FONDAMENTI DI INFORMATICA LORENZO BRACCIALE

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1 FONDAMENTI DI INFORMATICA LORENZO BRACCIALE

2 IL PROGRAMMA Sistemi operativi Introduzione all utilizzo di Linux Cenni teorici informatica Programmazione C Le basi del linguaggio Algoritmi (base) Programmazione di rete (base)

3 MATERIALE Libro di testo: Deitel & Deitel: Il linguaggio C LEZIONE TIPICA ¾ h Teoria ¾ h Pratica (portare sempre il computer) MAILING LIST fondamenti-informatica@lists.uniroma2.it

4 IL LINGUAGGIO C Ideato e realizzato ~1970 Prestazioni elevate Sistemi Operativi, Embedded, Sistemi Real Time o per le TLC Standard ANSI e ISO Nostro standard di riferimento: INCITS/ISO/IEC , chiamato C99 Ultimo standard: C11 Portabile Il C non dipende dall hardware (standard internazionale) ma alcune funzioni implementate possono dipendere dal sistema operativo e/o dall hardware Con una progettazione adeguata è possibile realizzare programmi portabili

5 PERCHÈ IL C

6 THE MARCH OF PROGRESS 266 pages 274 pages 911 pages 1536 pages src: E. Roberts : The Dream of a Common Language: The Search for Simplicity and Stability in Computer Science Education

7 INTRODUZIONE LORENZO BRACCIALE

8 CHE COS E L INFORMATICA? L'informatica non riguarda i computer più di quanto l'astronomia riguardi i telescopi E. Dijkstra Scienza che studia Fondamenti teorici dell informazione Computazione Implementazione su elaboratori elettronici campo molto vasto Due anime: Tecnologica: computer e sistemi Metodologica: gestione e processamento dell informazione

9 IL COMPUTER Macchina programmabile per la rappresentazione, la memorizzazione, l elaborazione e la trasmissione delle informazioni Distinzione tra: Hardware: parte fisica (elettronica, meccanica etc) Software: parte logica (programmi) Definizione cambiata nel tempo, attualmente macchina che: Riceve degli input Produce degli output Processa l informazione Puo memorizzare dell informazione Ha dei meccanismo di controllo Un cellulare, un modem wifi, un laptop

10 BREVE STORIA DEI COMPUTER 1823: Charles Babbage inventò la macchina differenziale; In 1936 Alan Turing definì la Macchina di Turing, una macchina ideale che manipola i dati contenuti su un nastro di lunghezza infinita, secondo un insieme prefissato di regole ben definite (strumento teorico) Nella seconda guerra mondiale, venne inventato Colossus, il primo computer elettronico programmabile 1948: il manchester baby : primo computer basato sull architettura di John Von Neumann (more later) che memorizza programmi e dati nella stessa memoria.

11 BREVE STORIA DEI COMPUTER 1947 : Invenzione del transistor 1958 : Invenzione del circuito integrato 1965 : Primo personal computer Programma 101 (prodotto da Olivetti inventato da P.G. Perotto) 1971 : Una giovane società chiamata Intel produceva il primo microprocessore L intel 4004 conteneva circa 2300 transistor su un singolo chip oggi circa un miliardo per chip 1981 : Inizio diffusione personal computer su larga scala

12 1982

13 PROGRAMMA Programma: Sequenza di istruzioni che il computer esegue e di decisioni che il computer prende per svolgere una certa attivita Programmazione: L attività di progettare o realizzare un programma

14 ALGORITMO Si dice algoritmo la descrizione di un metodo di soluzione di un problema che sia eseguibile sia priva di ambiguita arrivi ad una conclusione in un tempo finito Un computer può risolvere soltanto quei problemi per i quali sia noto un algoritmo Dato un algorimo, si puo realizzarlo (implementarlo) attraverso un programma

15 ESEMPIO DI ALGORITMO Problema: dato un numero, scoprire se è un multiplo di 11 Algorimo 1: 1. Definiscono una variabile X che è il numero immesso 2. Valuta una condizione: Se X=11 allora restitutisci VERO Se X < 11 restituisci FALSO SE X > 11, sottrai 11 e torna al passo 2 Algorimo 2: Somma le cifre pari del numero e comparale con la somma delle cifre dispari Se sono uguali, restituisci VERO, altrimento FALSO Diversi algoritmi che risolvono lo stesso problema Cosa cambia?

