Università degli Studi di Salerno

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1 Università degli Studi di Salerno Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali Anno Accademico Ing. Fabio Clarizia

2 Contenuti del corso n Introduzione all'informatica e alla rappresentazione dell'informazione n Architettura di un Calcolatore e alle sue principali caratteristiche tecniche e tecnologiche n Il concetto di Software ed introduzione al Sistema Operativo n Elaborazione testi e Office Automation n Reti di Calcolatori e principali strumenti di comunicazione in rete n Basi di dati e principi applicativi (cenni) Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 2

3 Architettura di un Calcolatore e alle sue principali caratteristiche tecniche e tecnologiche Prima Parte Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 3

4 Architettura di un Calcolatore e alle sue principali caratteristiche tecniche e tecnologiche n Il modello di Von Neumann n Principali componenti di un personal computer: q Unità centrale di elaborazione (CPU) q Gerarchia e tipi di memoria q Dispositivi comuni di input/output ntipologie di calcolatori Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 4

5 Modello di Von Neumann [1] Verso la metà del secolo scorso, sotto l impulso dello sforzo bellico dovuto alla seconda guerra mondiale, gli sviluppi dell elettronica hanno reso possibile costruire dispositivi che sono particolarmente adatti ed efficienti per la memorizzazione e la successiva elaborazione di stringhe di bit. La disponibilità di una macchina in grado di elaborare l informazione in formato binario e di farlo in maniera programmata sono la base dell architettura dei moderni calcolatori elettronici. I computer che utilizziamo oggi hanno tutti una struttura che può essere descritta mediante un modello che ha preso il nome da un matematico ungherese John Von Neumann Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 5

6 Modello di Von Neumann [2] Utilizzando la codifica universale fornita dal codice binario, l idea fu quella di memorizzare nella macchina non solo i dati, ma anche le istruzioni che le occorrevano per svolgere determinate operazioni. Ciò rendeva la macchina programmabile, cioè non era più necessario reinserire le istruzioni a ogni esecuzione ottenendo un minor sprecodi tempo ed una maggiore velocità di operazione Lo scopo originale di queste macchine era quello di calcolare a grandissima velocità le complesse tabelle numeriche che occorrevano per i calcoli balistici relativi alle traiettorie dei proiettili (da qui il nome di calcolatori ). Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 6

7 Modello di Von Neumann [3] La struttura descritta dal Modello di Von Neumann comprende 6 unità fondamentali: L Unità di Controllo si occupa di controllare tutte le operazioni del calcolatore, interpretare le istruzioni prelevate dalla memoria e inviare alle altre unità i segnali per l'esecuzione delle operazioni. L Unità aritmetico-logica, detta ALU (Arithmetic & Logic Unit), fornisce la capacità di effettuare operazioni aritmetiche di base CU ALU CPU BUS Memoria Input Output Sono spesso integrate in una Unità di Elaborazione Centrale - Central Processing Unit (CPU) Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 7

8 Modello di Von Neumann [4] La Memoria: ha lo scopo di conservare le istruzioni e i dati da elaborare e i risultati ottenuti dalle elaborazioni; Le unità di ingresso e uscita sono anche dette periferiche. L Unità di ingresso (Input): immette le informazioni nel calcolatore per farle CU Memoria elaborare; L Unità di uscita (Output): riceve le informazioni dalla memoria del calcolatore per renderle pronte all uso; ALU BUS Input Il Bus: canale di comunicazione che consente ai dati di transitare fra diversi componenti del calcolatore. CPU Output Come lavora un Calcolatore Elettronico basato sul Modello di VonNeumann? Ipotesi di partenza: sia le istruzioni che i dati sono disponibili in memoria (sono state opportunamente caricate usando l unità di input). Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 8

