Laboratorio di Informatica Ingegneria Clinica Lezione 2/11/2011. Prof. Raffaele Nicolussi

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1 Laboratorio di Informatica Ingegneria Clinica Lezione 2/11/2011 Prof. Raffaele Nicolussi FUB - Fondazione Ugo Bordoni Via del Policlinico, Roma

2 Docente Raffaele Nicolussi Lezioni Aula 16 Via del Castro Laurenziano, 7 Esercitazioni Aula 15 Via Tiburtina, Lunedì, Mercoledì 12:00 13:30 Lunedì 15:30 18:30 Ricevimento: Per appuntamento in FUB, per , per telefono Sito web:

3 Struttura del Calcolatore

4 Struttura di un calcolatore INDICE Architettura di Von Neumann Unità I/O Memoria CPU Linguaggio assemblativo Struttura della memoria Dispense di riferimento (sul sito) Architettura del calcolatore e rappresentazione dell'informazione (Daniela D'Aloisi)

5 Il calcolatore elettronico Un calcolatore elettronico è un sistema elettronico digitale programmabile Sistema: composto da parti interagenti Elettronico: le funzioni fondamentali sono realizzate mediante componenti elettronici Digitale: lavora su grandezze discrete Programmabile: le operazioni svolte dal sistema sono regolate da un programma (che può essere cambiato) 5

6 Elaborazione al calcolatore Un calcolatore elettronico: Acquisisce i dati di input Elabora i dati di input in base ad un programma Restituisce i dati di output Informazioni da elaborare (INPUT) Calcolatore + Programma Risultati (OUTPUT) 6

7 Hardware e Software Hardware: componenti fisiche del computer (processore, memoria, monitor, dischi, ecc.) Software: vari tipi di informazione presenti nel computer (programmi, dati da elaborare, dati memorizzati) 7

8 Rappresentazione dell informazione Per costruzione, il funzionamento logico di un calcolatore elettronico è regolato da grandezze binarie (possono assumere solo due stati significativi) Un bit (binary digit), i cui valori possibili sono 0 e 1 (per convenzione), può rappresentare due valori distinti di una qualsiasi grandezza Un insieme di N bit può rappresentare 2^N valori distinti di una qualsiasi grandezza La rappresentazione di un informazione mediante insiemi di bit si basa sulle seguenti tecniche: discretizzazione di un insieme di valori continui riduzione della dimensione di un insieme di valori discreti codifica di un insieme finito di valori 8

9 Bit, byte & co. In informatica ed in teoria dell'informazione, la parola bit ha due significati molto diversi, a seconda del contesto in cui rispettivamente la si usa: un bit è l'unità di misura dell'informazione (dall'inglese "binary unit"), definita come la quantità minima di informazione che serve a discernere tra due possibili alternative equiprobabili. un bit è una cifra binaria, (in inglese "binary digit") ovvero uno dei due simboli del sistema numerico binario, classicamente chiamati zero (0) e uno (1);

10 Bit, byte & co. Con 1 bit posso rappresentare solo 2 situazioni 0 spento 1 acceso 0 falso 1 vero Con 2 bit posso rappresentare 4 situazioni Con 3 bit posso rappresentare 8 situazioni 00 fermo 00 piano terra 01 lento 01 primo piano 10 veloce 10 second o piano 11 massi ma 11 tetto 000 N 001 N-E 010 E 011 S-E 100 S 101 S-O 110 O 111 N-O

11 Informazioni rappresentabili E necessario assumere che le grandezze da rappresentare formino un insieme finito di valori (il numero di bit a disposizione è finito) Discretizzazione: un insieme di valori continui (p. es., i numeri reali nell intervallo [-3, 2]) viene trasformato in un insieme di valori discreti tramite la suddivisione in intervalli (rappresentazione a precisione finita) Riduzione: un insieme di valori discreti (p. es., i numeri interi) viene ridotto ad un suo sottoinsieme finito Codifica: ad ogni elemento di un insieme finito di valori viene univocamente associata una configurazione dell insieme di bit usato 11

