Elaboratore elettronico (o computer o calcolatore ):

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1 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: 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 Introduzione

2 HARDWARE & SOFTWARE L hardware èla 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 Introduzione

3 SOFTWARE Il software di base (Sistema Operativo) 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 Introduzione

4 RISOLUZIONE DI UN PROBLEMA Introduzione

5 ALGORITMI Introduzione

6 Rappresentazione degli algoritmi 1. Linguaggio naturale Linguaggi informali 2. Diagrammi di flusso 3. Pseudo-codice Linguaggi semi-formali 4. Linguaggio di programmazione Linguaggi formali Introduzione

7 Diagrammi di flusso Inizio Start Fine End Elaborazione Ingresso/Uscita Selezione a 2 vie Sottoprogramma Si predicato No Introduzione

8 CODIFICA BINARIA Le informazioni gestite dai sistemi di elaborazione devono essere codificate per poter essere memorizzate, elaborate, scambiate, Codifica binaria: usa un alfabeto di 2 simboli 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 Codifica dell Informazione

9 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 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

10 CODIFICA DEI NUMERI Numeri naturali Sistema di numerazione posizionale con base 2 es: 7 10 = = 1*2 2 +1*2 1 +1*2 0 Numeri Interi Modulo e segno Il primo bit rappresenta il segno del numero (0 = +, 1 = - ) es: +7 = 0111, -7 = 1111 Complemento a 2 Un numero negativo è rappresentato con la codifica del suo complemento a 2 (positivo) in una codifica a K bit: C K (x) = 2 K + x Codifica dell Informazione

11 CODIFICA DEI NUMERI INTERI Complemento a 2 Codifica dell Informazione

12 CODIFICA DEI NUMERI INTERI Complemento a 2 Codifica dell Informazione

13 MACCHINA DI VON NEUMANN Architettura del Calcolatore

14 Elementi di una CPU CPU Unità di controllo Unità di controllo Unità aritmetico logica (ALU) Registri Svolge funzioni di controllo, decide quali istruzioni eseguire. Unità aritmetico logica esegue le operazioni aritmetico-logiche (+,-,ecc., confronto). Registri memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e informazioni di controllo; il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del registro; esistono registri di uso generico e registri specifici: 14 Introduzione all'informatica - corso E

15 UNITA ARITMETICO-LOGICA L'Unità Aritmetico-Logica (ALU) è costituita da un insieme di circuiti in grado di svolgere le operazioni di tipo aritmetico e logico La ALU legge i valori presenti in alcuni registri, esegue le operazioni e memorizza il risultato in un altro registro Architettura del Calcolatore

16 Memoria centrale vs. memoria secondaria Memoria centrale (o principale): è acceduta direttamente dal processore memorizza dati e programmi in esecuzione tecnologia elettronica (semiconduttori) Memoria secondaria (o di massa): memorizza le informazioni in modo permanente il processore non può accedervi direttamente tecnologie usate: magnetica, ottica, magneto-ottica, elettronica 16 Introduzione all'informatica - corso E

17 GERARCHIA DI MEMORIA CPU Registri Memoria cache Memoria centrale Dischi magnetici e ottici Nastri magnetici Architettura del Calcolatore

18 DISCHI MAGNETICI: HARD DISK Un hard disk consiste di un insieme di piatti con due superfici magnetizzabili ogni superficie ha una propria testina di lettura/scrittura i dischi ruotano attorno ad un perno centrale Architettura del Calcolatore

19 DISCHI MAGNETICI: HARD DISK Organizzazione fisica dei record le superfici sono organizzate in cerchi concentrici (tracce) e in spicchi di pari grandezza (settori) separati da parti vuote (gap) tutte le tracce equidistanti dal centro (su più piatti) forma un cilindro ogni traccia contiene lo stesso numero di bit (densità di memorizzazione variabile dalla periferia verso il centro) Architettura del Calcolatore

20 NASTRI MAGNETICI Sono nastri di materiale magnetizzabile raccolti su supporti circolari, o in cassette (es.: DAT, Digital Audio Tape) Sul nastro sono tracciate piste orizzontali parallele (tracce) di solito 9: un byte di dati + il bit di parità I dati sul nastro sono organizzati in zone contigue (record), separate da zone prive di informazione (inter record gap) Accesso sequenziale Architettura del Calcolatore

21 DISCHI OTTICI La superficie di un disco presenta una successione di tratti disposti secondo un unica traccia a spirale pit: tratto di superficie avvallata riflettono raggi luminosi land: tratto di superficie liscia in modo diverso Il passaggio da pit a land (e viceversa) rappresenta 1 mentre l assenza di variazione rappresenta 0 Architettura del Calcolatore

