Architettura di un calcolatore

Transcript

1 Dispensa di Fondamenti di Informatica Architettura di un calcolatore Dispensa a cura di: L. Cabibbo, G.Liotta 1

2 Che cos è un calcolatore? Come funziona un calcolatore? un calcolatore è un sistema un sistema è un oggetto costituito da molte parti (componenti) che interagiscono, cooperando, al fine di ottenere un certo comportamento Studiare l architettura di un sistema vuol dire individuare ciascun componente del sistema comprendere i principi generali di funzionamento di ciascun componente comprendere come i vari componenti interagiscono tra di loro La decomposizione di un sistema in componenti può essere gerarchica ogni componente può essere solitamente considerato a sua volta un sistema, di cui può essere studiata l architettura quindi, la decomposizione di un sistema in componenti può avvenire a diversi livelli di granularità 2

3 Possibili specifiche per un calcolatore (terzo trimestre 2000) processore Intel Pentium III Xeon 1.0 GHz, cache L2 256 KB chipset Intel 840, bus 133 MHz, PCI 64 bit, AGP Pro 4x memoria principale 512 MB, ECC RDRAM, 800 MHz HDD 36 GB HDD Ultra ATA-66 FDD 1.44 MB lettore DVD-CD-ROM 12x40x masterizzatore CD-RW 4x8x32x scheda grafica 4x AGP, 32MB DDR memory scheda audio 64bit, PCI scheda di rete 10/100 PCI TX schema modem/fax/voice, 56K data (V.90), 14.4K fax (V.80) mouse 3 tasti/rotellina, PS/2 tastiera 105 tasti, US internazionale monitor flat 19" interfacce USB, seriale, parallela, PS/2, VGA, IrDA, FireWire,... 3 MS Windows 2000 Professional, MS Office 2000 Premium,...

4 Hardware e software La prima decomposizione di un calcolatore è relativa ai seguenti macrocomponenti hardware la struttura fisica del calcolatore, costituita da componenti elettronici software l insieme dei programmi che consentono all hardware di svolgere dei compiti utili il software comprende il software di base (tra cui il sistema operativo) e il software applicativo 4

5 Software e macchine virtuali Il software ha le seguenti finalità il software di base ha lo scopo di mostrare il calcolatore all utente come una macchina virtuale più semplice da usare e programmare rispetto all hardware che viene effettivamente utilizzato per macchina virtuale si intende una macchina che fisicamente non esiste nella realtà, ma di cui si può avere la sensazione dell esistenza il software applicativo mostra il calcolatore all utente come una macchina virtuale che può essere utilizzata per la risoluzione di problemi il software applicativo viene realizzato in termini della macchina virtuale mostrata dal software di base, e solo raramente dipende direttamente dall hardware utilizzato Il software rende l hardware una macchina virtuale più semplice da utilizzare 5

6 Organizzazione a livelli Hardware e software sono organizzati a livelli (o strati) software applicativo software di base hardware ciascun livello corrisponde a una macchina dotata di un proprio insieme di funzionalità ogni macchina è caratterizzata da un proprio linguaggio, formato dalle istruzioni che quella macchina sa eseguire ciascun livello fornisce un linguaggio più semplice da utilizzare rispetto a quello del livello sottostante ciascun livello è realizzato in termini del linguaggio del livello immediatamente sottostante 6

7 Organizzazione a livelli Nell organizzazione a livelli l hardware è l unica macchina reale, mentre gli strati software corrispondono a macchine virtuali il linguaggio macchina è il repertorio di istruzioni che l hardware sa eseguire direttamente è composto da istruzioni estremamente elementari, ma che l hardware sa eseguire in modo molto efficiente le diverse macchine e i relativi linguaggi sono via via più astratti nel senso che il significato di ciascuna operazione è sempre più vicino alla logica dell utente e più lontano dalla logica del calcolatore come dispositivo elettronico è per questo motivo che sono via via più semplici da usare le diverse macchine e i relativi linguaggi sono ugualmente espressivi alla fin fine, l hardware è comunque l unico responsabile dell esecuzione del software 7