12 Esempi di rappresentazioni Caratteri Codice ASCII (128 caratteri distinti) Numeri Interi 1 bit di segno e 15 bit di modulo (coperto intervallo [ , 32767]) Immagini gif, jpeg, tiff, bmp Audio mp3 Video avi 12

13 Il calcolatore elettronico: sottosistemi funzionali La suddivisione funzionale è basata su un architettura detta di Von Neumann (1947) Sono individuabili i seguenti sottosistemi Memoria principale (primaria, centrale) Unità centrale di elaborazione (CPU) Dispositivi di ingresso/uscita (I/O) Canali di comunicazione (bus) 13

14 Struttura calcolatore di von Neumann

15 John von Neumann John von Neumann (Budapest, Washington, ) è stato un matematico e informatico statunitense di origine ungherese. Fu una delle personalità scientifiche preminenti del XX secolo cui si devono fondamentali contributi in campi come teoria degli insiemi, analisi funzionale, topologia, fisica quantistica, economia, informatica, teoria dei giochi, fluidodinamica e in molti altri settori della matematica.

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17 Memoria Principale 2^16 1 byte dato indirizzo Insieme di celle per memorizzazione dati (data) In ogni cella si può memorizzare una stringa binaria di dimensione fissa (p.es. 1 byte = 8 bit) Una cella è individuata da uno specifico indirizzo (address), consistente in una stringa binaria di dimensione fissa (p.es. 2 byte, 2^16 celle) Operazione di lettura (read): il dato contenuto nella cella specificata viene prelevato (indolore) Operazione di scrittura (write): il dato contenuto nella cella specificata assume valore specificato Tipicamente realizzata con memoria RAM (Random Access Memory): tempo di accesso indipendente dall indirizzo volatile: dati persi in assenza di alimentazione 17

18 Interazione CPU-Memoria Principale CPU Indirizzo Istruzione/Dato Memoria Principale Nella memoria principale si possono distinguere due tipi di informazioni: istruzioni che la CPU (Central Processing Unit) può eseguire e dati di vario tipo Le istruzioni eseguibili da una data CPU sono rappresentate in uno specifico codice binario 18

19 Struttura della CPU CPU Registri ALU CU Essenzialmente, la CPU contiene Unità di controllo CU (Control Unit): Coordina le attività interne alla CPU e le connessioni tra la CPU e le unità esterne (Memoria Principale e I/O) Unità Logico-Aritmetica ALU (Arithmetic Logic Unit): Esegue operazioni logico-aritmetiche Registri: Celle di memoria interne alla CPU usate per dati di vario tipo (p. es. operandi per la ALU) 19

20 Esecuzione Istruzioni CPU Registri ALU CU Memoria Principale Caricamento (fetch): CU preleva dalla memoria principale l istruzione da eseguire Decodifica (decode): CU genera i comandi per l esecuzione dell istruzione e, se necessario, trasferisce i dati richiesti dalla memoria principale ai registri dell unità logicoaritmetica Esecuzione (execute): ALU produce i risultati richiesti e questi vengono memorizzati nei registri interni (o nella memoria principale) 20

21 Fetch Execute Cycle

22 Linguaggi Macchina Un istruzione eseguibile da una CPU è detta istruzione macchina (machine istruction) Ogni CPU è in grado di eseguire soltanto uno specifico insieme di istruzioni macchina (instruction set), ognuna rappresentata secondo uno specifico codice binario detto linguaggio macchina (machine language) Esempi di azioni prodotte da istruzioni macchina: Esecuzione di semplici operazioni logico-aritmetiche Trasferimenti di dati tra la CPU e le unità esterne Modifica del flusso di esecuzione delle istruzioni (normalmente sequenziale) Un programma in linguaggio macchina è costituito da un insieme ordinato di istruzioni macchina che verranno eseguite nell ordine specificato 22

