Insegnamento di Abilità Informatiche A.A. 2007/8. Lezione2

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1 Insegnamento di Abilità Informatiche A.A. 2007/8 Lezione2 Prof.ssa Raffaella Folgieri Link addestrativo interattivo:

2 BASI E NUMERI In un elaboratore ogni comando, parola, lettera o cifra sono composti da una stringa (sequenza) di 0 e 1 (ovvero un bit = Binary Digit) Siamo abituati ad usare il sistema decimale perché impariamo a contare usando le nostre 10 dita, ma il sistema binario è più semplice e più veloce: ho solo due simboli da imparare e da usare! Anche se il sistema decimale ci sembra ovvio, non si è contato sempre così!

3 Curiosità Babilonesi, Cinesi e Maya già furono capaci di rappresentare qualsiasi numero con una limitata quantità di cifre di base Non si è contato sempre allo stesso modo, il sistema notazionale o di calcolo che abbiamo è il risultato di una lunga evoluzione. Ancora oggi ci sono popoli che non contano come noi, ovvero non concepiscono numeri astratti e sono perplessi di fronte ad operazioni del tipo 2+2=4. I Boscimani non vanno oltre il cinque. I Pigmei in Africa, i Botocudos in Brasile, gli Aranda in Australia computano 1, 2, massimo 3 e oltre il 3 parlano in termini di "molti" ("tanti quanto i capelli in testa"). Nell'apprendimento i bimbi di queste tribù hanno comunque un'evoluzione la cui rapidità è simile a quella dei nostri bambini. Per approfondimenti:

4 IL SISTEMA DECIMALE Il sistema decimale adotta una notazione posizionale: i numeri hanno un peso diverso a seconda della posizione che occupano Es. 111, ovvero centinaio 1 decina 1 unità 1 ha un diverso valore a seconda della posizione che occupa! Il numero di cifre usate da un sistema numerico si dice BASE. Nel nostro caso usiamo 10 cifre (da 0 a 9), per cui la base è 10. Ogni cifra, a seconda della sua posizione, indica quanti multipli della base dobbiamo utilizzare (si usano le potenze): Es. 111 = 1x x x10 0 = 1x x10 + 1x1 Es. 215 = 2x x x10 0 = 2x x10 + 5x1 La posizione è data dall esponente. La più bassa (la posizione zero) è quella più a destra. RICORDATE: qualunque numero, elevato a zero, vale 1!!

5 IL SISTEMA BINARIO e la conversione binario decimale Abbiamo detto che l elaboratore usa gruppi (stringhe) di bit 8 bit = 1 byte Per quanto riguarda i numeri, ogni posizione rappresenta una potenza di 2, a partire da quelle più basse, poste a destra: (ricordate che qualunque numero elevato a 0 ha come risultato 1) Per calcolare il valore decimale del numero binario scritto sopra, si procede così (partendo da destra): 1x x x x x x x x2 7 = 1x1 + 0x2 + 1x4 + 0x8 + 1x16 + 0x32 + 0x64 + 0x128 = ovvero 21 in base decimale

6 IL SISTEMA BINARIO e la conversione decimale binario Un modo semplice per ricavare il corrispondente numero binario a partire dal decimale è quello detto per divisioni successive. Consideriamo il numero 21 Si effettuano divisioni successive per 2 ed ogni volta il resto della divisione fornisce il numero binario (0 o 1) da porre nella cifra binaria, partendo da destra: 21:2=10 resto :2=5 resto :2=2 resto :2=1 resto :2=0 resto Ora si riempie di zeri a sinistra, per completare gli 8 bit. Otteniamo così che è il numero 21 in binario Se si desidera, si indica la base in basso a destra Es e 21 10

7 ALTRE NOTAZIONI Altre notazioni utilizzate in Informatica sono la notazione ottale (cifre da 0 a 8) e quella esadecimale (da 0 a 9, più le lettere da A a F). Esiste una regola generale per effettuare un cambiamento di base: Scelta una base B, ogni numero è rappresentato da una sequenza di simboli di valore compreso fra 0 e B-1 A ogni posizione corrisponde una potenza della base, crescente da ds a sin Valore del numero = somma dei prodotti di ogni cifra per la potenza associata alla sua posizione Es. a N-1 a N-2...a 1 a 0 =a N-1 *B N-1 +a N-2 *B N a 1 *B 1 +a 0 *B 0

8 CONVERSIONE binario ottale Consideriamo un numero binario. Per ottenere la codifica ottale si procede così: Si considerano gruppi di 3 bit (a partire dalla cifra meno significativa, cioé quella più a destra, di posizione 0). Si sostituisce al valore rappresentato da questi bit la cifra ottale equivalente Es /100/011/001/011/011 = Ovvero, partndo da ds, si ha: 011:8=1 resto 3... Fino a 100:8=12 resto 4 e 1:8=0 resto 1. Come vedete, i resti forniscono il numero ottale, secondo la regola generale vista nella slide precedente

