Concetti introduttivi

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1 Concetti introduttivi -Panoramica storica e definizioni -Algoritmi, programmi, linguaggi -Struttura di massima di un computer e di un sistema informatico -I lucidi derivano da quelli del prof. Carlo Ghezzi e prof. Paraboschi 1 Che cos è l informatica? Definizione 1 scienza della rappresentazione e dell elaborazione dell informazione non solo la tecnologia dei calcolatori, ma anche il modo in cui l informazione viene strutturata ed elaborata automaticamente differente da quanto accade in altre attività meno formalizzate, come il giornalismo, che pure tratta informazioni 2

2 Che cos è l informatica? Definizione 2 studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione e applicazione Definizione della Association for Computing Machinery (ACM), la principale organizzazione che riunisce ricercatori e professionisti informatici 3 Algoritmo --definizione informale-- Una sequenza precisa di operazioni, comprensibili da un esecutore (uno strumento automatico), che definisce una sequenza di passi che portano alla realizzazione di un compito 4

3 Osservazioni Mette in luce gli aspetti progettuali e realizzativi che caratterizzano l attività di un informatico Si può svolgere attività informatica senza usare un computer (p. es. progettare applicare regole precise per svolgere operazioni aritmetiche usando solo carta e matita) Il calcolatore elettronico è soltanto uno strumento di calcolo potente: la sua potenza è tale da permettere la gestione di quantità di informazioni altrimenti intrattabili 5 Esempi Istruzioni di montaggio di un elettrodomestico Uso di un terminale Bancomat Calcolo del massimo comune divisore di diversi numeri naturali È essenziale che un algoritmo sia comprensibile al suo esecutore 6

4 Algoritmi, computer, programmi Algoritmi descritti tramite programmi, cioè sequenze di istruzioni scritte in un linguaggio comprensibile al calcolatore Compito dell informatico è produrre algoritmi (cioè capire la sequenza di passi che portano alla soluzione di un problema) e codificarli in programmi (cioè renderli comprensibili al calcolatore) 7 Il problema e la soluzione Prima di affrontare la soluzione occorre capire esattamente il problema Non serve saper risolvere il problema sbagliato In questo corso supporremo che il problema sia ben noto e chiaramente formulato e ci concentreremo sul formulare una soluzione Spesso in pratica e` piu` difficile capire esattamente la natura del problema che non trovarne una soluzione! Requirements analysis in Ingegneria del Software 8

5 Proprietà degli algoritmi Correttezza L algoritmo perviene alla soluzione del compito cui è preposto, senza difettare di alcun passo fondamentale Efficienza L algoritmo perviene alla soluzione del problema nel modo più veloce possibile e/o usando la minima quantità di risorse fisiche 9 Esempio: gestione biblioteca Libri disposti sugli scaffali Ogni libro si trova in una precisa e invariabile posizione con due coordinate: scaffale e posizione nello scaffale La biblioteca è dotata di uno schedario (ordinato per autore/i e titolo) Ogni scheda contiene, nell ordine: cognome e nome dell autore titolo del libro data di pubblicazione numero dello scaffale in cui si trova numero d ordine della posizione attribuita al libro nello scaffale. 10

6 Esempio di scheda Autore/i: Atzeni, Paolo Ceri, Stefano Paraboschi, Stefano Torlone, Riccardo Titolo: Scaffale: 35 Posizione: 21 Database Systems, McGraw-Hill, Un algoritmo per il prelievo 1. Cerca la scheda del libro richiesto 2. Segnati numero scaffale e posizione 3. Cerca scaffale indicato 4. Accedi alla posizione indicata e preleva il libro 5. Scrivi richiedente su scheda prestito 12

7 Il sotto-algoritmo 1. Prendi la prima scheda. 2. Esamina se titolo e autore/i sono quelli cercati. Se si la ricerca termina con successo, altrimenti passa alla scheda successiva e ripeti. 3. Se esaurisci le schede il libro cercato non esiste. Che succede se l autore cercato è Zombie Zuzzurellone? 13 Un sotto-algoritmo migliore 1. Esamina la scheda centrale dello schedario. 2. Se la scheda centrale corrisponde al libro cercato termina. 3. Se no, prosegui allo stesso modo nella metà superiore o inferiore dello schedario a seconda che il libro cercato segua o preceda quello indicato sulla scheda. L algoritmo è incompleto: esiste altra condizione di terminazione quando il libro non esiste 14