8 Macchina di Von Neumann L architettura dell hardware di un calcolatore reale è molto complessa viene introdotta la macchina di Von Neumann, che è un modello semplificato dei calcolatori moderni Von Neumann è stato il progettista (intorno al 1950) del primo calcolatore in cui i programmi potevano essere memorizzati anziché codificati mediante cavi e interruttori 8

9 Elementi della macchina di Von Neumann La macchina di Von Neumann è composta da quattro tipologie di componenti funzionali fondamentali unità centrale di elaborazione (CPU) componente in grado di eseguire istruzioni per l elaborazione dei dati svolge anche funzioni di controllo (ovvero, di coordinamento) delle altre componenti funzionali memoria centrale memorizza e fornisce l accesso a dati e programmi interfacce di ingresso e uscita componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore (considerate esterne al calcolatore), che consentono lo scambio di dati tra calcolatore e utente bus svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali 9

10 Architettura della macchina di Von Neumann % tastiera & mouse schermo memoria secondaria interfaccia i/o interfaccia i/o interfaccia i/o interfaccia i/o bus memoria centrale CPU unità centrale di elaborazione macchina di Von Neumann 10

11 Funzionalità nella macchina di Von Neumann Il funzionamento di un calcolatore può essere quindi descritto in termini di poche componenti (macro-unità) funzionali ciascuna macro-unità è specializzata nello svolgimento di una tipologia omogenea di funzionalità, ad eccezione dell unità centrale di elaborazione, che svolge sia funzionalità di elaborazione che di controllo trasferimento scambio di dati con l utente elaborazione controllo memorizzazione 11

12 Rappresentazione delle informazioni e dati Lo scopo fondamentale di un calcolatore è di permettere l elaborazione di informazioni le informazioni sono rappresentate sotto forma di dati un dato è una informazione elementare I dati che un calcolatore sa rappresentare ed elaborare direttamente sono molto semplici i dati vengono rappresentati nel calcolatore mediante delle codifiche binarie i tipi di dato in un calcolatore numeri interi numeri razionali caratteri valori di verità (vero/falso) per essere manipolate da un calcolatore, le informazioni di interesse devono essere organizzate in termini di questi tipi di dato 12

13 Elaborazione Le istruzioni del linguaggio macchina di un calcolatore corrispondono ad operazioni elementari di manipolazione dei dati operazioni aritmetiche somma, prodotto,... operazioni relazionali confronto tra dati operazioni su caratteri e valori di verità altre operazioni numeriche calcolo di logaritmi e funzioni trigonometriche Un calcolatore sa dunque svolgere poche tipologie di operazioni ma le sa eseguire in modo molto efficiente un calcolatore può eseguire circa milioni di istruzioni del linguaggio macchina al secondo L elaborazione dei dati viene svolta dall unità aritmetico-logica (ALU), che è un componente dell unità centrale di elaborazione 13

14 Memorizzazione Un calcolatore ha la necessità di memorizzare, in modo temporaneo o permanente, i dati per la rappresentazione delle informazioni di interesse La memoria è l unità responsabile della memorizzazione dei dati una unità di memoria è organizzata in celle a ciascuna cella è associato un indirizzo, che la identifica ciascuna cella è in grado di memorizzare un singolo dato Una unità di memoria fornisce due operazioni memorizzazione di un dato in una cella (scrittura) dato il valore da memorizzare e l indirizzo della cella, modifica lo stato della memoria accesso al dato memorizzato in una cella (lettura) dato l indirizzo della cella, restituisce il valore Nella memoria vengono memorizzati anche i programmi viene utilizzata una opportuna codifica delle istruzioni 14

