! +0=0000 e -0= Codifica dell Informazione

20 CODIFICA DEI NUMERI INTERI 20 Codifica dell Informazione

21 CODIFICA DEI NUMERI INTERI 21 Codifica dell Informazione

22 CODIFICA DEI NUMERI INTERI Complemento a 2 22 Codifica dell Informazione

23 CODIFICA DEI NUMERI INTERI 23 Codifica dell Informazione

24 CODIFICA DEI NUMERI INTERI Complemento a 2 24 Codifica dell Informazione

25 CODIFICA DI CARATTERI Associando un simbolo dell alfabeto ad ogni numero possiamo codificare tutte le lettere Codifica ASCII (American Standard Code for Information Interchange): Caratteri speciali, punteggiatura, a-z, A-Z, 0-9 Utilizza 7 bit (128 caratteri) I codici ASCII estesi usano 8 bit (256 caratteri) Codifica EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code) Utilizza 8 bit (256 caratteri) Codifica UNICODE 25 Utilizza 16 bit (65536 caratteri) I primi 128 caratteri di UNICODE sono gli stessi di ASCII I successivi corrispondono ad altri alfabeti (greco, cirillico, ebraico, ) Non riesce a coprire i simboli (oltre ) di tutte le lingue! Codifica dell Informazione

26 ASCII SU 7 BIT Ciao = = kg = Codifica dell Informazione

27 27 Architettura del Calcolatore

28 FUNZIONI DI UN CALCOLATORE Elaborazione Memorizzazione Trasferimento Controllo 28

29 MACCHINA DI VON NEUMANN 29

30 TRASFERIMENTO Obiettivo: permettere lo scambio di informazioni tra le varie componenti funzionali del calcolatore trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo Due possibili soluzioni collegare ciascun componente con ogni altro componente collegare tutti i componenti a un unico canale (bus) L utilizzo di un bus favorisce la modularità e l espandibilità del calcolatore 30

31 BUS Componenti del bus: Bus dati Bus indirizzi Bus di controllo Vantaggi Semplicità Estendibilità Standarizzabilità Svantaggi Lentezza Limitata capacità Sovraccarico della CPU I/O I/O Memoria Bus di controllo Bus indirizzi Bus dati BUS CPU I/O 31

32 MEMORIZZAZIONE La Memoria Centrale contiene: dati, che rappresentano informazioni di interesse programmi, per l elaborazione dei dati Organizzazione: è organizzata in celle o bit (0/1) gruppi di 8 bit formano un byte a ciascun byte è associato un indirizzo, che lo identifica una word è un gruppo di byte (capacità del bus dati o dimensione di un registro della CPU) Operazioni scrittura, memorizzazione di un valore in un byte/word lettura, accesso al valore memorizzato in un byte/word 32

33 MEMORIA CENTRALE: LETTURA Bus indirizzi legg i Bus di controllo N Bus dati 33

34 MEMORIA CENTRALE: SCRITTURA Bus indirizzi N scrivi Bus di controllo Bus dati

35 ELABORAZIONE Le istruzioni del linguaggio macchina corrispondono ad operazioni elementari di elaborazione operazioni aritmetiche operazioni relazionali (confronto tra dati) operazioni booleane altre operazioni Un calcolatore sa svolgere poche tipologie di operazioni elementari ma in modo molto efficiente un calcolatore può eseguire decine o centinaia di milioni di istruzioni del linguaggio macchina al secondo L elaborazione è svolta dall unità aritmetico-logica, che è un componente dell unità centrale di elaborazione 35

36 CONTROLLO Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall unità di controllo è un componente dell unità centrale di elaborazione ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall unità di controllo il controllo consiste nel coordinamento dell esecuzione temporale delle operazioni sia internamente all unità di elaborazione sia negli altri elementi funzionali il controllo avviene in modo sincrono rispetto alla scansione temporale imposta dall orologio di sistema (clock) 36

37 CPU (CENTRAL PROCESSING UNIT) 37

38 CICLO DI ESECUZIONE DELLE ISTRUZIONI L unità di controllo esegue un istruzione mediante le tre seguenti operazioni di base: Fetch (lettura) Decode (decodifica) Execute (esecuzione) Fetch-Decode-Execute 1. Prendi l istruzione corrente, vale a dire quella individuata dal registro PC, e mettila nel registro IR (fetch) 2. Incrementa il PC in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva 3. Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode) 4. Se l istruzione necessita di un dato in memoria determina dove si trova e caricalo in un registro della CPU 5. Esegui l istruzione (execute) 6. Torna al punto 1 38

39 ESECUZIONE ISTRUZIONE Load 3568 R1 Add R1 R2 Store R Jump 1000 R1 74 R

40 40 Sistema Operativo

41 SISTEMA OPERATIVO (S.O.) Strato di programmi che opera al di sopra di hardware e firmware e gestisce l elaboratore Come Gestore delle Risorse controlla e gestisce tutte le funzioni del calcolatore in modo efficiente accetta e soddisfa le richieste dell utente funziona come mediatore tra risorse in conflitto tiene traccia di chi utilizza le risorse Come Macchina estesa costituisce una base sulla quale è possibile scrivere programmi applicativi rappresenta all utente una macchina estesa più facile da programmare 41 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