9 CONVERSIONE binario esadecimale Analogamente, se consideriamo un numero binario, la codifica in esadecimale segue lo stesso procedimento, ma stavolta divideremo le cifre in gruppi di 4, prima di procedere a dividere per 16: Es /0110/0101/1011 = C 6 5 B Ovvero, partendo da ds, si ha: 1011:16=63 resto 3, che corrisponde alla B (abbiamo 1 nella cifra più significativa del gruppo di 4, quindi utilizziamo le lettere)... In pratica, la lettera «A» nelle unità corrisponde al numero 10 e la lettera «F» nelle unità corrisponde al numero 15 Fino a 1100:16=68 resto 12 che corrisponde alla lettera C. Come vedete, i resti forniscono il numero ottale, secondo la regola generale vista nella slide precedente

10 Perché? Perché per la conversione binario ottale e binario esadecimale, suddividiamo i bit in gruppi, rispettivamente, di 3 e di 4? Vale la regola: con k bit posso rappresentare 2 k caratteri distinti, dunque: Con 3 bit posso rappresentare 2 3 =8 caratteri distinti Con 4 bit posso rappresentare 2 4 =16 caratteri distinti Guarda caso, proprio i valori delle due basi!

11 Conversione decimale ottale Es =177 8 Infatti: 127:8 = 15 resto 7 15:8 = 1 resto 7 1:8 = 0 resto 1 Se facciamo la verifica: 7* * *8 2 = = 127

12 Conversione decimale esadecimale Es =7E 16 Infatti: 127:16 = 7 resto 15 7:16 = 0 resto 7 Se facciamo la verifica: 15* *16 1 = = 127 (ricordiamo che E vale 15)

13 Riassumendo... Ci interessa comprendere cosa significa trattare l informazione e il perché della rapidità di risposta di un elaboratore...e capire lo schema generale di rappresentazione dell informazione e i modi di ragionamento di un elaboratore Dobbiamo dunque avere dimestichezza con: Differenza tra digitale e analogico Conversioni tra basi (decimale, binaria, ottale, esadecimale)

14 OPERAZIONI BINARIE Vedremo l addizione e la sottrazione (riflettete sul fatto che tutte le operazioni di base si riconducono alla somma algebrica) Basta ricordare che: = 0 con riporto = 1 con riporto = 1 con riporto = 0 con riporto 1

15 LA SOMMA Secondo le regole di riporto Es verifica: = = = = = 0 con riporto = 1 con riporto = 1 con riporto = 0 con riporto 1 infatti = 34

16 LA SOTTRAZIONE Secondo le regole di fianco Es verifica: = = = = = = 1 con prestito 1-0 = = 0 infatti = 8

17 MOLTIPLICAZIONE E DIVISIONE Valgono le regole seguenti MOLTIPLICAZIONE: 0 * 0 = 0 0 * 1 = 0 1 * 0 = 0 1 * 1 = 1 DIVISIONE: segue le stesse regole della divisione decimale Es =10 10 == 0 Provate da soli ad eseguire: * / e verificate il risultato, convertendo in sistema binario

18 RAPPRESENTAZIONE DEI TESTI Si utilizzano 52 lettere alfabetiche (maiuscole e minuscole) 10 cifre (0..9) Segni di interpunzione (,.;:!? ^\ / ) Operatori matematici [ -+ / > < ecc Caratteri tipici (à è ì ò ù Altri # $ % & In totale sono circa 220 caratteri. Abbiamo visto che per i numeri si utilizzano 8 bit. Lo stesso vale per gli altri simboli.

19 I SIMBOLI ALFABETICI Sono anch essi codificati da un codice binario (8 bit) Vi sono codifiche standard. Le più famose: ASCII (American Standard Code for Information Interchange) 8 bit per carattere. Codifica 256 caratteri ANSI (American National Standard Institute) UNICODE 16 bit per ogni carattere, rappresenta ASCII e caratteri di qualsiasi lingua (può rappresentare caratteri) Altre codifiche proprietarie: MSWindows 16 bit per carattere (simile a unicode)

20 TAVOLA ASCII

21 ESEMPIO DI CODIFICA ASCII Dividendo la stringa in gruppi di byte si risale alla parola (con riferimento alla tavola): P O I

22 ALGEBRA DI BOOLE Abbiamo detto che un elaboratore opera confronti semplici. Introduciamo l algebra booleana. Si deve a Boole (matematico inglese, XIX sec.) Si basa su 2 stati: ON acceso OFF spento Le variabili booleane possono assumere solo 2 valori: 0 e 1 Con le variabili booleane si costruiscono funzioni booleane che possono assumere solo 2 stati: TRUE e FALSE