15 Trasferimento Il bus è il componente del calcolatore dedicato al trasferimento dei dati e di informazioni di controllo tra le varie parti del calcolatore il bus è l insieme dei collegamenti su cui vengono trasferiti i dati e i segnali di controllo in un calcolatore L idea alla base del bus ci sono due modalità per collegare tutte i componenti di un calcolatore (per permettere lo scambio di dati tra i componenti) collegare ciascun componente con ogni altro componente collegare tutti i componenti a un unico insieme di linee (il bus, appunto) l uso del bus favorisce la modularità e l espandibilità del calcolatore 15

16 Controllo Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall unità di controllo l unità di controllo è un altro componente dell unità centrale di elaborazione ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall unità di controllo L attività di controllo svolta dall unità di controllo avviene in modo sincrono rispetto alla scansione temporale imposta dall orologio di sistema (clock) è un coordinamento dell esecuzione temporale delle funzioni che devono essere svolte sia internamente all unità di elaborazione che negli altri elementi funzionali 16

17 Unità centrale di elaborazione L unità centrale di elaborazione (o processore) è composta dall unità di controllo e dall unità aritmetico-logica l unità centrale di elaborazione controlla l esecuzione di un programma (memorizzato in memoria centrale sotto forma di una sequenza di istruzioni del linguaggio macchina) eseguendo ordinatamente le istruzioni del programma L esecuzione di ciascuna istruzione avviene mediante lo svolgimento delle seguenti tre operazioni di base (lettura) fetch legge dalla memoria la prossima istruzione da eseguire (decodifica) decode determina il tipo di istruzione che deve essere eseguito (esecuzione) execute richiede lo svolgimento di tutte le azioni necessarie per l esecuzione dell istruzione ciascuna azione viene richiesta al componente opportuno 17

18 Periferiche e interfacce di ingresso-uscita Un calcolatore può essere collegato a diversi dispositivi di ingresso e/o uscita (chiamati periferiche) ad esempio, la tastiera, il mouse, lo schermo, le stampanti, il modem anche le memorie di massa (ad esempio, le unità disco e il lettore di CD-ROM) sono considerati periferiche Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte del calcolatore ogni periferica viene controllata mediante un opportuna interfaccia una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa, e viceversa 18

19 Tecnologia dei calcolatori La conoscenza dell architettura della macchina di Von Neumann ci consente di studiare alcuni aspetti tecnologici relativi all hardware dei calcolatori vengono ora introdotti alcuni principi di funzionamento e caratteristiche tecnologiche dei componenti effettivamente utilizzati nei calcolatori 19

20 Codifica dei dati In un calcolatore, i dati (e le istruzioni) sono codificati in forma binaria, ovvero come sequenze finite di cifre 0 e 1 il bit la più piccola unità di informazione in un calcolatore un bit può avere valore 0 oppure 1 la parola bit è una forma contratta per binary digit (cifra binaria) ciascun bit è memorizzato da una cella elementare di memoria, fisicamente realizzata come dispositivo elettronico in cui sono chiaramente distinguibili due stati questi due stati vengono fatti corrispondere allo 0 e all 1 Un bit è una unità di informazione troppo piccola per essere usata individualmente i dati vengono codificati sotto forma di sequenze di bit ciascuna sequenza di bit può essere interpretata come un dato solo viene opportunamente decodificata 20

21 Byte Un altra importante unità di informazione è il byte un byte è una sequenza di 8 bit Le possibili combinazioni degli 8 bit in un byte sono 2 8 = 256 un byte può essere utilizzato per rappresentare un valore tra 256 diversi possibili valori ad esempio, un piccolo numero intero, un carattere in un alfabeto che contiene non più di 256 caratteri,... in generale, sono possibili diverse scelte sull insieme dei valori possibili ad esempio, con un byte si può rappresentare un numero naturale compreso nell intervallo da 0 a 255, oppure un numero intero relativo nell intervallo da 128 a 127 quindi, l interpretazione di ciascun byte (ovvero, sequenza di 8 bit) deve avvenire opportunamente per consentire la la corretta interpretazione delle sequenze binarie, vengono utilizzati dei meccanismi di tipizzazione 21

