Depositi bancari ALGORITMI E MACCHINA DI VON NEUMANN COMPUTER = CALCOLATORE NON CERVELLO ELETTRONICO. CERVELLO: Capacità decisionali

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1 COMPUTER = CALCOLATORE NON ALGORITMI E MACCHINA DI ON NEUMANN il concetto di Algoritmo CERELLO ELETTRONICO CERELLO: Capacità decisionali CALCOLATORE: Incapacità di effettuare scelte autonome di fronte a situazioni impreviste la macchina di on Neumann ESEMPIO 1: COMPUTER Il calcolatore è un dispositivo capace di: immagazzinare una grossa quantità di informazioni elaborazione di tipo ripetitivo assegni bancari (Lettore di assegni) INPUT Informazioni sui conti correnti memorizzati nel computer eseguire su di esse, in modo automatico, una sequenza di operazioni prestabilite Elaborazione dei dati contenuti negli assegni I problemi che si prestano particolarmente ad essere risolti o gestiti con un calcolatore sono OUTPUT problemi di natura ripetitiva estratto conto problemi che necessitano di un controllo continuo nella loro evoluzione Depositi bancari 1

2 ESEMPIO 2: controllo di un processo in continua evoluzione Autopilota di un aereo velocità, distanze, etc. misurate con strumenti di bordo I N P U T Informazioni sui piani di volo Confronto tra piano di volo attuale e previsto O UT P UT Modifica rotta: flap, accelerazione, etc. Il calcolatore è inoltre un valido strumento di aiuto nella documentazione automatica scrittura di testi gestione delle imprese (programmazione delle vendite e della produzione, gestione dei flussi finanziari, analisi di dati economici, ) ausilio alla didattica RISOLUZIONE DI UN PROBLEMA MEDIANTE CALCOLATORE ANALISI precisa formulazione del problema Un algoritmo viene descritto mediante un LINGUAGGIO sviluppo di un ALGORITMO procedimento non ambiguo, formato da un numero finito di azioni sufficientemente semplici che risolva il problema dato PROGRAMMAZIONE descrizione dell algoritmo mediante un insieme di frasi (Programma) appartenenti ad un linguaggio comprensibile al calcolatore (Linguaggio di programmazione) Flow chart (diagramma di flusso) Tipo Pascal, tipo Matlab,.. ELABORAZIONE esecuzione del programma 2

3 Convenzioni linguistiche del Convenzioni linguistiche del FLOW CHART FLOW CHART FLOW CHART FLOW CHART inizio denota l inizio dell algoritmo istruzione denota una generica istruzione fine denota la fine dell algoritmo F condizione indica che l esecuzione dipende dal valore della condizione (vero o falso) Esempio: Sostituzione della ruota di un auto Flow chart dell algoritmo per il cambio della ruota inizio Solleva l auto istruzioni Solleva l auto Svita i bulloni Togli la ruota Metti la ruota di scorta Avvita i bulloni Abbassa l auto Svita i bulloni Togli la ruota Metti la ruota di scorta Avvita i bulloni Abbassa l auto fine 3

4 La non ambiguità di una istruzione dipende dalle CARATTERISTICHE DELL ESECUTORE L istruzione Avvita i bulloni può essere sostituita da una sequenza di istruzioni più semplici L istruzione Avvita i bulloni è sufficientemente specificata? Tale sequenza si può rappresentare con la struttura del tipo: SOLUZIONE Tutti avvitati? F ma in questa forma il ciclo è senza fine! Struttura di TIPO ITERATIO 4

5 Algoritmo per il cambio della ruota inizio Ruota di scorta bucata? F Solleva l auto svita un bullone F Tutti svitati? Chiama il Togli la ruota meccanico Metti la ruota di scorta Tutti avvitati? F Abbassa l auto La definizione di algoritmo Un algoritmo è un procedimento per la risoluzione di una classe di problemi, costituito da un insieme finito di direttive non ambigue che specificano una sequenza finita di operazioni da eseguire su un insieme finito di dati DATI DEL PROBLEMA ALGORITMO RISULTATO L etimologia del termine Il termine deriva da Al Khuwarizmi, nome del matematico persiano del IX sec. che descrisse gli algoritmi per le operazioni aritmetiche sui numeri decimali fine PROBLEMA: somma di 5 numeri dati del problema: 5, 7, 10,-2,-1 istruzioni poni il totale a 0 somma il primo numero al totale somma il secondo numero al totale somma il terzo numero al totale somma il quarto numero al totale somma il quinto numero al totale NUMERO TOTALE Algoritmo per la somma di un insieme di numeri INIZIO Azzera il totale ci sono altri numeri leggi un numero somma il numero al totale F stampa il totale FINE 5