8 Revisione del passo 2 Se la scheda centrale corrisponde al libro cercato oppure se la parte di schedario da consultare è vuota, termina. Libro trovato Libro inesistente 15 Linguaggio di programmazione Un linguaggio artificiale per scrivere programmi per i computer Un programma è ciò che il computer esegue Il linguaggio è preciso e rigoroso Occorre rispettare nei dettagli la sintassi e la semantica Il computer e` meno tollerante agli errori di un umano 16

9 La Babele dei linguaggi Problemi di comunicazione e compatibilità + Opportunità di specializzazione Inizialmente si usava direttamente il linguaggio della macchina, cioè l insieme dei comandi direttamente eseguibili dalla macchina Nella seconda metà degli anni Cinquanta, il linguaggio si alza di livello usando programmi che traducono (programmi scritti ne) i linguaggi di più alto livello nel linguaggio della macchina 17 Il concetto di livello del linguaggio Il programmatore Il livello del linguaggio La macchina hardware 18

10 Esempi Linguaggio macchina Linguaggio assembler Linguaggio C/C LOAD PAGA ADD STRAORD STORE TOT TOT=PAGA+STRAORD; 19 Alcuni linguaggi (di alto livello) I primi e tradizionali linguaggi Fortran, Cobol Linguaggi che non mimano l architettura della macchina LISP Linguaggi speciali Per interrogazione di data base, I linguaggi moderni C, C++, Java,. 20

11 Sistema informatico Dal personal computer alle reti di computers HARDWARE: i componenti fisici del sistema SOFTWARE: i programmi eseguiti dal sistema 21 Hardware elementi funzionali presenti su ogni computer unità di elaborazione, o CPU elabora dati, coordina trasferimento dei dati esegue i programmi, cioè interpreta ed esegue le loro istruzioni memoria centrale (RAM Random Access Memory) memorizza dati e programmi capacità limitata volatile accesso all informazione molto rapido 22

12 memoria secondaria o memoria di massa memorizza grandi quantità di dati e programmi persistente accesso molto meno rapido della RAM Su PC: hard disk, floppy disk, CD-ROM, DVD bus di sistema, collega e consente scambio di dati unità periferiche (I/O) per comunicare con l ambiente esterno terminali, con tastiera, mouse, video, stampanti... se ambiente esterno non è un utente umano (impianti industriali, robot, strumenti di controllo) sensori attuatori 23 Livelli di sistemi per livelli crescenti di complessità, prestazioni e prezzo personal computer workstation (stazioni di lavoro) mainframe 24

13 Reti di computer e reti di reti La rete locale Disk Server Stampante Laser PC PC PC PC Reti locali interconnesse da una rete geografica Internet, la rete delle reti 25 Software Software di base Dedicato alla gestione del computer Il sistema operativo Windows 2000, MacOS, Linux L ambiente di programmazione I sistemi di gestione delle basi di dati Il software di comunicazione Software applicativo Fornisce le applicazioni per l utente finale 26

14 L ambiente di programmazione Editor: crea il testo Wordpad, Word, Emacs, Compilatore: traduce nel codice oggetto, rilevando eventuali errori di sintassi Interprete: esegue direttamente il codice sorgente Linker: collega pezzi di programma compilati separatamente Debugger: aiuta ad eliminare errori ( bug ) 27 Software di produttività personale A metà strada tra software di base ed applicativo Fornisce funzionalità personali anche a chi non sa programmare Word processor Agenda elettronica Foglio elettronico Data base Browser 28

