Laboratorio di Informatica I

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1 Struttura della lezione Lezione 1: Introduzione al corso Vittorio Scarano Laboratorio di Informatica I Corso di Laurea in Informatica Il corso di Laboratorio di Informatica I informazioni logistiche ed organizzazione obiettivi del corso le attività di laboratorio modalità di esame Introduzione Cosa è l informatica (Computer Science) L evoluzione dei calcolatori e considerazioni Classificazione degli elaboratori La struttura di base del calcolatore 2 Informazioni logistiche Organizzazione del corso Audience: studenti la cui matricola termina per 8, 9 Orario delle lezioni Mercoledì (9-12) aula C-38 Giovedì (15-17) aula C-31 Venerdì (9-12) Laboratorio L/19 Ricevimento studenti Mercoledì, Venerdì ore studio L 1 22 Altre informazioni: 4 Lezioni in aula (mercoledì e giovedì) programmazione: il linguaggio di programmazione C Esercitazioni (venerdì) esercitazioni guidate in laboratorio L/19 3 Libri di testo (1) Libri di testo (2) Autore: Eric S. Roberts Titolo: The Art and Science of C Casa Editrice: Addison Wesley Autori: Al Kelley, Ira Pohl Titolo: C: Didattica e Programmazione Casa Editrice: Addison Wesley 5 6 1

2 Modalità di esame Obiettivi del corso Il corso di Laboratorio in 3 moduli: Modulo A (Ottobre): esame a novembre (il 7?) Modulo B (Novembre): esame a dicembre Modulo C (Febbraio-Marzo): esame ad aprile Colloquio finale orale Dalla guida dello studente: L insegnamento di Laboratorio di Informatica I è coordinato con quello di Programmazione I e la prova d esame congiunta dei due corsi, corrispondente a 4 unità didattiche, dà luogo ad un unico voto. 7 Alcuni concetti base sull Informatica La programmazione: il linguaggio C fondamenti di programmazione progettazione ed uso di librerie tipi di dati composti Operatività realizzazione di programmi in C sotto Linux 8 Introduzione al corso Informatica? Cosa è l informatica (Computer Science) La evoluzione dei calcolatori Una classificazione dei calcolatori Alcuni concetti base: hardware, software la architettura di un calcolatore algoritmi e programmazione compilazione debugging software maintenance and software engineering 9 = Trattamento automatico delle informazioni Informatica! 10 La Evoluzione dei Calcolatori La generazione zero: la preistoria La I generazione: le valvole elettroniche La II generazione: i transistors La III generazione: i circuiti integrati La IV Generazione: i circuiti integrati VLSI Generazione zero : calcolatori meccanici L abaco L abaco come strumento per contare evolutosi in maniera leggermente diversa in: Babilonia, Cina, Grecia, Impero Romano tuttora in uso in Cina e Giappone

3 Generazione zero : calcolatori meccanici Strumenti per il calcolo azionati a mano Generazione zero : calcolatori meccanici Strumenti per il calcolo azionati a vapore Wilhelm Schickard (1623): semplice calcolatore meccanico (Orologio Calcolatore) Blaise Pascal (1642): Pascaline addizionatore costruito in 50 esemplari Gottfried Leibnitz (1671): moltiplicazioni e divisioni Babbage (1832): parzialmente realizzata composta di pezzi funzionamento a vapore set fisso di istruzioni Difference Engine Generazione zero : calcolatori meccanici Babbage: Analytical Engine (1870) macchina programmabile: in grado di eseguire funzioni diverse a seconda di come fosse programmata Le istruzioni venivano fornite attraverso schede perforate (usate per i telai in Francia da Jacquard) Ada Lovelace Byron: prima programmatrice della storia Macchina mai costruita Alcune considerazioni su... L Analytical Engine Un calcolatore è programmabile assolve compiti diversi a seconda di come viene programmata quindi, di uso generale (general-purpose) La macchina: deve essere istruita sui passi da compiere per risolvere un problema (programmazione) i programmi vanno inseriti tramite schede perforate Generazione zero : calcolatori meccanici Alcune considerazioni su.. Il censimento USA Herman Hollerith U.S.A: schede perforate per il censimento (1890) 200 tonnellate di schede raccolte (2 anni) schede lette al minuto (1896) fonda la Tabulating Machine Company che (1924) diventa la International Business Machine. 17 I dati vengono inseriti tramite schede perforate: fase di input Separazione della fase di input da quella di elaborazione: Necessità della memorizzazione dei dati Dispositivi di tipo diverso per inserimento dei dati elaborazione dei dati 18 3

