Università degli Studi di Cagliari Facoltà di Scienze Corso di Laurea in Matematica

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1 Università degli Studi di Cagliari Facoltà di Scienze Corso di Laurea in Matematica Corso di Elementi di Informatica Lezione 2 7 marzo 2017 Dott. A.A. 2016/ Schema Funzionale di un Calcolatore Nelle precedenti slide si parlava di come è possibile, partendo da un problema, fare in modo che un calcolatore ci restituisca la soluzione. Quindi, se prima si parlava del come realizzare e comunicare algoritmi, adesso diamo una presentazione di chi deve eseguirli ovvero del calcolatore. Ogni calcolatore ha la seguente architettura: Black Box Unità di Elaborazione (CPU) Input (Dati in Ingresso) Memoria Centrale Output (Dati in Uscita) 2 1

2 Architettura dei Sistemi Informatici e dei Sistemi Elettronici Possiamo definire sistema informatico sia un computer portatile o uno smartphone che un calcolatore multiutente con un numero elevato di programmi in esecuzione contemporaneamente. In ognuno di questi identifichiamo due parti HARDWARE (i componenti fisici del sistema informatico) SOFTWARE (i programmi che vengono eseguiti dal sistema) Tra l Hardware e il Software abbiamo il FIRMWARE. Questi sono i programmi scritti direttamente dal costruttore su memorie permanenti. Domanda: Per la realizzazione del FIRMWARE si utilizza un linguaggio di programmazione di alto o basso livello? 3 Architettura dei Sistemi Informatici e dei Sistemi Elettronici SOFTWARE (Insieme di programmi che ci consentono di utilizzare l elaboratore) FIRMWARE (insieme di programmi per far comunicare il software con l Hardware) HARDWARE (Insieme dei dispositivi fisici) 4 2

3 Architettura dei Sistemi Informatici e dei Sistemi Elettronici In ogni calcolatore sono presenti degli elementi funzionali che ne consentono il funzionamento. Questi sono: Ø Unità di elaborazione o processore (CPU da Central Processing Unit) - Svolge e coordina il trasferimento dei dati all interno del sistema informatico - Ha il compito di eseguire i programmi, cioè di interpretare ed eseguire il linguaggio macchina Ø Memoria Centrale - Ha capacità limitata - Volatile - Accesso molto veloce - Costosa ($) 5 Schema Funzionale di un Calcolatore Ø Memoria Secondaria (o memoria di massa) - Solitamente di grande capacità - Conserva i dati in modo permanente - Velocità inferiore rispetto alla memoria centrale Ø I Bus di Sistema - Collega tutti gli elementi funzionali del calcolatore Ø Le periferiche di Input/Output - Consentono di connettere il calcolatore con l ambiente esterno. Periferiche di Input Tastiera, Mouse, Scanner,CD-ROM, Microfono, Webcam, Modem, etc Periferiche di Output Monitor, Stampante, Casse acustiche, CD-ROM, Modem, etc 6 3

4 Architettura Generale dell Elaboratore Memoria Secondaria Periferiche collegate CPU Memoria Centrale Interfaccia I/O Interfaccia I/O BUS di Connessione 7 Schema Funzionale di un Calcolatore SOFTWARE (Insieme di programmi che ci consentono di utilizzare l elaboratore) FIRMWARE (insieme di programmi utili a far comunicare il software con l Hardware) HARDWARE (Insieme dei dispositivi fisici) 8 4

5 Il Software Il Software di un sistema informatico viene classificato in: Software di Base Dedicato alla gestione dell elaborazione (opera direttamente al di sopra dell Hardware o del firmware) Software Applicativo Dedicato alla realizzazione di specifiche esigenze applicative (opera al di sopra del software di base). 9 Schema Funzionale di un Calcolatore Software Applicativo Software Applicativo Software Applicativo SOFTWARE DI BASE (Sistema Operativo) FIRMWARE (Insieme di programmi per far comunicare il software con l Hardware) HARDWARE (Insieme dei dispositivi fisici) 10 5

6 Schema Funzionale di un Calcolatore Software Applicativo (Word, Excel, Powerpoint) Software Applicativo (Internet Explorer, Firefox, Outlook) Software Applicativo (Giochi per PC) SOFTWARE DI BASE (Sistema Operativo: Windows 8, IOS, Android, Linux, etc ) Personal Computer FIRMWARE (insieme di programmi per far comunicare il software con l Hardware) HARDWARE (Insieme dei dispositivi fisici) 11 Il Software I PRINCIPALI TIPI DI SOFTWARE SONO I SEGUENTI Il Sistema Operativo, che è il principale programma del Software di Base - Gestisce le risorse hardware; - Consente all utente di poter utilizzare la macchina Computer; - Realizzato con codice sorgente, semplice nei sistemi monoutente mentre è più complesso nei sistemi multiutente. I Sistemi per la gestione delle Basi di Dati - Rendono più semplice e sicuro l accesso e la condivisione di grandi quantità di dati fra più utenti. I Software per la gestione dei Protocolli di Comunicazione - Garantiscono la corretta comunicazione fra più PC collegati in Rete. 12 6