22 Tipi di dato Alcuni tipi di dato in un calcolatore interi relativi (ovvero, con segno) a 32 bit per valori compresi tra e interi relativi (ovvero, con segno) a 8 bit per valori compresi tra 128 e +127 numeri naturali (ovvero, senza segno) a 8 bit per valori compresi tra 0 e +255 caratteri dell alfabeto ASCII (8 bit) caratteri dell alfabeto Unicode (16 bit) numeri razionali in virgola mobile secondo lo standard IEEE a 32 bit 9 cifre significative e mantissa tra 45 e +38 numeri razionali in virgola mobile secondo lo standard IEEE a 64 bit 18 cifre significative e mantissa tra 324 e +308) valori logici (vero o falso) 22

23 Microprocessore L unità centrale di elaborazione è solitamente realizzata fisicamente sotto forma di microprocessore i microprocessori sono dispositivi elettronici estremamente complessi ad esempio, un microprocessore Intel Pentium II è composto da oltre 7 milioni di transistor in un singolo circuito integrato 23

24 Struttura di una unità centrale di elaborazione La struttura semplificata di una unità centrale di elaborazione e dei suoi collegamenti con le altre unità funzionali memoria centrale o leggi scrivi bus controllo bus indirizzi MAR PC IR registro unità di controllo PSW periferiche bus dati MDR registro... registro ALU stato esegui operazione unità centrale di elaborazione 24

25 Registri L unità centrale di elaborazione contiene un numero limitato di celle di memoria (chiamate registri) con scopi specifici registro contatore delle istruzioni (PC, program counter) indirizzo della prossima istruzione da eseguire registro delle istruzioni (IR, instruction register) l istruzione che deve essere eseguita (codificata) registro di indirizzamento della memoria (MAR) indirizzo della cella di memoria che deve essere acceduta o memorizzata registro dati di memoria (MDR) dato che è stato acceduto o che deve essere memorizzato parola di stato del processore (PSW) contiene informazioni, opportunamente codificate, circa l esito dell ultima istruzione che è stata eseguita altri registri, utilizzati ad esempio per la memorizzazione degli operandi e del risultato di una operazione 25

26 Caratteristiche dei microprocessori Le caratteristiche principali di un microprocessore repertorio di istruzioni le istruzioni del linguaggio macchina del processore velocità (misurata come frequenza del clock) la frequenza del clock misura la durata del ciclo macchina, che è l unità di tempo all interno del processore va osservato che l esecuzione di ciascuna istruzione richiede solitamente più cicli macchina ampiezza del bus numero di bit nel bus interno del processore co-processore i moderni processori sono integrati a co-processori specializzati (ad esempio, il co-processore matematico) cache una memoria veloce locale al processore, che consente un accelerazione nell esecuzione dei programmi 26

27 Memoria centrale La memoria è la componente del calcolatore in cui vengono immagazzinati e da cui vengono acceduti i dati e i programmi la memoria centrale (o principale) è la memoria che può essere acceduta direttamente dal processore Una memoria si compone di celle (o locazioni) ogni cella di memoria è in grado di memorizzare una parola di memoria (ovvero, un sequenza di bit di lunghezza fissata) ogni cella è caratterizzata da un indirizzo, che è un numero che identifica la cella e ne consente l accesso un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella fornisce le operazioni di lettura e scrittura 27

28 Struttura di una memoria centrale La struttura semplificata di una memoria centrale 128 celle di memoria di 16 bit ciascuna indirizzo della cella cella selezionata bus indirizzi leggi/scrivi bus di controllo bus dati parola letta o da scrivere 28

29 Caratteristiche delle memorie centrali Le caratteristiche principali di una memoria centrale la capacità il numero di bit che possono essere memorizzati, misurati in byte (e multipli del byte) 1Kbyte indica 2 10 byte = 1024 byte 1Mbyte indica 2 20 byte = 1024 Kbyte = byte 1Gbyte indica 2 30 byte = 1024 Mbyte = byte la velocità di accesso misura la velocità di esecuzione delle operazioni di lettura/scrittura la volatilità le memorie RAM (random access memory) possono essere sia lette che scritte, ma i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del calcolatore le memorie ROM (read only memory) possono essere solo lette, in cui i dati sono memorizzati in modo permanente 29