42 FUNZIONI DI UN S.O. Esecuzione di applicazioni Caricamento dei programmi (istruzioni e dati) nella memoria centrale Accesso ai dispositivi di I/O Gestione dei segnali per il trasferimento dei dati Operazioni astratte di lettura/scrittura Archiviazione di dati e di programmi Organizzazione logica dei dati (directory, file) Controllo di accesso Condivisione di risorse da più utenti o applicazioni Meccanismi di protezione Contabilizzazione Monitoraggio dell uso delle risorse da parte di utenti e/o applicazioni (ottimizzazione/fatturazione) Gestione dei malfunzionamenti rilevare e risolvere guasti hardware e operazioni scorrette del software 42 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

43 PROGRAMMI APPLICATIVI VS S.O. 43 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

44 ELEMENTI DI UN S.O. 44 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

45 MODELLO A STRATI DI UN S.O. 45 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

46 CLASSIFICAZIONE DEI S.O. In base al numero di utenti: mono-utente (mono-user) un solo utente alla volta può utilizzare il sistema multi-utente (multi-user) più utenti in contemporanea interagiscono con la macchina il S.O. fornisce a ciascuno l'astrazione di un sistema dedicato In base al numero di processi: Mono-programmato (mono-task) si può eseguire un solo programma per volta Multi-programmato (multi-task) il SO permette di eseguire più programmi in contemporanea il SO gestisce la suddivisione del tempo della CPU fra i vari processi (time-sharing) 46 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

47 LIMITI DEI S.O. MONOPROGRAMMATI Qualunque programma alterna fasi di esecuzione a fasi in cui è bloccato in attesa di qualche evento esterno attesa che sia terminata un operazione di input attesa per usare una risorsa al momento occupata Sotto-utilizzo del processore mentre il programma è bloccato in attesa di eventi esterni, il processore rimane inattivo (idle) i tempi di lavoro delle periferiche di input/output, o addirittura i tempi di reazione umani sono maggiori di molti ordini di grandezza della velocità del processore 47 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

48 MULTIPROGRAMMAZIONE Sistema monoprogrammato: mono-tasking Es. Programma videoscrittura Utilizzo CPU 2-5% Sistema multiprogrammato: multi-tasking e time-sharing 48 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

49 MULTIPROGRAMMAZIONE Il tempo di lavoro della CPU è diviso tra i vari programmi Ad ogni istante vi è un solo programma attivo Il processore alterna l esecuzione dei vari programmi Se l'alternanza tra i programmi è frequente (es.10/100 ms), si ha l'impressione di un'esecuzione simultanea a livello macroscopico si ha quindi l'impressione della contemporaneità, mentre a livello microscopico si ha una semplice alternanza sequenziale molto veloce Il tempo totale di esecuzione di un singolo programma aumenta rispetto al caso mono-tasking a causa dell alternanza con gli altri programmi 49 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

50 MULTIPROGRAMMAZIONE 50 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

51 PROCESSI (TASK MANAGER DI WINDOWS) 51

52 Algebra di Boole

53 Che cos è? L'algebra di Boole (George Boole , uno dei fondatori della moderna logica simbolica, matematico inglese dell'university College di Cork) considera funzioni di variabili (o proposizioni) che possono assumere solo due valori logici: vero o falso A questi valori vengono generalmente associati i simboli: 1 (ad indicare il valore vero della variabile) 0 (ad indicare il valore falso della variabile) 53

54 Le variabili e i loro valori Le variabili, che quindi possono assumere solo due valori (0,1), si indicano con le lettere A,B,C,X,Y,W,Z. 54

55 Funzioni booleane Le operazioni base, dette anche funzioni booleane, sono AND, OR, NOT di cui: AND e OR: sono dette operazioni binarie perché coinvolgono due (o più) variabili: A AND B A OR B NOT è detta operazione unaria perché coinvolge una ed una sola variabile: NOT (A) 55

56 NOT: tabella di verità (A) NOT (A)

57 Funzioni booleane: AND Studiare la proposizione Luca E Antonio stanno bevendo, significa andare a valutare che ambedue stiano bevendo. E come se si analizzasse la veridicità delle seguenti proposizioni contemporaneamente: Luca sta bevendo AND Antonio sta bevendo 57

58 AND: tabella di verità (A) (B) (A) AND (B)

59 Funzioni booleane: OR Studiare la proposizione Luca O Antonio stanno bevendo, significa andare a valutare che uno dei due stia bevendo. E come se si analizzasse la veridicità di una delle seguenti proposizioni: Luca sta bevendo OR Antonio sta bevendo 59

60 OR: tabella di verità (A) (B) (A) OR (B)

61 Simboli e ordine di valutazione Simboli: NOT: ( ), ( ) AND: ( ), ( Λ ) OR: ( + ), ( V ) In una espressione di tipo booleana prima si valuta il NOT, successivamente l AND e solo al termine l operatore OR. A B C ( NOT ( A) AND ( B)) OR ( C) 61

62 Regole di De Morgan X Y = X + Y X + Y = X Y 62

63 Regole di De Morgan X Y X Y (X Y) X Y X+ Y

64 Teoremi fondamentali Identità 1 X = X 0 + X = X Nullo 0 X = X = 1 Idempotenza X X = X X + X = X Inverso X X = 0 X + X = 1 Commutativa X Y = Y X X + Y = Y + X Associativa (X Y) Z = X (Y Z) Distributiva X (Y + Z) = (X Y)+(X Z) Assorbimento X (X + Z) = X (X + Y) + Z = X + (Y + Z) X + (Y Z) = (X + Y) (X + Z) X + (X Y) = X 64