15 Architettura di un computer La macchina di von Neumann bus di sistema CPU Mem. RAM Perif. Perif. Periferiche: memoria di massa, terminali (video, tastiera), stampanti, ) 29 Il ciclo preleva-esegui La memoria RAM contiene le istruzioni Ciclicamente: Estrai la prossima istruzione Decodificala ed eseguila Istruzioni di elaborazione di trasferimento Funzionamento scandito dall orologio di sistema ( clock ) 30

16 Istruzioni Codificate in forma binaria Bit Byte (8 bit) Quante differenti sequenze con k bit? codice operativo operando(i) 31 La memoria centrale Contiene le istruzioni e i dati su cui la CPU può operare Rispetto alla memoria di massa, è memoria a breve-medio periodo ed è volatile 32

17 La memoria centrale Celle - hanno indirizzo - contengono parole 33 Indirizzamento Esiste un registro (registro indirizzi AR)) della CPU che può indirizzare la memoria Registro di k bit può indirizzare 2 k celle Con 10 bit indirizzo 1024 celle (1 kilo-parole ) Con 20, parole (1 mega parole) Con 30 (giga), 40 (tera), 50 (peta) 34

18 RAM e ROM RAM : Random Access Memory Le celle sono indirizzabili in un ordine qualunque Il tempo di accesso non dipende dalla cella È volatile ROM: Read Only memory Contiene programmi protetti Il BIOS (Basic Input Output System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa 35 ROM Esistono diversi tipi ( Erasable, Programmable, EPROM) I programmi (vedi BIOS) sono predefiniti dal costruttore Costituiscono una via intermedia tra hardware e software FIRMWARE 36

19 h =16 bit k = 10 bit h = 16 bit registro indirizzi (AR) cella selezionata registro dati (DR) RAM 37 Bus Bus dati Bus indirizzi Bus controlli Esempio: lettura da memoria CPU carica indirizzo in AR e lo invia a RAM via bus indirizzi; invia comando di lettura via bus controlli RAM invia dato letto in DR via bus dati e segnala a CPU operazione avvenuta via bus controlli Esempio: scrittura in memoria CPU carica indirizzo in AR e lo invia a RAM via bus indirizzi; invia comando di scrittura via bus controlli RAM acquisisce dato da DR via bus dati e segnala a CPU operazione avvenuta via bus controlli. 38

20 CPU 39 Interfacce di I/O consentono collegamento tra elaboratore e periferiche interfaccia contiene registri per inviare comandi alla periferica scambiare dati controllare il funzionamento della periferica 40

21 Il ciclo preleva-esegui 1. Preleva istruzione 2. Esegui istruzione prelevata 1. Contenuto di PC AR 2. Lettura da memoria centrale DR 3. Trasferimento da DR CIR 4. Incremento di PC 5. Esecuzione di DR 41 Esecuzione dei programmi Esempio: calcolare espressione (a + b) * (c + d) 1. poni in memoria centrale, nelle celle 16, 17, 18 e 19 io valori di a, b, c, e d; 2. esegui l addizione di a e b: 1. copia cella 16 in registro A; 2. copia cella 17 in registro B; 3. somma i due registri (l operazione è eseguita dalla ALU); 3. immagazzina risultato (ora in registro A) nella cella 20; 42

22 4. esegui l addizione di c e d: 1. copia cella 18 in registro A; 2. copia cella 19 in registro B; 3. somma i registri (operazione è eseguita dalla ALU); 5. esegui la moltiplicazione di (a + b) e (c + d): 1. copia in registro B cella 20; 2. moltiplica il contenuto dei due registri; 6. scrivi il risultato sul dispositivo di uscita: 1. memorizza registro A, nella cella 20; 2. scrivi cella 20 nel registro dati della periferica 7. Arresta l esecuzione del programma 43 Il programma in linguaggio macchina 44

23 Il programma in linguaggio assembler READ A READ B READ C READ D LOADA A LOADB B ADD STORE RIS LOADA C LOADB D ADD... INT INT INT INT INT... LOADB RIS MUL STORE RIS WRITE RIS HALT A B C D RIS 45 Il frammento in C++ int a, b, c, d, ris; cin>>a>>b>>c>>d; ris = (a+b)*(c+d); cout<<"ecco il risultato <<ris; 46