4 Generazione 0.5: calcolatori elettromeccanici Generazione 0.5: calcolatori elettromeccanici Howard Aiken ( ): Mark I Harvard University Altezza 3 metri, lunghezza 18 metri Peso 5 tonnellate Elettromeccanico : 760,000 parti, 3300 relay, 800 Km cavi Prestazioni: 3 addizioni/s, 1 moltipl. in 6 s, 1 divisione in 13 s Caratteristiche del Mark I Input: rotolo di carta perforata Notazione decimale (23 cifre) maggiore precisione rispetto a 64 bit! Alcuni applicazioni: calcolo integrali equazioni top-secret provenienti da Los Alamos Generazione 0.5: calcolatori elettromeccanici Mark I: (1945) il primo computer bug I Generazione: le valvole elettroniche (1) Grace Hopper (programmatrice part-time) scrive: ƒ ENIAC ( ) ƒ Electronic Numerical Integrator and Computer ƒ Applicazioni calcolo balistico ƒ 30 tonnellate, valvole termoioniche ƒ Prestazioni: addizioni e 300 moltiplicazioni a dieci cifre, al secondo ƒ Input/Output: Schede perforate e Telescriventi ƒ 30 unità (di cui 20 addizionatori) funzionanti in parallelo ENIAC: le caratteristiche ENIAC: la programmazione... Dim.: 10 m x 18 m Controlli Console per output Consumo: watt 23 Programmazione attraverso la connessione fisica delle unità Viene introdotto il salto condizionato (if then ) 24 4

5 ENIAC: ed il debugging Alcune considerazioni su.. ENIAC Identificare una valvola difettosa significa controllare componenti. La programmazione: flusso di esecuzione del programma diramazioni condizionate falsa Condizione vera I Generazione: le valvole elettroniche (2) La architettura di Von Neumann ƒ EDVAC (1951) ƒ Progettato da Von Neumann ƒ Dotato di memoria centrale (1024 parole) ƒ Dotato di memoria di massa (20000 parole) ƒ Usa la aritmetica binaria ƒ ogni elemento può prendere valore 0 oppure 1 ƒ Struttura semplice e di facile programmazione Unità di Controllo Flusso dati Segnali di controllo Memoria Unità Aritmetico-Logica Accumulatore Output Input Alcune considerazioni su.. L EDVAC e la sua architettura I Generazione: le macchine commerciali ƒ Il programma viene memorizzato con i dati ƒ può automodificarsi ƒ di facile modifica (programmazione) ƒ Introduzione delle subroutines ƒ porzioni di codice riutilizzabile attraverso il Conditional Control Transfer ƒ librerie di codice per usi comuni ƒ Rappresentazione binaria ƒ efficienza ed affidabilità ƒ Memoria di massa e memoria centrale ƒ UNIVAC I ƒ Nastri magnetici, stampanti ƒ 750,000$ ƒ 185,000$ per una stampante ƒ Usato dal Census Bureau ƒ Elezioni USA 1952: ƒ UNIVAC predice la vittoria di Eisenhower su Stevenson nelle proiezioni, contro le analisi di opinione

6 I Generazione: le macchine commerciali II Generazione: i transistor ƒ IBM 701(1953) ƒ 19 esemplari prodotti in 3 anni ƒ IBM 650 (1954) ƒ 450 esemplari in 1 anno ƒ tamburi magnetici per memorizzazione di massa 1948: la AT&T inventa il transistor 1956: MIT TX-0 primo computer con transistor Primi Sistemi Operativi Primi Linguaggi di programmazione ad alto livello ALGOL, COBOL,FORTRAN Alcune considerazioni su.. I linguaggi di programmazione III Generazione: i circuiti integrati I linguaggi di programmazione: non legati alla architettura della macchina astrazione del processo portabilità di uso più semplice per il programmatore necessità di traduzione (compilazione) linguaggi orientati alle applicazioni Sistemi operativi: necessari per l accesso alle risorse della macchina l uso efficiente delle risorse 1967: i primi circuiti integrati realizzano su un unico chip centinaia di transistor Fairchild Corporation: unità aritmetica a 8 bit un accumulatore III Generazione: i circuiti integrati IV Generazione: i circuiti integrati VLSI Sistemi operativi: multitasking IBM 360: famiglia di sistemi 6 computer e 40 periferiche compatibili upgrade Software Hardware Nasce la Digital Equipment Corporation con i primi mini : PDP-8 e PDP-11 Very Large Scale Integration (VLSI) Migliaia di transistor su chip (anni 70) IBM System/370 VAX 11/780 DEC Cray X/MP (supercomputer) Sistemi Operativi: VMS di Digital UNIX di AT&T, BELL Lab