23 Dispositivi I/O (periferiche) Usati per lo scambio dati con l esterno Esempi di periferiche di input Tastiera, mouse, scanner, microfono, telecamera Esempi di periferiche di output Monitor, stampante, casse acustiche Memorie di massa Disco rigido (hard disk), dischetti, CD-ROM, pen-drive 23

24 Memoria secondaria (di massa) Usata per la memorizzazione non volatile di informazioni (dati e/o programmi) (periferica di ingresso/uscita) Tipicamente, molto più lenta della memoria principale 1 B = 1 byte = 8 bit 1 KB = 1 kilobyte = 2^10 B 1 MB = 1 megabyte = 2^10 KB = 2^20 B 1 GB = 1 gigabyte = 2^10 MB = 2^30 B 1 TB = 1 terabyte = 2^10 GB Floppy disk (1.44 MB, 720 KB obsoleto) Hard disk (10 2TB) CD-ROM (670 MB) DVD (5 GB) Pen-drive USB (64MB 64GB) 24

25 KByte, MByte e GByte 1 KB (KiloByte) = 1000 byte? No! 1 KB = 2 10 Byte = 1024 Byte [2 0 = 1, 2 1 = 2, 2 2 = 4, 2 3 = 8, 2 4 = 16, 2 5 = 32, 2 6 = 64, 2 7 = 128, 2 8 = 256, 2 9 = 512, 2 10 = 1024] 1 MB (MegaByte) solitamente approssimato a 1 milione di Byte precisamente =1024 KB = 1024 X 1024 Byte = = 2 10 X 2 10 byte = 2 20 Byte = Byte 1 GB (GigaByte) = circa 1 miliardo di Byte precisamente =1024 MB = 1024 X 1024 KB = 1024 X 1024 X 1024 Byte = = 2 10 X 2 10 X 2 10 Byte = 2 30 Byte = Byte

26 Interazioni tra le unità Memoria Principale CPU I/O... I/O dati indirizzi controlli Le unità sono connesse attraverso linee di comunicazione specifiche (bus) per dati (data bus), controlli (control bus) e indirizzi (address bus) Le interazioni tra le unità possono avvenire secondo varie modalità Modalità elementare: ogni trasferimento di dati è attivato e controllato esclusivamente da programma 26

27 Sistemi Operativi Un sistema operativo (operating system) è una collezione di programmi per la gestione delle risorse presenti in un calcolatore Due gli obiettivi fondamentali: gestire in modo efficiente l elaboratore e le sue periferiche creare un ambiente virtuale per facilitare l interazione uomo macchina Il sistema operativo mette a disposizione degli altri programmi una serie di funzionalità, semplificando così l uso del sistema Il codice macchina eseguito dalla CPU si presenta come una successione di porzioni del sistema operativo e porzioni degli altri programmi Per esempio, grazie al sistema operativo, la memoria secondaria appare come una collezione di file opportunamente strutturata, gestibile con semplici comandi Il sistema operativo fornisce un interfaccia verso l utente (linguaggio a comandi o interfaccia grafica per l interazione col sistema) 27

28 Struttura del bus

29 Programmazione dei calcolatori L uso del linguaggio macchina è normalmente evitato Nella programmazione reale si fa uso di linguaggi assemblativi e di linguaggi di alto livello Questi due approcci si distinguono essenzialmente per il livello di astrazione in cui i linguaggi si collocano rispetto alla macchina fisica Un tipico flusso di progetto di un programma inizia con la sua scrittura e finisce con la sua verifica In tutte le fasi del flusso di progetto, il programmatore può tipicamente contare su un ambiente/sistema di sviluppo (development environment) costituito da una opportuna collezione di programmi (e da una macchina fisica su cui eseguirli) 29