7 Software Ambienti di Programmazione - Un insieme di strumenti che facilitano la scrittura dei programmi e la verifica della loro correttezza sintattica Software personale e strumenti di Produttività - Sistemi di VideoScrittura - Fogli elettronici - Sistemi per la gestione di basi di dati - Strumenti di presentazione - Agende elettroniche - Ipertesti - Sistemi di Grafica - Browser Web Nei sistemi attuali le interfacce sono dette Amichevoli (User Friendly) 13 I sistemi informatici più diffusi I SISTEMI INFORMATICI PIÙ DIFFUSI SONO: Ø Personal Computer (PC) - Fino ad una decina di anni fa erano sistemi monoutente e non erano dotati di particolari sistemi di protezione. Attualmente i più diffusi sono i sistemi multiutente. - I sistemi odierni supportano anche il multitasking, ovvero la capacità di eseguire contemporaneamente più processi o programmi per volta. Ø Macchine Server - Sono dotati di processore e caratteristiche complessive ad elevate prestazioni in grado di servire alcune decine di utenti contemporaneamente attraverso i terminali. - L accesso si esegue attraverso i terminali ed è consentito solo dopo aver effettuato il login tramite la convalida di username e password. 14 7

8 I sistemi informatici più diffusi Ø Mainframe (Comunemente chiamati Cluster di Server) - Sono dei raggruppamenti calcolatori di grande potenza che possono servire centinaia/migliaia di utenti contemporaneamente. Sono dotati di molti processori e grandissime memorie di massa. Per ognuno di questi dispositivi è possibile aumentare le capacità di elaborazione espandendo la memoria, il numero di processori, il numero di terminali e il numero di periferiche collegate. Un altro modo per aumentare la capacità di elaborazione consiste nel collegare più calcolatori tra loro creando quindi una rete di calcolatori. 15 Reti di Computer Una rete è costituita dalla connessione di più elaboratori attraverso dispositivi di connessione (schede di rete) dedicati al trasferimento dati. I principali tipi di reti sono: Le reti Locali (LAN, Local Area Network) Le reti Geografiche (WAN, Wide Area Network) 16 8

9 L informazione Definizione formale di Informatica L'informatica è lo studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l'informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza ed applicazione. (Association for Computing Machinery) 17 Il Concetto di Informazione Questi fogli non sono informazione ma la portano un foglio cosparso di macchie L informazione richiede un supporto fisico ma non coincide con esso La possibilità di poter accedere al supporto non è sufficiente per la comprensione dell informazione quindi occorre conoscere la regola con la quale leggere l informazione. 18 9

10 Il Concetto di Informazione La possibilità di poter accedere al supporto non è sufficiente per la comprensione dell informazione quindi occorre conoscere la regola con cui leggerla. Codifico l informazione con la scrittura 10 Decodifico l informazione con la lettura 19 Informazione e Supporti La stessa informazione può essere scritta su supporti e con codifiche differenti

11 Informazione e Supporti Lo stesso supporto può portare informazioni differenti. fare burro italiano inglese italiano spagnolo fare, costruire,.. tariffa, prezzo, burro asino, somaro, 21 Caratteristiche del supporto Quali caratteristiche deve avere un sistema fisico per supportare informazioni? Un supporto può portare informazione se può assumere configurazioni differenti. Che cosa rappresenta ciascuna configurazione? 22 11

12 Configurazione e Codici Ad ogni configurazione del supporto deve essere attribuito un significato, cioè un associazione con un certo elemento di informazione. Esempio: Luci dell automobile : Prima Configurazione = interruttore ON = Fari accesi ; Seconda Configurazione = interruttore OFF = Fari spenti. Per interpretare le differenti configurazioni del supporto in termini di informazione è necessario conoscere il codice (cioè la regola) che a ogni configurazione ammessa del supporto associa un elemento di informazione. 23 Configurazione e Codici E evidente che la stessa informazione può essere rappresentata su svariati supporti e con svariati codici

13 Codifica Binaria l Il codice più semplice che si possa adottare utilizza due soli simboli indicati con 0 e 1. l Un codice di questo tipo, chiamato binario, è alla base della elaborazione automatica dell informazione. 25 Codifica Binaria l Gli attuali calcolatori, per la memorizzazione dei dati e delle istruzioni, impiegano dei dispositivi, detti bistabili, in grado di assumere una configurazione scelta fra due differenti. - I dispositivi bistabili vengono usualmente chiamati bit. - I bit (binary digit) sono quindi gli elementi dei codici utilizzati dai calcolatori

14 Codifica Binaria Problema: Assegnare un codice univoco a tutti gli oggetti compresi in un insieme predefinito, utilizzando due soli simboli (0,1). 27 Codifica Binaria ESEMPIO: i giorni della settimana in binario Lunedì Martedì Domenica Mercoledì Sabato Giovedì Venerdì Lunedì Giovedì Martedì Mercoledì Domenica Sabato Venerdì 0 1 Lunedì Martedì Giovedì Mercoledì Sabato Venerdì Domenica Lunedì Martedì Mercoledì Giovedì Venerdì Sabato Domenica bit 2 gruppi 2 bit 4 gruppi 3 bit 8 gruppi 28 14