30 Memorie secondarie Una memoria secondaria ha le seguenti caratteristiche fondamentali, che la differenziano dalla memoria centrale non volatilità i dati memorizzati non vengono persi allo spegnimento del calcolatore (perché memorizzati in forma magnetica o ottica e non elettronica) grande capacità una unità di memoria secondaria ha capacità maggiore (anche di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale bassi costi il costo per bit di una memoria secondaria è minore (di diversi ordini di grandezza) rispetto alla memoria centrale 30

31 Memorie secondarie Altre caratteristiche delle memorie secondarie rispetto alle memorie centrali minore velocità di accesso i tempi di accesso a una memoria secondaria sono maggiori (di qualche ordine di grandezza) rispetto alla memoria principale i dati di una memoria secondaria per essere acceduti dal processore devono comunque transitare nella memoria centrale In pratica la memoria secondaria memorizza tutti i programmi e di dati del calcolatore la memoria centrale memorizza i programmi in esecuzione e i dati necessari per la loro esecuzione 31

32 Dischi magnetici Un disco magnetico (disco fisso) è composto da uno o più piatti di alluminio rotanti ricoperti di materiale magnetico e da testine una testina permette la scrittura e lettura di bit su un disco, memorizzati sotto forma di stati di polarizzazione (positiva e negativa) In un disco magnetico ciascun piatto è composto da due superfici (facce) ciascuna faccia è suddivisa in tracce (circolari) e settori (a spicchio) un cilindro è l insieme delle tracce in una data posizione radiale i settori sono le unità logiche di memorizzazione la capacità di un settore è tipicamente di 512 byte l indirizzo di un settore è dato dalle seguenti informazioni cilindro, superficie, settore 32

33 Dischi magnetici Esempio di organizzazione fisica di un disco magnetico 33

34 Il sistema operativo Il sistema operativo è il componente del software di base responsabile della gestione delle risorse del calcolatore, e in particolare di come le risorse vengono allocate alle applicazioni ad esempio, l utente può richiede al sistema operativo di eseguire un programma facendo un doppio click sull icona di un programma sul desktop del calcolatore per avviare l esecuzione del programma, il sistema operativo svolge le seguenti attività individua il codice eseguibile del programma (memorizzato sul disco) alloca al programma le risorse necessarie per la sua esecuzione (ad esempio, una certa quantità di memoria centrale) carica il codice eseguibile del programma in memoria centrale avvia il programma 34

35 Architettura a livelli di un sistema operativo I sistemi operativi hanno una struttura complessa, che può essere descritta come una gerarchia di macchine virtuali ciascun livello della gerarchia è relativo a una macchina virtuale del sistema operativo che gestisce una diversa tipologia di risorse le risorse gestite sono i processori, la memoria, le periferiche, le memorie secondarie, l interfaccia utente l utente del calcolatore interagisce solo con l interprete comandi del sistema operativo 35

36 Architettura a livelli di un sistema operativo programmi applicativi interprete comandi gestore dei file gestore delle periferiche gestore della memoria nucleo hardware 36

37 Nucleo Il nucleo del sistema operativo (o gestore dei processi) è responsabile della gestione della risorsa unità di elaborazione (processore) sotto il nucleo esiste fisicamente una sola unità di elaborazione quindi il calcolatore potrebbe svolgere un solo programma alla volta il nucleo ha (tra l altro) lo scopo di definire tante unità di elaborazione virtuali, una per ciascun programma che si vuole eseguire ciascun programma ha l impressione di essere l unico programma eseguito dal calcolatore il nucleo ripartisce la capacità di elaborazione dell unica unità di elaborazione reale tra le tante unità di elaborazione virtuali il nucleo gestisce anche l eventuale presenza di più unità di elaborazione 37