23 TABELLE DI VERITA E OPERATORI Gli operatori logici che esprimono le relazioni tra le variabili sono: NOT, AND, OR, XOR Esistono poi NAND e NOR (operatori universali) che permettono di esprimere qualsiasi altra delle precedenti espressioni, utilizzando un solo tipo di operatori Ogni funzione booleana ha una sua tabella della verità

24 Tabelle di verità: NOT

25 Tabelle di verità: AND

26 Tabelle di verità: OR

27 Tabelle di verità: XOR

28 Tabelle di verità: NAND

29 Tabelle di verità: NOR

30 Algebra booleana ed elaboratore Abbiamo detto che l elaboratore rappresenta l informazione in modo digitale (intervalli finiti) e che traduce molte informazioni in binario (informazioni analogiche, numeri, lettere, comandi ) Inoltre svolge operazioni utilizzando l aritmetica binaria L elaboratore ragiona mediante confronti semplici, poiché quel che comprende con facilità è la differenza tra 0 e 1 (vero-falso, passa corrente non passa corrente nei circuiti) Dunque i confronti vengono effettuati grazie all algebra booleana

31 Archittettura di un elaboratore Il modello di Von Neumann John Von Neumann Modello teorico ancora valido e molto utilizzato (eccezione macchine ad elaborazione parallela) Schematizza in modo omogeneo situazioni diverse

32 Il modello di Von Neumann - 2 Concettualmente si identificano i componenti: Memoria (per procedura, dati iniziali, risultati intermedi e finali) Funzione aritmetica (operazioni, non solo aritmetiche, sui dati) Ingresso/Uscita (dispositivi per ricevere/inviare dati) Controllo (per eseguire passi procedure coordinando flusso dati tra i preceenti componenti) È la filosofia alla base dei calcolatori digitali

33 Il modello di Von Neumann - 3 Si suole schematizzare così l architettura di Von Neumann: Quattro blocchi comunicanti tra loro mediante il bus Bus: canale di scambio informazioni (e segnali di controllo) CPU Memoria principale Memoria secondaria Dispositivi INPUT OUTPUT BUS

34 Il modello di Von Neumann - 4 Corrispondentemente ai concetti visti, si ha: CPU (Central Processing Unit) Memorie Dispositivi I/O Bus: nel modello di Von Neumann è costituito da 3 bus distinti: Bus dei dati: i dati viaggiano da e verso la CPU Bus degli indirizzi: dati solo da CPU Bus dei segnali di controllo: dati solo da CPU

35 Il bus Scambio informazioni Fisicamente: conduttori elettrici (linee) Tre gruppi: Linee dati Linee indirizzi (identificano unità da usare durante trasferimento) Linee di controllo (segnali temporizzazione, read/write, tipo dati) Si possono avere conflitti Dispositivi attivi: master (padroni) Dispositivi passivi: slave (schiavi)

36 Ricordiamo: FASI DI SVILUPPO DI UN SOFTWARE Analisi (si raccolgono le esigenze cui deve rispondere il programma) Rappresentazione simbolica (di quanto evidenziato in fase di analisi) Programmazione (traduzione in linguaggio). Test (si verificano tutte le funzionalità Messa in esercizio (il programma va all utente finale)

37 Programma Insieme di istruzioni che il computer deve eseguire, connesse ad un compito specifico Tipologia programmi: Interattivo: intervento operatore (necessario o voluto). Es. browser Batch: nessun intervento

38 Algoritmi Nascita espressione simbolica di un problema (Al Waritzsmi, matematico arabo) Flusso risolutivo = algoritmo Varie rappresentazioni simboliche: Schema a blocchi (diagramma di flusso) Top-down, down-top UML Def algoritmo: sequenza finita, non ambigua, di passi eseguibili e ripetibili un numero finito di volte per portare a soluzione un dato problema (generale)

39 Proprietà di un algoritmo finitezza: istruzioni in numero finito eseguite un numero finito di volte non ambiguità: ogni istruzione deterministica e univocamente interpretabile realizzabilità: istruzione deve essere realmente eseguibile da parte del processore Gli algoritmi si distinguono in: Numerici (problemi di tipo matematico) Non numerici (tutti gli altri algoritmi)

40 Flusso esecuzione istruzioni Può procedere in tre modi diversi: Sequenziale, istruzioni eseguite una dopo l altra Iterativo (ciclico), una sequenza di istruzioni è ripetuta un certo numero di volte Condizionale, istruzione o gruppo di istruzioni eseguite solo se si verifica condizione La sequenza di istruzioni eseguibili su un elaboratore è detta modulo eseguibile o applicativo