7 L era dei Microcomputer (1) L era dei Microcomputer (2) (1969) Intel realizza il 4004: primo chip a racchiudere un processore intero progettato da Federico Faggin (con altri) 2250 transistor parola a 4 bit 60,000 operazioni al secondo progenitore di 8008, 8080, 8086 e 8088 Mentre la Intel realizza il 4004: La Motorola realizza il 6800, La Zylog lo Z80 Steve Jobs costruisce l Apple I (assemblato nel garage) è il primo PC La DEC crea il CP/M, sistema operativo per microcomputer basati su 8080 e Z L era dei Microcomputer (3) L era dei Microcomputer (4) 1981: IBM crea il suo Personal Computer basato su Commissiona il sistema operativo ad una piccola società: la Microsoft che crea MS- DOS. Il PC IBM si impone sul mercato che si converte agli IBM compatibili L unico concorrente rimane la Apple 1984: la Apple lancia il Macintosh basato su Motorola innovativa ed intuitiva interfaccia grafica la nuova filosofia: User Friendly WYSIWYG: What you see is what you get 1987: la Microsoft leader a causa dell uso universale di MS.-DOS risponde con Windows 1.0, 2.0, L era dell Informatica Distribuita L era di Internet Le motivazioni: i mainframe sono costosi da mantenere potenza di calcolo disponibile su scrivania evoluzione delle reti locali e geografiche La rivoluzione: da un mainframe con terminali stupidi ad una rete di PC collegati ad un minicomputer Il modello Client-Server Rete mondiale che connette milioni di calcolatori Servizi: (posta elettronica) World Wide Web: sistema ipertestuale per il reperimento di informazioni Integrazione tra la rete ed il WWW ed il personal computer

8 Una Classificazione di Elaboratori Personal Digital Assistant (PDA) Dimensione Capacità Costo Personal Digital Assistant Network Computer Notebook Personal Computer Workstation Mini-computer Mainframe Supercomputer Facilità d uso Genericità 43 ƒ schermo da 3 a 6 pollici; peso ~200g ƒ senza tastiera (palmari) o con tastiera mini (hand-held) ƒ alimentazione a batteria ƒ Sistema Operativo ridotto ƒ input tramite penna e riconoscimento scrittura ƒ interfaccia a raggi infrarossi per collegamento ƒ Esempi: ƒ Apple Newton, PalmPilot, Psion, Sharp 5800, Philips Velo1, etc. 44 Network Computers Computer Notebook Recente introduzione Capacità di calcolo simili ad un Personal Computer scarica il proprio Sistema Operativo da rete a seconda del S.O. caricato assumono funzionalità diverse utile per piattaforma di calcolo eterogeneo 45 ƒ Dimensioni di un agenda formato A4 ƒ Peso da 1 Kg fino a 4-5 Kg. ƒ Alimentazione a rete ed a batteria (ricaricabile) ƒ Prestazioni simili ad un Personal Computer ma ad un costo più elevato. ƒ Dotati di dispositivi interscambiabili ƒ Esempi: ƒ Apple Powerbook, Toshiba Notebook, etc. 46 Personal Computer Workstation ƒ Detto anche microcomputer ƒ nato nel 1981 dalla IBM ƒ anche se 77 la Commodore presentava il PET... ƒ architettura a processore unico ƒ oggetto della evoluzione più rapida ƒ Due piattaforme: ƒ Wintel (WINdows + InTEL) ƒ Apple PowerPC 47 ƒ Stazioni di lavoro individuali dall elevata capacità di calcolo; ƒ Potenti processori dedicati per la grafica ƒ Utilizzati nella: ƒ progettazione CAD (Computer Aided Design) ƒ grafica computerizzata (video) ƒ simulazione di processi complessi 48 8

9 Mini e Supermini Computer I grossi calibri... ƒ Calcolatori dipartimentali ƒ Supportano decine di utenti ed utenze con interessi specifici ƒ Potenze di calcolo elevate ƒ Ambiente multi-utente ƒ Software Applicativo particolare ƒ Dotati (spesso) di multiprocessore 49 ƒ Mainframe ƒ Supportano centinaia di utenti ƒ Elevata capacità di gestione dati ƒ Costo e gestione elevata e complessa. ƒ Supercomputer ƒ Estremamente veloci (multiprocessore) ƒ Alto grado di parallelismo interno ƒ Usati in campo scientifico o tecnico per: ƒ elaborazione di dati atmosferici inviati da satellite ƒ simulazione di voli spaziali, etc 50 Le Componenti di un Calcolatore Architettura Generale di un Elaboratore Hardware (HW): il calcolatore (circuiti elettronici) Software (SW): programmi (istruzioni per l hardware) Firmware Componenti HW pre-programmate per realizzare specifiche funzionalità. 51 Memorie di Massa Processore Memorie di massa esterne Bus di Interconnessione Controller dispositivi I/O e comunicazione Video Memoria Centrale Stampante Cabinet Dispositivi di comunicazione 52 Il Processore Il Processore Memorie di Massa Processore Memorie di massa esterne Bus di Interconnessione Controller dispositivi I/O e comunicazione Video Memoria Centrale Stampante Cabinet Dispositivi di comunicazione 53 Central Processing Unit (CPU) Effettua la computazione: controllata dalle istruzioni prelevate dalla memoria Circuiti integrati integra (milioni di) transistor 54 9