38 Gestore della memoria Il gestore della memoria consente l allocazione dinamica della memoria centrale ai programmi in esecuzione a ciascun programma viene allocata una area di memoria virtuale sufficiente per la sua esecuzione il gestore della memoria gestisce la corrispondenza tra le memorie virtuali e l unica memoria reale la dimensione della memoria virtuale può essere maggiore di quella reale i dati possono essere parcheggiati temporaneamente nella memoria secondaria 38

39 Gestore delle periferiche Il gestore delle periferiche adatta la modalità d uso delle singole periferiche (che possono essere estremamente diverse) a quello di poche tipologie di periferiche virtuali ad esempio, un programma può usare una stampante senza conoscere i dettagli precisi di funzionamento della stampante fisicamente disponibile un driver è un adattatore di dati dal formato virtuale (generico) usato sopra il gestore delle periferiche a quello reale della periferica effettivamente in uso 39

40 Gestore dei file Il gestore dei file (o file system) è dedicato alla gestione della memoria secondaria (dischi) i dischi sono fisicamente organizzati in superfici, cilindri e settori, di dimensioni prefissate il gestore dei file consente l uso della memoria secondaria mediante una organizzazione logica in volumi, cartelle e file un file è una sequenza di dati di dimensioni variabili, con accesso sequenziale oppure casuale una cartella (o direttorio) è il contenitore di un insieme di file e cartelle un volume è un contenitore di file e cartelle, solitamente corrispondente ad una unità a disco inoltre, il gestore dei file mostra ai livelli superiori anche le periferiche come dei file, da cui è possibile leggere e/o su cui è possibile scrivere sequenze di dati 40

41 Interprete comandi L interprete comandi è l interfaccia utente del sistema operativo definisce le operazioni che possono essere utilizzate direttamente dall utente finale, chiamate comandi esempi di comandi sono esecuzione di una applicazione apertura di un documento (eseguendo l applicazione responsabile della manipolazione di quel tipo di documento) l interprete comandi può essere basato su una interfaccia a caratteri come nei sistemi operativi Unix, ma anche nel prompt dei comandi di Windows basato su una interfaccia grafica come nei sistemi operativi Windows e nell ambiente X Window di Unix 41

42 Programmi di utilità Il sistema operativo è corredato da un insieme di programmi di utilità, per la configurazione, l ottimizzazione e la gestione ordinaria del sistema gestione degli utenti per definire gli utenti, i gruppi di utenti e i diritti di accesso alle varie risorse gestione delle periferiche ad esempio, l utilità di formattazione dei dischi e l utilità di deframmentazione gestione delle applicazioni per l installazione e la disinstallazione di programmi altri accessori dall editor di testi alla gestione dei servizi Internet 42

43 Gestione dei file Il file system è il componente del sistema operativo responsabile della gestione dei dati nelle memorie secondarie il sistema operativo gestisce la corrispondenza tra l organizzazione logica e l organizzazione fisica dei dati i dati nelle memorie secondarie sono organizzati logicamente in volumi, cartelle e file i dati nelle memorie secondarie sono organizzati fisicamente in dischi, superfici, cilindri e settori Vengono ora descritte alcune caratteristiche dell organizzazione logica dei dati nelle memorie secondarie con riferimento al file system del sistema operativo Windows 43

44 File Un file è un contenitore logico di informazioni, caratterizzato da un contenuto una sequenza di byte, da interpretare opportunamente un nome che ne consente l identificazione il nome è composto dal nome del file e da un percorso ad esempio d:\home\java\dispense\01_calcolatore.ppt, in cui 01_calcolatore.ppt è il nome e d:\home\java\dispense\ è il percorso Il nome di un file è composto da due parti (separate da un punto) il nome nell esempio, 01_calcolatore scelto dall utente l estensione nell esempio, ppt ha la funzione di identificare il formato del file o l applicazione da cui è stato creato, e quindi di consentire la corretta interpretazione 44