9 Modello di Von Neumann [5] Per ogni istruzione del programma la CPU, tramite la sua parte Controllo, ordina: Ipotesi di partenza: sia le istruzioni che i dati sono disponibili in memoria (sono state opportunamente caricate usando l unità di input). il prelevamento di una istruzione dalla Memoria; la decodifica, cioè la interpreta capendo quali azioni comporta; la esegue utilizzando le opportune unità coinvolte. Durante l esecuzione può, di volta in volta: usare la ALU; effettuare altri accessi in Memoria per leggere o scrivere dati effettuare operazioni di ingresso (es. leggi un dato dalla tastiera) o di uscita (es. visualizza il risultato sul video). CU ALU CPU BUS Memoria Input Output Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 9

10 Principali componenti di un personal computer [1] Nota di colore: inizialmente gli elaboratori elettronici erano degli scatoloni dal design poco accattivante che custodivano dei circuiti elettrici per l elaborazione di dati, con il passare del tempo si è sviluppato un vero e proprio culto per il computer, tanto che le case produttrici sono in continua competizione nella realizzazione di macchine dal design futuristico tale da renderle anche oggetti di arredo. Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 10

11 Principali componenti di un personal computer [2] Tutti i moderni calcolatori, anche se con design e funzioni diverse, hanno la stessa architettura di base, che riprende quella del modello di Von Neumann. Ovvero: un unità centrale di elaborazione (CPU) che effettua e controlla le operazioni, elabora e smista i dati di ingresso e di uscita; una memoria centrale che registra le istruzioni di un programma e i dati le unità periferiche di input/output che svolgono funzioni di comunicazione tra l utente ed il calcolatore; I bus necessari per scambiare dati tra le varie componenti. Nei PC contemporanei possiamo sempre ritrovare alcune componenti fisiche. Ad esempio: q La CPU ovvero il processore; q Le Memorie: Rom, Ram, hardisk; q I dispositivi di input/output Il Modello di Von Neumann deve essere realizzato nella pratica con opportune componenti. Proviamo a capire la corrispondenza tra le componenti fisiche ed il Modello. Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 11

12 La CPU [1] q Il vero e proprio cuore del PC è il microprocessore. q corrisponde a quella che nel Modello di Von Neumann veniva chiamata CPU q la CPU, acronimo di Central Processing Unit, è l unità centrale di elaborazione. q Prende il nome di processore poiché svolge sistematicamente precise operazioni, elabora dunque un processo ovvero legge le istruzioni e i dati dalla memoria ed esegue le istruzioni. q Tra le più famose industri costruttrici si annoverano: Intel, Motorola, IBM, AMD Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 12

13 La CPU [2] Un moderno microprocessore è realizzato come un unico componente elettronico integrato (anche detto microchip o, più semplicemente, chip) ed è composto da: q Una Unità di Controllo (CU) che interpreta le istruzioni da eseguire e coordina le azioni delle altre componenti del calcolatore; cache dati Unità di Controllo q Una Unità Aritmetico-Logica (ALU) che esegue le operazioni matematiche; q Zone di immagazzinamento (cioè piccole memorie) dove vengono cache istruzioni bus Unità Aritmetico-Logica (ALU) custoditi i dati in fase di elaborazione; q Un bus interno tra le componenti della CPU Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 13

14 La CPU [3] Una caratteristica fondamentale del processore è la sua velocità, cioè la capacità di eseguire uno o più operazioni al secondo. Questa velocità viene regolata da un orologio, detto clock. La cosiddetta velocità di clock viene espressa in Hertz o cicli al secondo. Il legame tra la velocità di clock e la capacità elaborativa del processore è molto complesso. Si può affermare che maggiore è la velocità di esecuzione delle singole operazioni maggiore è la potenza del processore. Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 14

15 Gerarchia e tipi di memoria [1] Il nostro PC lavora elaborando dati ed eseguendo istruzioni che sono conservate in una memoria. Le componenti fondamentali di un moderno calcolatore elettronico Le memorie possono essere distinte (già nell originale Modello di Von Neumann): q memoria di lavoro, o Memoria Centrale (MC), necessaria per l accensione del pc, permette di caricare il sistema operativo e di lavorare con i programmi e i dati. q memoria di archiviazione, o Memoria di Massa (MM), utilizzata per registrare e conservare il sistema operativo, i dati e i programmi nel tempo. CPU Periferiche BUS Memoria centrale Memoria di massa Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 15