41 Evoluzione programmazione GOTO: istruzioni di salto (spaghetti code) GOSUB: programmazione sequenziale strutturata, da cui: Funzioni e procedure Programmazione ad eventi Programmazione ad oggetti (modularità e riusabilità)

42 I processi Il termine processo fa riferimento all esecuzione di un programma Il processo è un oggetto dinamico che evolve nel tempo; il programma è statico Def. Processo: insieme di tutti i valori contenuti nella memoria centrale e neri registri della CPU durante l esecuzione di un programma

43 Terminazione e stati di un processo 3 motivi: Termina il quanto a sua disposizione Gli occorre una risorsa già in uso Termina regolarmente Gestore dei processi (nucleo): responsabile dell esecuzione dei programmi (quasi contemporanea) da parte dell unità di elaborazione. Stati di un processo: Attivato: appena stato creato Pronto: ha tutte le risorse per procedere, è nella ready list Esecuzione: è assegnato al processore (avviato) Attesa (blocco): risorsa che chiede già impegnata Terminato: è concluso e rilascia risorse

44 Scheduling Lo scheduling (schedulatore) decide quale tra i processi presenti nella ready list mandare in esecuzione. 3 tipi di processo schedulatore: Scheduling di basso livello (dispatcher): metodo con cui il nucleo fa passare un processo (in ready list) da pronto a esecuzione Scheduling di livello intermedio: si inoltrano al nucleo solo quelli che assicurano il miglior utilizzo di tutte le risorse (con analisi statistiche) Scheduling di alto livello (scheduler): ordina ed estrae dalla lista i processi tenendo presente le priorità e le caratteristiche statistiche

45 Lo stallo Si ha stallo quando un processo è nella situazione di attesa perché non è possibile assegnargli risorse. Condizioni che si verificano quando c è stallo: Le risorse sono ad accesso esclusivo Esiste la condizione di attesa Non utilizzato prerilascio (togliere una risorsa ad un processo dal momento in cui comincia ad utilizzarla) Vi è lista circolare di processi in attesa di risorse in uso ad altri Def. Risorsa: qualsiasi elemento sw o hw condiviso dai processi, necessario alla loro creazione ed al loro avanzamento.

46 Prevenzione e soluzione stallo Un metodo per evitare stallo è prevenirlo (es. numerazione risorse e accesso in ordine crescente). Riconoscere possibilità di stallo prima di assegnare le risorse: si perde molto tempo Si usa round robin: Basata sul time sharing (suddivisione di tempo) A ogni processo è assegnato quanto di tempo (time slice), al termine del quale: Processo passa da esecuzione a pronto Viene messo in fondo alla lista e rilasciate risorse Viene preso primo processo della lista

47 Schema round robin

48 Evoluzione round robin Round robin semplice da elementare e garantisce che ogni processo prima o poi avrà processore assegnato Svantaggio: tutti i processi hanno uguale priorità: si può assegnare più tempo a processi con maggior priorità. Round robin penalizza processi che richiedono più risorse (appena ne ricevono una vengono messi in coda in attesa di un altra) Evoluzione due liste a priorità diversa: Una per processi che terminano perché finito il quanto di tempo Una per quelli in attesa di risorse

49 Schema evoluzione round robin Si possono avere anche più liste. Effetto globale: far terminare prima i processi che richiedono minor tempo di esecuzione.

50 Gestore di risorse Svolge due compiti fondamentali: Verifica dell accesso alle risorse Schedula richieste da inoltrare al controllore che fisicamente manipola la risorsa (spesso su essa stessa) Il gestore delle risorse comunica con il controllore della risorsa richiamando specifici driver.

51 Driver E un programma o una raccolta di sottoprogrammi, scritto in linguaggio di basso livello, che accede direttamente ai registri del controllore della risorsa A volte i driver sono inclusi nelle operazioni svolte dai gestori delle risorse.

52 La tecnica del buffer Primo problema di gestione I/O: notevole differenza di velocità delle varie risorse Spesso utilizzato metodo del buffer: interporre tra il processo che la utilizza e la risorsa un area di memoria (buffer) della stessa tecnologia della CPU, nella quale il processore effettua le sue operazioni

53 Lo spooling Evoluzione del buffer che risolve il problema dell occupazione di memoria (del buffer) Simultaneous Peripherical Operation On Line Il buffer in memoria centrale è sostituito da un file in memoria secondaria. Es. stampa: Il gestore scrive l insieme dei caratteri da stampare, poi un processo interno (spooler), se il file è completo, preleva ordinatamente i file (con politica Short Job First) e ne esegue la stampa. Al termine il file viene cancellato Scrittura su memoria massa più lenta, ma consente maggiore disponibilità di memoria e possibilità di ripetere stampa se cade il sistema. Tecnica adottata per tutte le periferiche molto lente

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