22 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 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

23 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 Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

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

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

26 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) Architettura del Calcolatore Sistema Operativo

27 RETI DI CALCOLATORI Cos è una rete di calcolatori? Punto di vista logico sistema di dati ed utenti distribuito geograficamente Punto di vista fisico insieme di Hardware (PC e computer dedicati) Collegamenti (mezzi di trasmissione) Protocolli (regole di comunicazione) che permettono la comunicazione tra macchine remote Reti di Calcolatori

28 PERCHÉ UNA RETE DI CALCOLATORI? Condivisione di risorse Dati, programmi, dispositivi (stampanti, memorie di massa), sistemi di elaborazione Riduzione costi Es. una sola stampante per tutta l organizzazione Modularità L aggiunta di un nuovo dispositivo è semplice Affidabilità Disponibilità di risorse alternative e quindi sostituibili; es. due stampanti, replica degli stessi file su due o più calcolatori; quindi possibilità di continuare l elaborazione in presenza di guasti Comunicazione fra utenti Scambio di informazioni (messaggi, file, ) Collaborazione a distanza (progetti, articoli, ) Reti di Calcolatori

29 TASSONOMIA DELLE RETI: PER ESTENSIONE Rete locale (LAN - Local Area Network): collega due o più computer in un area non più grande di un palazzo Collega i computer di un laboratorio, gruppo di lavoro, ufficio, ditta Rete metropolitana (MAN - Metropolitan Area Network) concettualmente simile ad una rete locale collega computer di una singola organizzazione (es.: Banca con filiali cittadine) Rete geografica (WAN - Wide Area Network) Nodi distribuiti su medio-lunga distanza (nazione, continente) Reti di Calcolatori

30 TASSONOMIA DELLE RETI LOCALI: PER TOPOLOGIA Lineare Anello Stella Punto-punto Reti di Calcolatori

31 RETI LOCALI LINEARI Reti di Calcolatori

32 RETI LOCALI LINEARI: ETHERNET In ogni istante una sola stazione trasmette e le altre ricevono Quando un computer vuole comunicare invia il segnale sul cavo di collegamento Se un computer si accorge che un altro sta trasmettendo, aspetta Se si verifica un conflitto (due computer hanno tentato di comunicare contemporaneamente) i due computer si fermano e aspettano per un tempo T casuale, poi riprovano Ogni stazione ha una scheda di rete avente un indirizzo fisico univoco Se la scheda si accorge che i dati sono ad essa indirizzati, li riceve altrimenti li ignora Velocità: 100 Megabit/secondo Reti di Calcolatori

33 RETI LOCALI AD ANELLO Reti di Calcolatori

34 RETI LOCALI A STELLA Reti di Calcolatori

35 RETI LOCALI PUNTO A PUNTO PC1 PC2 PC3 PC4 Ottima tolleranza ai guasti; ma altissimi costi per i collegamenti (circa n 2 collegamenti, se n èil numero dei nodi) Utilizzabile solo per reti con pochissimi nodi Reti di Calcolatori

36 RETI GEOGRAFICHE COMMUTATE I dati sono immessi nella rete da un host e instradati alla destinazione passando da IMP a IMP La rete non è completamente connessa Esistono più cammini alternativi (affidabilità) host IMP host IMP IMP host host IMP IMP IMP IMP = Interface Message Processor host Reti di Calcolatori

37 COMMUTAZIONE DI CIRCUITO Canale dedicato host IMP host IMP IMP host host IMP IMP IMP host Reti di Calcolatori

38 COMMUTAZIONE DI PACCHETTO Percorso del 1 pacchetto Percorso del 2 pacchetto host IMP host IMP IMP host host IMP IMP IMP host Reti di Calcolatori

39 COMMUTAZIONE DI PACCHETTO Ogni messaggio è diviso in tanti pacchetti di dimensione fissa (dell ordine del Kbyte) Ogni pacchetto contiene oltre ai dati varie informazioni di controllo, quali il suo numero progressivo, l indirizzo del computer destinatario e del computer mittente Ogni pacchetto è trasmesso separatamente Ogni pacchetto può percorrere una strada diversa per arrivare al destinatario I pacchetti non arrivano necessariamente nello stesso ordine con cui sono stati inviati Il destinatario aspetta di aver ricevuto tutti i pacchetti per ricomporli e ricostruire il messaggio Ogni pacchetto occupa il mezzo di trasmissione e la scheda di rete per un tempo molto breve Si ha un effetto di parallelismo: ogni computer può essere coinvolto contemporaneamente in più comunicazioni Reti di Calcolatori