15 Codifica Binaria Problema 2: Ipotizziamo di lavorare nella catena produttiva di una fabbrica di scarpe e si deve identificare ogni tipo di prodotto con un codice (di lunghezza minima) utilizzando solamente combinazioni di valori di 0 e 1. NB. Fino ad ora ogni tipologia di scarpa veniva identificata solo grazie al colore della scatola. 29 Codifica Binaria Notare che per identificare le prime due scatole è sufficiente un codice con un solo bit, mentre per la terza e la quarta scatola è necessario usare due bit. Si rende necessario uniformare la lunghezza dei numeri a 2 bit

16 Codifica Binaria Ipotizziamo che l Azienda decida di produrre altri quattro modelli di scarpe e noi dobbiamo creare dei nuovi codici identificativi Codifica Binaria Anche in questo caso uniformiamo la lunghezza del codice dei primi quattro pacchi Quanti pacchi identificavamo con un bit? E con due bit? E con tre bit? 32 16

17 Codifica Binaria Esiste una relazione tra numero di bit usati e il numero di oggetti codificabili? Quanti oggetti posso codificare con k bit? l 1 bit Þ 2 stati (0, 1) Þ 2 oggetti (e.g. Vero/Falso) l 2 bit Þ 4 stati (00, 01, 10, 11) Þ 4 oggetti l 3 bit Þ 8 stati (000, 001,, 111) Þ 8 oggetti l l k bit Þ 2 k stati Þ 2 k oggetti 33 Prima unità di misura: il Byte Byte Un byte è una sequenza di 8 bit Ricorda questa regola: k bit Þ 2 k stati Þ 2 k oggetti... Quanti oggetti posso codificare con un Byte? Utilizzando un byte posso codificare 2 8, cioè 256 oggetti diversi 34 17

18 Codifica Binaria dei Caratteri Codifica binaria dei caratteri Quanti e quali sono gli oggetti compresi nell insieme? - 26 lettere maiuscole + 26 minuscole Þ cifre - Circa 30 segni d interpunzione - Circa 30 caratteri di controllo (EOF, CR, LF, ) Codice ASCII(American Standard Code for Information Interchange) : Utilizza 7 bit (in realtà 8 ma uno viene utilizzato per il controllo di parità) e quindi può rappresentare al massimo 2 7 =128 caratteri diversi (sufficiente per la lingua inglese). 35 Codifica Binaria dei Caratteri Codifica ASCII su 7 bit sp! " # $ % & ' ( ) * +, -. / : ; < = >? A B C D E F G H I J K L M N O 101 P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ 110 ` a b c d e f g h I j k l m n o 111 p q r s t u v w x Y z { } ~ can c Il simbolo 0 corrisponde al codice

19 Codifica binaria dei Caratteri l Codice ASCII esteso (8 bit) l Utilizza tutti gli 8 bit (= 1 byte) per rappresentare i caratteri (256 caratteri diversi) l UNICODE a 16 bit l Utilizza 2 byte, cioè 16 bit e e consente di rappresentare 2 16 cioè caratteri diversi (lingue orientali e arabe). 37 Unità di Misura bit, byte, Kilobyte, Megabyte, o bit = solo due stati, 0 oppure 1. o o o o o byte = 8 bit, quindi 2 8 = 256 stati Kilobyte [Kb] = 2 10 byte = byte ~ 10 3 byte Megabyte [Mb] = 2 20 byte= byte ~10 6 byte Gigabyte [Gb] = 2 30 byte ~ 10 9 byte Terabyte [Tb] = 2 40 byte ~ byte 38 19

20 Verifica sulla comprensione Problema: Calcolare la dimensione (in byte) di un file di testo che è stato scritto con il codice ASCII Esteso sapendo che il testo è costituito da 20 caratteri per riga e 100 righe Ø 1 carattere è rappresentato con 8 bit. Ø 8 bit equivalgono ad un byte quindi un carattere = 1byte Ø Quanti caratteri ha il mio file di testo? 20 x 100 = 2000 caratteri Ø La memoria complessiva occupata dal file di testo è data da: 2000 caratteri x 1 byte = 2000 byte Ovvero 2Kbyte 39 Verifica sulla comprensione Problema: Ho una carta sim da 128Kbyte di memoria. L unico modo che ho di usare la sua memoria è inserendo nomi di rubrica. Per ogni contatto ho a disposizione 64byte per il nome e 64byte per eventuali numeri. Calcola quanti contatti posso inserire nella memoria sim. Ø Ho complessivamente 128Kbyte di memoria Ø Ogni contatto è costituito da due parti: nome (64byte a contatto) numeri (64byte a contatto) Ø Ogni contatto essendo costituito da nome + numeri equivale a 64byte + 64byte = 128byte Ø Quindi farò 128Kbyte/128byte = 128x10 3 byte/128byte = 10 3 Contatti = 1000 contatti 40 20

21 Esercizio sugli algoritmi 41 21