30 Algoritmi Definire un problema significa specificare i dati su cui si deve operare ed il risultato che si deve produrre Con il termine algoritmo (metodo risolutivo di un problema) si indica una sequenza ordinata di operazioni, la cui esecuzione nell ordine specificato produce la soluzione di un problema definito La soluzione desiderata deve essere allora fornita in un numero finito di passi per qualsiasi configurazione ammissibile dei dati di input L efficienza di un algoritmo è normalmente misurata dalle risorse di tempo e memoria necessarie per la sua esecuzione 30

31 Linguaggi Assemblativi (1) Un linguaggio assemblativo (assembly language), o assembler, è un linguaggio di programmazione per una specifica CPU Le sue istruzioni corrispondono direttamente ad istruzioni macchina della CPU e sono rappresentate da codici mnemonici che ne semplificano l interpretazione Esempio l istruzione istruzione aritmetica somma i contenuti dei registri 5 e 15 e memorizza il risultato nel registro 16 diventa add $s0, $a1, $t7 31

32 Linguaggi Assemblativi (2) Un assemblatore (assembler) è un programma capace di tradurre un programma in assembler (codice sorgente (source code)) in un corrispondente programma in linguaggio macchina (codice oggetto (object code)) L assemblatore, quindi, ha funzionalità simili al compilatore Per poter essere eseguito su una determinata macchina, il codice oggetto deve essere trasformato in codice eseguibile (executable code) 32

33 Esempio di assembler

34 Esempio CPU didattica : somma di due interi Assumiamo che gli interi occupino 2 byte e si trovino in memoria centrale, agli indirizzi 1000 e Il risultato deve essere memorizzato in 1004 Usiamo la CPU didattica composta da due registri (R0 ed R1) ed in grado di eseguire la somma usando R0 come accumulatore I registri, come già accennato, sono zone di memoria particolari in cui memorizzare dei dati. Sono una sorta di variabili della CPU Codice Assembler mov R0,[1000] mov R1,[1002] add R0, R1, R0 mov [1004],R0

35 Linguaggi di alto livello Un linguaggio di alto livello (high level language) permette l uso di istruzioni molto potenti (il linguaggio C, presentato nel corso, è di questo tipo) E progettato per essere facilmente utilizzabile dal programmatore, anche per la descrizione di algoritmi molto complessi A differenza di un linguaggio assemblativo, un linguaggio di alto livello è notevolmente lontano dalla macchina fisica su cui lo si vuole eseguire (programmazione ad alto livello di astrazione) (Un approccio possibile per) l esecuzione su una specifica macchina di un programma in un linguaggio di alto livello richiede la traduzione di questo in un corrispondente programma nel linguaggio macchina specifico (caso tipico per il C) 35

36 Compilatori Un compilatore (compiler) è un programma capace di tradurre un programma espresso in uno specifico linguaggio di alto livello (codice sorgente) in un programma espresso in uno specifico linguaggio macchina (codice oggetto) Tipicamente, data la potenza dei linguaggi di alto livello, una singola istruzione di un linguaggio di alto livello corrisponde ad una sequenza di molte istruzioni macchina La disponibilità di compilare uno stesso linguaggio di alto livello per diversi linguaggi macchina consente al programmatore di scrivere programmi portabili Per poter essere eseguito su una determinata macchina, il codice oggetto deve essere trasformato in codice eseguibile 36

37 Progetto: Scrittura Per la generazione di codice sorgente viene tipicamente utilizzato un programma detto editore (editor) Le funzionalità essenziali di un editor sono quelle richieste nella scrittura di un semplice testo (un ambiente di sviluppo contiene tipicamente un editor con funzionalità extra che semplificano la preparazione del testo nel linguaggio specifico) Il testo prodotto viene registrato su memoria secondaria (disco) (generazione del file sorgente (source file)) Il file sorgente è usato come input nella fase successiva Editor File Sorgente 37