10 Un confronto: numero di transistors La Memoria Centrale Pentium P. MMX Pentium II 55 Memorie di Massa Processore Memorie di massa esterne Bus di Interconnessione Controller dispositivi I/O e comunicazione Video Memoria Centrale Stampante Cabinet Dispositivi di comunicazione 56 La Memoria Centrale Un confronto di memorie: la dimensione Contiene: dati programmi Random Access Memory (RAM) Memoria volatile necessita di alimentazione elettrica Dimensione (#transistors) 256M b 64M b 16M b 64Kb 256Kb 1M b 4M b Un confronto di memorie: la velocità La Memoria di Massa Velocità (in ns) Memorie di Massa Processore Memorie di massa esterne Bus di Interconnessione Controller dispositivi I/O e comunicazione Video Memoria Centrale Stampante Cabinet Dispositivi di comunicazione 60 10

11 La Memoria di Massa I dispositivi di Input/Output Contengono in maniera permanente: dati programmi Memoria secondaria (Secondary Storage) Dischi magnetici: interni/esterni rigidi (hard disk) floppy disk (removibili) 61 Memorie di Massa Processore Memorie di massa esterne Bus di Interconnessione Controller dispositivi I/O e comunicazione Video Memoria Centrale Stampante Cabinet Dispositivi di comunicazione 62 I dispositivi di Input/Output Altri elementi... Permettono la comunicazione con utenti: per inserire di dati/programmi per fornire risultati (in generale) per il controllo La postazione di lavoro: monitor, tastiera, mouse Stampanti 63 Memorie di Massa Processore Memorie di massa esterne Bus di Interconnessione Controller dispositivi I/O e comunicazione Video Memoria Centrale Stampante Cabinet Dispositivi di comunicazione 64 Altri elementi... La creazione di un programma Bus di comunicazione permette la comunicazione tra i componenti facilita la connessione (standard) Dispositivi di comunicazione: verso rete geografica (modem) verso rete locale (scheda di rete) Un processo composto di fasi diverse Necessario: Identificare il problema Conoscere la soluzione Implementare ed eseguire la soluzione Ciclo di vita del software debugging maintenance

12 Il processo: una vista informale Il processo in dettaglio Problema Analisi Stesura di una descrizione Descrizione Descrizione Interpretazione interpretata Esecuzione Problema Analisi informale Formalizzazione formale Programmazione Algoritmo Programma in linguaggio ad alto livello Programma in Compilazione Linguaggio Macchina Esecuzione Gli Algoritmi Il processo in dettaglio Algoritmo: Sequenza finita di istruzioni che, se eseguite, svolgono un particolare compito. Caratteristiche di un algoritmo: non ambiguità effettivo (esecuzioni eseguibili) finito (terminazione) Studio della complessità di un algoritmo Problema Analisi informale Formalizzazione formale Programmazione Codifica Programma in linguaggio ad alto livello Programma in Compilazione Linguaggio Macchina Esecuzione Codifica di un algoritmo Il processo in dettaglio Trasformazione della sequenza di passi (astratti) in un linguaggio di programmazione ad alto livello Linguaggi ad alto livello: indipendenti dalla piattaforma (quasi ) Esempi: Fortran, Pascal, Basic, Cobol, C, C++, Java etc. Problema Analisi informale Formalizzazione formale Programmazione Programma in linguaggio ad alto livello Programma in Compilazione Linguaggio Macchina Esecuzione

13 La compilazione Una gerarchia di Macchine logiche Traduce il linguaggio ad alto livello in linguaggio macchina (compreso dal processore) Effettuata dal compilatore e dal linker file sorgente compilatore file oggetto librerie linker file eseguibile Utilizzatori: Software Applicativo Linguaggi ad Alto livello Software di Base Sistema Operativo, Utilità, Software Comunicazione Hardware/Firmware Componenti Elettronici, Collegamenti fisici Una review... Calcolatori Programmabili Programmazione e debugging Rappresentazione binaria Input - Elaborazione - Output Memorizzazione comune di dati e programmi Linguaggi di programmazione e sistemi operativi 75 13