6 Il concetto di Un esecutore di algoritmi deve essere quindi in grado di: NON AMBIGUITA NON AMBIGUITA impone che siano note a priori le capacità logiche ed operative dell esecutore dell algoritmo INOLTRE immagazzinare dati (di input intermedi e di output) ed istruzioni effettuare operazioni aritmetiche e logiche su tali dati controllare il flusso delle operazioni un algoritmo definisce non solo il flusso delle operazioni da compiere, ma anche i dati su cui tali operazioni vanno eseguite Schema uomo Dati e istruzioni Componenti fondamentali di un calcolatore: Componenti fondamentali di un calcolatore: Schema macchina di on Neumann unità di input MEMORIA unità di output controllo Memoria unità di controllo unità logico-aritmetica unità di input e output CPU unità di controllo unità logicoaritmetica 6

7 MEMORIA è il supporto fisico che permette di immagazzinare informazioni (dati e istruzioni) Ogni locazione è costituita da una sequenza finita di componenti elementari (binary digit, espressione abbreviata con il termine BIT) in ciascuno dei quali può essere rappresentata una cifra binaria (0 oppure 1) La memoria è organizzata come una lista sequenziale di 1 Esempio: locazione di 8 bit LOCAZIONI (O CELLE) LOCAZIONI (O CELLE) BIT LOCAZIONE Le locazioni sono univocamente individuate in memoria da INDIRIZZI Schema della memoria LOCAZIONE = minima quantità di bit indirizzabile In anni recenti molti costruttori di calcolatori hanno standardizzato locazioni a 8 bit (1 byte = 8 bit) 7

8 Le locazioni possono essere raggruppate in parole (word), o voci Parola = minimo numero di bit necessari per memorizzare una informazione (dato o una istruzione) Operazioni sulla memoria Operazioni sulla memoria lettura (prelevare il contenuto di una o più locazioni di memoria) Esempi: 1) 0..1 locazione parola scrittura (definire il contenuto di una o più locazioni di memoria) 2) locazione parola N: capacità N: capacità (numero di bit) Parametri della memoria Parametri della memoria generalmente misurata in potenze del byte: Kbyte = 2 10 byte = 1024 byte ~ 10 3 byte Mbyte = 2 10 Kbyte = 1024 Kbyte ~ 10 6 byte Gbyte = 2 10 Mbyte = 1024 Mbyte ~ 10 9 byte Tbyte = 2 10 Gbyte = 1024 Gbyte ~ byte Pbyte = 2 10 Tbyte = 1024 Tbyte ~ byte W: ampiezza della voce (generalmente misurata in bit) 16 bit, 32 bit, 64 bit C: tempo di accesso C: tempo di accesso (tempo per prelevare un informazione) è di solito misurato in nanosecondi: 1 ns = 10-9 sec. Il costo della memoria è proporzionale a: WN C UNITÀ DI CONTROLLO (CU) è il coordinatore di tutte le attività del calcolatore preleva dalla memoria un istruzione la interpreta provvede all esecuzione determina la successiva istruzione da eseguire Ciclo fetch-decode-execute 8

9 UNITÀ DI CONTROLLO può essere vista come: unità funzionale che istruisce e guida le altre componenti del sistema nell esecuzione delle loro attività dispositivo di temporizzazione e sequenzializzazione di tutte le attività del sistema è il punto da cui in sequenza partono le direttive per tutto il sistema Unità logico-aritmetica è l esecutore delle operazioni sui dati, sia aritmetiche, sia di confronto gli operandi sono memorizzati nei registri dalla memoria registro alla memoria registro registro +*/- Unità logico-aritmetica Unità di controllo + Unità logico-aritmetica = CPU (Central Processing Unit) Caratteristica della CPU: velocità operativa (tempo di esecuzione di una istruzione) per sincronizzare le attività di un sistema si utilizza un circuito elementare (clock) che emette degli impulsi a precisi intervalli di tempo l intervallo tra i limiti di 2 impulsi consecutivi è chiamato TEMPO DI CICLO DI CLOCK ciclo di clock = 1 ns frequenza 1 GHz (1 GHz= 1000 MHz= 10 9 Hz) La tecnologia attuale consente di produrre processori fino a 4 Ghz (0,25 ns) valori tipici sono 1,3 GHz, 1,5 GHz, 1,8 GHz, 2,8 GHz, 3,0 GHz, 3,2 GHz, 3,8 GHz 9

10 Evoluzione: processori multicore misure della velocità operativa misure della velocità operativa MIPS Milioni di Istruzioni Per Secondo MFLOPS Milioni di operazioni FLOating-Point al Secondo in generale un istruzione viene eseguita in un ciclo di clock ad esempio un processore a 1,2 GHz ha una velocità operativa di 1200 MIPS Unità di Input/Output interfaccia del calcolatore con il mondo esterno non Testo presente I N P U T OUTPUT consente l interazione con l uomo (video, tastiera, stampante, mouse,.) Informazioni sui libri della biblioteca e sui loro argomenti consente l accesso alle reti telematiche (Ethernet,Internet,.) Automazione di biblioteche 10

11 Documento in Microsoft Word Foglio Microsoft Excel Unità di controllo è il coordinatore di tutte le attività del calcolatore preleva dalla memoria un istruzione la interpreta invia all unitàprepostaunasequenzadi comandinecessari per l esecuzione dell istruzione trasferisce i dati dalla memoria a speciali aree di memoria presenti nell unità logico-aritmetica (registri) determina la successiva istruzione da eseguire 11