16 Gerarchia e tipi di memoria [2] Le memorie possono essere classificate secondo numerosi parametri: Capacità, ovvero la quantità di informazione che possono contenere, tipicamente espressa in multipli del byte (8 bit = 1 Byte); Velocità, ovvero il tempo necessario per leggere o scrivere una informazione, tipicamente espressa in bit al secondo; Volatilità, ovvero la proprietà di conservare le informazioni nel tempo anche in assenza di alimentazione elettrica; Costo per unità di memorizzazione, tipicamente espresso in /bit; Modalità di Accesso, che lega il tempo di accesso con la posizione delle informazioni nella memoria: diretta o casuale: Il tempo di accesso è indipendente dalla posizione del dato nella memoria sequenziale-associativa: Il dato viene identificato mediante una etichetta e la memoria risponde indicando l eventuale presenza del dato al suo interno; Il tempo di accesso è dipendente dalla posizione del dato nella memoria mista: combinazione dei due casi precedenti Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 16

17 Gerarchia e tipi di memoria [3] Utilizzando differenti tecnologie si possono realizzare diversi tipi di memorie con differenti combinazioni dei parametri discussi in precedenza. TECNOLOGIE ELETTRONICHE Mediante tecnologie elettroniche (le stesse dei microprocessori) si possono realizzare memorie veloci; volatili; ad accesso casuale; di capacità "limitata"; costose. Esempi di memorie elettroniche sono le RAM e le ROM TECNOLOGIE MAGNETICHE & OTTICHE Mediante tecnologie magnetiche & ottiche si possono realizzare memorie significativamente più lente di quelle elettroniche; NON volatili; ad accesso sequenziale o misto; di capacità "elevata"; significativamente meno costose di quelle elettroniche. Esempi di memorie magnetiche sono i dischi ed i nastri; Tecnologie ottiche i CD ed i DVD Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 17

18 Gerarchia e tipi di memoria [4]: la memoria di tipo RAM e ROM La Random Access Memory(RAM) ovvero memoria ad accesso casuale: q è di natura completamente elettronica; q le informazioni vengono recuperate sempre con la stessa velocità indipendentemente dalla posizione in cui si trovano all'interno della memoria stessa q..contrapposto ad accesso sequenziale (posizione prevedibile). q definita volatile cioè perde tutte le informazioni in essa contenute allo spegnimento del calcolatore q è la tecnologia utilizzata per le memorie centrali e per le cache; La Read Only Memory (ROM), è un tipo di memoria q definita non volatile, cioè è una memoria che conserva i dati e le istruzioni nel tempo. q di sola lettura, poiché l utente non può modificarne i contenuti: q Una ROM viene scritta solo in fabbrica con una dotazione di software denominata firmware (è modificabile con speciali procedure di aggiornamento). q conserva i programmi necessari per l avvio del computer: q Es.:fa parte del firmware il BIOS, cioè quel gruppo di istruzioniche consentono al processore di attivarsi al momento dell accensione del computer, di rispondere agli impulsi del clock e di effettuare un piccolo autotest di funzionamento. Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 18

19 Gerarchia e tipi di memoria [5] Ricordando che ogni informazione (un carattere, una parola, un numero, una immagine, ecc.) può essere misurata in bit, i calcolatori elettronici memorizzano ed elaborano le informazioni in un formato binario, ovvero attraverso stringhe (sequenze) di bit. La capacità delle memorie viene misurata in base al numero di bit che essa è in grado di memorizzare. Per comodità è opportuno esprimere le quantità di informazioni che è possibile immagazzinare in una memoria come opportuni multipli del bit: bit = la scelta tra due sole possibilità 0 e 1 Byte = 8 bit = la scelta tra 28 = 256 possibilità Kilobyte (KB) = 2 10 bit = 1024 bit = circa byte Megabyte (MB) = 2 20 bit = bit = circa byte Gigabyte (GB) = 2 30 bit = circa byte Terabyte (TB) = 2 40 bit = circa byte Laboratorio di Informatica per i Beni Culturali - Ing. Fabio Clarizia 19