16 EFFICIENZA Gli algoritmi sono parametrici Dati degli input, ci restituiscono degli output Risolvono instanze diverse dello stesso problema Esempio precedente: l algoritmo accetta qualunque numero intero Alcuni algoritmi risolvono lo stesso problema in modo più efficiente di altri consumano meno risorse (memoria, capacità di calcolo) E particolarmente importante valutare la scalabilità dell algoritmo con i dati di ingresso, misurata con la complessità Notazione big o (nasconde fattori costanti e potenze di ordine minore) Esempio: eliminazione di Gauss : O(n 3 ) Alcuni problemi hanno complessità O(2 n )

17 MODELLO DI VON NEUMANN Architettura di riferimento usata nella maggior parte dei computer in uso oggi ma concepita 70 anni fa! 5 componenti fondamentali: 1. CPU 2. Unità di memoria (RAM) 3. Unità di input (ad es. tastiera, HardDisk, CDRom) 4. Unità di output (ad ed. monitor, HardDisk) 5. Bus EDVAC 1951 computer per il quale è stata progettata inizialmente l architettura

18 CPU Central Processing Unit Quando fatto su un solo chip di silicio (circuito integrato): microprocessore Obiettivo: eseguire una sequenza di istruzioni memorizzate chiamata programma Ciclo di Esecuzione 1. Prelievo Istruzione dalla Memoria (fetch) 2. Decodifica Istruzione (decode) 3. Esecuzione Istruzione (execute) 4. Scrittura risultato (writeback) Ogni Processore e caratterizzato da un proprio linguaggio macchina

19 PER COSTRUIRE UN PROCESSORE Abbiamo bisogno almeno di: Qualche registro: aree di memoria dove possiamo immagazzinare alcuni dati Una ALU (Arithmetic Logic Unit): esegue i calcoli, ha dei registri al suo interno Un unita di controllo: coordina i componenti, Il cervello nel cervello fornisce segnali di controllo e di sincronizzazione Dirige il flusso dati da/verso la CPU Qualche bus per muovere i dati da un componente all altro

20 REGISTRI PC (Program Counter): registro contatore delle istruzioni, contiene l indirizzo della prossima istruzione da eseguire IR (Instruction Register): registro delle istruzioni, contiene l istruzione che deve essere eseguita (codificata) MAR (Memory Address Register): registro di indirizzamento della memoria, contiene l indirizzo della cella di memoria che deve essere acceduta o memorizzata MDR (Memory Data Register): registro dati di memoria, dato che è stato prelevato dalla memoria o che deve essere memorizzato PSW (Processor Status Word): parola di stato del processore; contiene informazioni, opportunamente codificate, circa l esito dell ultima istruzione che è stata eseguita

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22 DISPOSITIVI DI INPUT Tastiera Mouse Hard Disk DVD-ROM Microfono etc

23 DISPOSITIVI DI OUTPUT Monitor Stampante Hard Disk Casse acustiche etc

24 BUS La struttura di interconnessione piu comune percorsi di comunicazione tra due o piu dispositivi mezzo di trasmissione condiviso usualmente di tipo broadcast Diversi tipi: Il bus dati (bidirezionale) consente di leggere/scrivere informazioni sulla memoria o sulle unità periferiche Il bus indirizzi va dalla CPU alla memoria o alle periferiche consentendo di scegliere dove scrivere o leggere i dati. Il bus di controllo (bidirezionale) serve per coordinare e controllare il traffico di informazioni che viaggiano sugli altri due bus.

25 MEMORIA Memoria Primaria: Memoria Centrale Contiene istruzioni/dati dei programmi in esecuzione...in formato binario Volatile RAM Random Access Memory E possibile accedere a diversi elementi non in ordine (random access) Un CD/Musicassetta/HardDisk ad esempio non lo permette Tempo di accesso costante SRAM, DRAM, etc. Veloce (~10-100ns) e relativamente costosa Dimensioni contenute (fino a qualche Gigabyte) Memoria Secondaria: Dischi, CD, etc.. Memoria di lungo periodo - non volatile Tempo di accesso maggiori (~ms e piu ), economica

26 VELOCITÀ DELLE MEMORIE Per velocizzare l esecuzione dei programmi, tra processore e RAM viene inserita una memoria particolarmente veloce dove tenere i dati usati piu spesso (MEMORIA CACHE) I livello: presente nel microprocessore II livello: esterna La presenza di più memorie con caratteristiche diverse nasce da un compromesso tra costo ed efficienza Dispositivo RAM Hard Disk Registri processore Memoria Cache Temp di accesso ~ ns ~10ms ~1ns ~10ns

27 LA MEMORIA CENTRALE Composta di celle, o locazioni, a loro volta composte da un numero fisso di bit Cella elementare di memoria puo memorizzare solo due valori: 0 o 1, cifra binaria (binary digit -> bit) Tipicamente cella=1 byte (8 bit) Ogni locazione e associata ad un indirizzo nell intervallo [0,1,...,M-1] M dimensione della memoria La memoria e vista come un vettore di byte La CPU (ma non solo) accede alle informazioni in scrittura/lettura tramite indirizzo della cella Indirizzi a m bit: spazio di indirizzamento 2m Non necessariamente M=2m Operazioni: Lettura/Scrittura Lettura: Prelevare il contenuto di una cella di memoria Scrittura: Sostituire il contenuto di ina cella di memoria

28 LA MEMORIA VIRTUALE Astrae le memorie presenti Alcuni accessi sulla memoria fisica Altri su hard disk swap Processore e programmi si riferiscono ad indirizzi virtuali Tradotti in indirizzi reali da MMU (memory management unit) componente hardware se non trova l indirizzo, solleva un page fault ed il sistema operativo cerca l indirizzo sull hard disk Memoria organizzata in pagine molte pagine piccole: problemi lookup poche pagine grandi: frammentazione (pagine parzialmente vuote)