38 Progetto: Compilazione Il codice contenuto nel file sorgente viene trasformato con un compilatore in codice oggetto (viene generato un file oggetto (object file)) Eventuali errori sintattici vengono evidenziati (violazioni delle regole di scrittura del codice sorgente) Il processo di compilazione prevede l interpretazione di istruzioni speciali presenti nel codice sorgente dette direttive di compilazione (in linguaggio C, questo lavoro è a carico di un programma detto preprocessore (preprocessor), invocato direttamente dal compilatore) Il file oggetto è usato come input nella fase successiva File Sorgente Compilatore/ Assemblatore File Oggetto 38

39 Progetto: Collegamento Il programma finale in linguaggio macchina si compone tipicamente di varie porzioni di codice macchina presenti in più file oggetto La generazione del codice eseguibile avviene collegando tutti i file oggetto necessari tramite un programma detto collegatore (linker) (viene generato un file eseguibile (excutable file)) File Oggetto File Oggetto. File Oggetto Linker File Eseguibile 39

40 Esecuzione del programma L esecuzione del programma richiede il caricamento nella memoria principale del codice macchina contenuto nel file eseguibile e l attivazione della CPU al prelievo della prima istruzione da eseguire Questi compiti sono svolti da un programma detto caricatore (loader) Il loader è una delle funzionalità offerte dal sistema operativo File Eseguibile Loader Memoria Principale CPU 40

41 CPU didattica Linguaggio macchina elementare Istruzioni di trasferimento, aritmetiche, salto e salto condizionato Esempio di programma Segmento di codice e dati Allocazione in memoria di programma e dati Le etichette Es. somma di due numeri con confronto finale Es. potenza di due numeri Es. versione più efficiente della potenza

42 LINGUAGGIO MACCHINA e ASSEMBLER Useremo il linguaggio macchina di una CPU MINIMA ed il corrispondente linguaggio Assembler MINIMO.

43 CPU R 0 R 1... R.. 7 Dati RAM ALU C I P IP Controllore riconosce la prossima istruzione da prelevare e attiva i segnali di controllo C I necessari Programma in linguaggio macchina

44 Controllore o unità di controllo E l unità che si occupa di controllare tutti i moduli della CPU attraverso segnali di controllo Compiti della control unit: Instruction sequencing : stabilire quale istruzione deve essere prelevata dalla memoria Instruction interpretation: attivare i segnali di controllo necessari per l esecuzione di una istruzione C I

45 ALU Contiene tutti i circuiti necessari per l esecuzione di operazioni aritmetiche e logiche E divisa in ALU fixed-point : dedicata alle operazioni su numeri interi FPU floating-point : dedicata alle operazioni su numeri con la virgola ALU ALU Fixed-point FPU floating-point

46 Floating-point unit Due possibilità La FPU è integrata nel calcolatore La FPU risiede nel coprocessore matematico

47 Coprocessore matematico Esegue istruzioni in virgola mobile E un modulo separato (fisicamente lo era nel passato) dalla CPU Nella famiglia Intel, fino all introduzione dell 80486, il coprocessore era fisicamente staccato dalla CPU e connesso al bus di sistema Per ogni CPU era disponibile un coprocessore ad-hoc: > > 80387

48 4 tipi di istruzioni macchina: In questa versione semplificata di CPU supponiamo che siano disponibili solo 4 categorie di istruzioni: 1. Trasferimento tra RAM e registri della CPU 2. Aritmetiche: somma, differenza, moltiplicazione, e divisione 3. Input/output 4. Confronto e salto e di stop Ogni istruzione, in binario, occupa almeno 32 bit (4 byte) e può aver bisogno, o meno, di ulteriori byte per specificare indirizzi o dati A volte alcuni bit possono rimanere inutilizzati