45 Volumi e cartelle L insieme dei file di un calcolatore non viene gestito in un unico contenitore piatto, ma piuttosto i file vengono organizzati in volumi e cartelle un volume è un contenitore logico di file, corrispondente solitamente a una unità a disco ad esempio, il volume a: indica il floppy disk e c: il disco fisso primario una cartella (o directory) è un contenitore logico di file e cartelle le cartelle sono organizzate gerarchicamente ad albero ogni cartella può contenere dei file ogni cartella può contenere altre cartelle (chiamate sottodirettori) la radice (root) è la cartella di livello gerarchico più elevato, corrispondente a un intero volume 45

46 Explorer L applicazione Explorer (Gestione risorse) di Windows consente la gestione del file system mediante una interfaccia grafica consente la visualizzazione del contenuto di volumi e cartelle, nonché della loro organizzazione gerarchica 46

47 File e applicazioni Il nome completo di un file è composto da un percorso indica il volume in cui si trova il file, nonché l elenco delle cartelle che bisogna attraversare per localizzarlo il nome il nome all interno della cartella in cui si trova l estensione il formato Il sistema operativo gestisce l associazione tra estensioni e applicazioni quando si fa doppio click su un file, viene eseguita l applicazione associata all estensione del file, e il file selezionato viene aperto dall applicazione 47

48 Calcolatori e programmazione La nostra discussione è iniziata dicendo che il calcolatore è una macchina programmabile un programma consente di far svolgere al calcolatore una molteplicità di operazioni, fornendo all utente degli strumenti da utilizzare per perseguire un certo scopo Viene ora brevemente discussa la nozione di programma dal punto di vista di chi li realizza (i programmatori) un programma è la descrizione di un insieme di operazioni che possono essere eseguite da un calcolatore dei dati necessari all esecuzione delle operazioni la programmazione è l attività di scrittura dei programmi Per evitare ambiguità, chiamiamo applicazione, un programma dal punto di vista dell utente programma, la descrizione di una applicazione 48

49 Programmi e linguaggi di programmazione Un programma è dunque la descrizione di una applicazione, ovvero delle operazioni fornite e dei dati gestiti dall applicazione in pratica, un programma è un insieme di frasi le frasi descrivono le operazioni e le tipologie di dati di interesse per l applicazione le frasi sono scritte in un qualche linguaggio specializzato per la definizione di programmi Un linguaggio di programmazione è un linguaggio specializzato per la definizione di programmi un linguaggio di programmazione consiste di istruzioni e regole per l uso delle istruzioni esistono molti linguaggi di programmazione ad esempio, Java, C, C++, Visual Basic, ML, Prolog,... 49

50 Operazioni e istruzioni Un programma deve contenere una frase (o un insieme di frasi) per ciascuna delle operazioni fornite dall applicazione quando l utente di una applicazione richiede l esecuzione di una operazione il calcolatore deve svolgere delle azioni che consentano l esecuzione delle operazioni in corrispondenza di ogni operazione, il programma deve contenere una descrizione delle azioni che devono essere svolte dal calcolatore per eseguire l operazione Sulla base di quanto detto finora sull hardware del calcolatore, è chiaro che il calcolatore è in grado di eseguire solo le istruzioni elementari del proprio linguaggio macchina quindi, la descrizione delle azioni da svolgere per eseguire una operazione devono essere espresse in termini delle istruzioni del linguaggio macchina 50

51 Compilatori Un linguaggio di programmazione definisce una macchina virtuale orientata alla semplificazione della scrittura dei programmi un linguaggio di programmazione consiste di istruzioni e regole per la scrittura di programmi le istruzioni di un linguaggio di programmazione sono più semplici da usare delle istruzioni del linguaggio macchina un compilatore è una applicazione per tradurre programmi scritti in un linguaggio di programmazione in programmi equivalenti scritti nel linguaggio macchina di un calcolatore ciascuna istruzione del linguaggio di programmazione viene tradotta solitamente in molte istruzioni del linguaggio macchina I linguaggi di programmazione consentono di scrivere i programmi in termini di istruzioni vicine alla logica delle tecniche di risoluzione di problemi e non in termini di istruzioni legate all hardware dei calcolatori 51