40 RETI DI RETI: INTERNETWORKING Reti di Calcolatori

41 PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE Protocolli di comunicazione: regole che formalizzano la cooperazione tra calcolatori collegati in rete (dalle caratteristiche fisiche del segnale fino ai codici utilizzati per la trasmissione) Definire tutte le regole mediante un unico protocollo è praticamente impossibile, quindi si definisce un insieme di protocolli, ognuno dei quali è dedicato ad un particolare aspetto della trasmissione I protocolli sono organizzati in una architettura a livelli, in cui ogni livello fornisce i servizi necessari a quelli superiori Reti di Calcolatori

42 PROTOCOLLI TCP/IP E INTERNET I protocolli TCP (Transmission Control Protocol) e IP (Internet Protocol) sono il risultato di ricerche iniziate negli anni 70 negli USA, finanziate dalla DARPA (Defense Advanced Research Agency), che diedero origine ad ARPANET Obiettivo dei protocolli TCP/IP è consentire l interoperabilità tra reti fisiche diverse, in modo da realizzare una internet, una rete geografica ottenuta dal collegamento di reti più piccole Internet è la rete di tutti i calcolatori che parlano TCP/IP rete pubblica, di estensione planetaria, a commutazione di pacchetto, accessibile dalle reti telefoniche mediante provider Reti di Calcolatori

43 TCP/IP: ARCHITETTURA Architettura a cinque livelli: Livello Fisico Si occupa della trasmissione di singoli bit sul canale Livello di Accesso alla Rete (Data Link) Si occupa dello scambio di dati tra il calcolatore e la rete a cui è collegato Livello Internet (Rete) Protocollo IP Frammenta i messaggi in pacchetti, i quali vengono spediti separatamente senza garanzia che arrivino e che arrivino nella sequenza di invio (diverse strade) Livello di Trasporto Protocollo TCP garantisce la consegna di un messaggio completo (con tutti i pezzi nell ordine esatto) Livello di Applicazione Specifica come una applicazione può utilizzare i protocolli TCP/IP Reti di Calcolatori

44 TCP/IP: INDIRIZZAMENTO Lo schema d indirizzamento adottato da TCP/IP è indirizzo IP + porta TCP indirizzo IP associato ad ogni calcolatore collegato è un indirizzo unico, utilizzato per l instradamento e la consegna dei pacchetti porta TCP indirizzo unico locale ad ogni calcolatore (un intero compreso tra 0 e 65535) utilizzato per individuare il programma che deve gestire il flusso di dati trasmesso Reti di Calcolatori

45 TCP/IP: INDIRIZZI IP Composti da 32 bit (4 byte) 2 32 indirizzi possibili Si rappresentano in forma dotted decimal (successione di quattro numeri da 0 a 255 separati da un punto) ( ) Strutturato in due parti la prima che individua la rete fisica a cui il calcolatore è collegato la seconda che individua il calcolatore nell ambito della rete fisica Esistono tre classi primarie di indirizzi classe A: inizia per 0, la prima parte è il primo byte, la seconda parte i restanti tre byte classe B inizia per 10 prima parte due byte, seconda parte due byte classe C inizia per 110 prima parte tre byte, seconda parte un byte Reti di Calcolatori

46 TCP/IP: INDIRIZZI IP Il numero di rete deve essere univoco in tutta la rete Internet La Internet Assigned Number Authority (IANA) è preposta ad assegnare gli indirizzi IP garantendone l univocità Es. gli indirizzi IP delle macchine dell Università della Calabria sono del tipo XXX.YYY Poichè = , l Università dispone di una rete di classe B. Quindi i primi 16 bit (160.97) identificano la rete universitaria, mentre i restanti 16 bit (XXX.YYY) identificano le singole macchine (per un massimo di macchine) Reti di Calcolatori

47 WORLD WIDE WEB: URL URL (Uniform Resource Location) è uno standard per il formato degli indirizzi delle risorse sul Web Specifica: Come si vuole accedere alla risorsa (metodo di acceso) Dove si trova la risorsa (indirizzo IP) Nome della risorsa (nome risorsa) Formato: METODO://INDIRIZZO-IP/NOME-RISORSA Reti di Calcolatori

48 WORLD WIDE WEB Metodi di accesso http: protocollo gestione ipertesti ftp: trasferimento file news: gruppi di discussione telnet: accedere a macchine remote file: accedere a documenti locali Indirizzo IP Indirizzo IP numerico o simbolico Nome risorsa Percorso (struttura di directory) e nome del file a cui si vuole accedere Es. index.html, images/logo.jpg Reti di Calcolatori