49 Istruzioni di trasferimento: registri RAM ALU R 0 R 1 R 2 LOAD STORE

50 Formato: in binario! codice-op n. registro indirizzo parola RAM 8 bit 4 bit 20 bit 1 parola Codici: LOAD STORE

51 ARITMETICHE eseguono somma, differenza, moltiplicazione e divisione usando i registri come operandi C Op R i R j ADD FADD SUB FSUB MULT FMULT DIV FDIV MOD

52 FORMATO: codice-op reg 1 reg 2 8 bit 4 bit 4 bit inutile 1 parola

53 Istruzioni di input/output: unità I/O RAM WRITE READ

54 Formato: in binario! codice-op n. unità indirizzo parola RAM 8 bit 4 bit 20 bit 1 parola Codici: READ WRITE STINP 0000 (tastiera) STOUT 0001 (video)

55 Confronto confronta il contenuto dei registri R i ed R j e: se R i < R j mette -1 nel registro RC se R i = R j mette 0 in RC se R i > R j mette 1 in RC C Cf R i R j RC Codici: COMP FCOMP

56 FORMATO: codice-op reg 1 reg 2 8 bit 4 bit 4 bit inutile 1 parola

57 Salto istruzioni che permettono di saltare ad un altra istruzione del programma a seconda del contenuto di RC cioè a seconda del risultato di un confronto BRLT BRNE BRLE BRGE BREQ BRGT BRANCH Anche salto incondizionato!

58 FORMATO: codice-op indirizzo RAM 8 bits inutile 20 bit 1 parola

59 STOP termina il programma Codice STOP :

60 FORMATO: codice-op 8 bits inutile 1 parola

61 Esempio scriviamo un programma macchina che: 1. trasferisce il contenuto di 2 parole di indirizzo 64 e 68 della RAM nei registri R 0 ed R 1 2. li somma 3. trasferisce la somma nella parola di indirizzo 60 della RAM

62 codici delle operazioni 1. trasferimento RAM CPU: trasferimento CPU RAM: somma :

63 LOAD 1024 Porta 64 in R Porta 68 in R Somma R0 e R Porta R0 in R0 R1

64 svantaggi del linguaggio macchina: I programmi in binario sono difficili da scrivere, capire e cambiare Il programmatore deve occuparsi di gestire la RAM operazione difficile ed inefficiente Soluzione Assembler

65 Novità dell Assembler codici mnemonici per le operazioni nomi mnemonici (identificatori) al posto degli indirizzi RAM per i dati (e indirizzi RAM delle istruzioni usate nei salti) avanzate: tipi dei dati INT e FLOAT

66 codice-op mnemonici: trasferimento: LOAD (RAM CPU) e STORE (CPU RAM) aritmetiche: ADD,SUB,DIV,MULT,MOD, FADD,FSUB,FDIV,FMULT input/output: READ (U-INP CPU), WRITE (CPU U-OUT) test: COMP, FCOMP salto: BREQ,BRGT,BRLT,BRGE,BRLE, BRANCH EQ = Equal GT = Greater than LT = Lesser than GE = Greater equal LE = Lesser Equal terminazione: STOP

67 Somma di due numeri in Assembler Z : INT ; X : INT 38; Y : INT 8; LOAD R0 X; LOAD R1 Y; ADD R0 R1; STORE R0 Z; dichiarazioni degli identificatori dei dati istruzioni assembler

68 esempio carica due valori dalla RAM li somma mette il risultato al posto del maggiore dei 2 numeri sommati nel caso siano uguali, non importa in quale dei due si mette la somma

69 X: INT 38; Y: INT 8; LOAD R0 X; LOAD R1 Y; LOAD R2 X; ADD R2 R1; COMPARE R0 R1; BRGE pippo; STORE R2 Y; STOP; pippo: STORE R2 X; STOP;

70 flowchart LOAD R0 X; LOAD R1 Y; LOAD R2 X; ADD R2 R1; SI R0 R1? NO STORE R2 X; STOP; test STORE R2 Y; STOP;