Fondamenti Teorici e Programmazione Modulo A. Architettura dei calcolatori Ioanna Miliou, Ph.D.

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1 Fondamenti Teorici e Programmazione Modulo A Architettura dei calcolatori Ioanna Miliou, Ph.D.

2 Architettura dei calcolatori In un computer possiamo dis8nguere qua;ro unità funzionali: il processore (CPU) la memoria principale (memoria centrale o RAM) la memoria secondaria (memoria di massa o memoria periferica) i dispositivi di input/output Architettura di von Neumann

3 Processore Il processore (detto anche CPU, ovvero, Central Processing Unit) è il cervello del calcolatore che ha uno dei ruoli più importanti. Coordina le attività di tutte le componenti del calcolatore, interpretando ed eseguendo le istruzioni del programma corrente per: il trasferimento dei dati la comunicazione con le periferiche il calcolo vero e proprio

4 Processore Il processore fornisce la capacità di elaborazione delle informazioni contenute nella memoria principale. L elaborazione avviene in accordo a sequenze di istruzioni (istruzioni macchina) Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni viene chiamato linguaggio macchina Programma: specifica univoca di una serie di operazioni che l elaboratore deve svolgere È costituito da una sequenza ordinata di istruzioni macchina Il ruolo del processore è quello di eseguire programmi in linguaggio macchina

5 Processore Ha le seguenti 3 componenti principali: unità logico-aritmetica (ALU): effettua i calcoli unità di controllo: coordinamento di tutte le operazioni registri: celle di memoria ad accesso molto veloce, per memorizzare i valori su cui effettuare il calcolo e gli indirizzi, delle locazioni di memoria in cui sono memorizzati i dati e le istruzioni del programma in esecuzione Al fine di trasformare i dati in informazioni utilizzabili, il processore eseguirà il ciclo Fetch- Decode-Execute (FDE) continuo. Eseguendo questo ciclo, il processore recupera i dati dalla memoria primaria. Quindi, i dati verranno decodificati ed eseguiti come informazioni utilizzabili.

6 Memoria principale Fornisce la capacità di memorizzare le informazioni. È una sequenza di celle di memoria (dette parole), tutte della stessa dimensione Ogni cella è costituita da una sequenza di bit Il numero h di bit di una cella di memoria dipende dall elaboratore, ed è un multiplo di 8: 8, 16, 32, 64 Ogni cella di memoria è identificata in modo univoco dal suo indirizzo Il numero k di bit necessari per l indirizzo dipende dal numero di celle di memoria k bit 2 k celle

7 Memoria principale Un altro nome per la memoria principale è memoria RAM (Random Access Memory) che indica che il tempo di accesso ad una cella è lo stesso indipendentemente dalla posizione della cella Caratteristiche principali: Può essere sia letta che scritta scrittura distruttiva lettura non distruttiva Alta velocità di accesso È volatile (si perde il contenuto quando si spegne il calcolatore) Dimensione della memoria: misurata in byte (1 byte = 8 bit) Kilobyte = 2 10 ~ 10 3 byte Megabyte = 2 20 ~ 10 6 byte Gigabyte = 2 30 ~ 10 9 byte Terabyte = 2 40 ~ byte

8 Memoria secondaria La memoria secondaria, chiamata anche memoria di massa o memoria periferica, è un'unità che si aggiunge alla memoria principale per accrescerne le capacità di memorizzazione. Caratteristiche principali: Non è volatile (non si perde il contenuto quando si spegne il calcolatore) Ha capacità maggiore della memoria centrale Il tempo di accesso è lento rispetto alla memoria centrale Il accesso è sequenziale e non casuale Tipi di memoria secondaria: Dischi magnetici (hard disk, floppy disk) Dischi ottici (CD, CD-ROM, DVD, Blu-ray) Nastri magnetici (streaming tape) Flash memory (chiavi USB)

9 Memoria secondaria Tutti i dati e i programmi sono memorizzati della memoria secondaria quando il calcolatore è spento All accensione il programma di avviamento (bootstrap) viene caricato nella RAM ed eseguito Questo provoca il caricamento e l esecuzione del Kernel del sistema operativo e successivamente delle primitive di sistema e delle applicazioni di cui si richiede l esecuzione In ogni istante c è un programma in esecuzione, e questo è memorizzato nella RAM

10 Dispositivi di input/output (I/O) È l hardware che produce data e che mostra le informazioni agli utenti finali. Data che appena si producono dai dispositivi input vanno mandati alla memoria principale. I tipi di informazioni che possono essere visualizzati dai dispositivi di output sono video, testo, immagine, animazione e audio. Le informazioni visualizzate possono essere di tipo softcopy o hardcopy. Tipi di dispositivi input: Tastiera Mouse Scanner Webcam Microfono Macchina fotografica digitale Tipi di dispositivi output: Stampante Monitor Altoparlanti Cuffie

11 Il Bus (Binary Unit System) Problema: come si può collegare le varie componenti (fisicamente separate) di un calcolatore, ad esempio, processore e memoria centrale? Problema: come fa il processore a trasmettere alla RAM i bit che codificano l indirizzo di una parola, il contenuto di un registro, etc.? Problema: come fa la RAM a trasmettere al processore i bit che sono contenuti in una parola di memoria? Collegare ogni componente a tutte le altre (costoso se ho molte componenti separate) Usare un unico collegamento condiviso Bus di sistema: insieme di collegamenti (solitamente in rame) che connette tutti i componenti di un architettura

12 Esempio Digiti la parola SAYA nel tuo programma di elaborazione testi usando la tua tastiera (dispositivo di input). I dati S, A, Y e A passeranno alla RAM (memoria principale). Saranno tenuti lì temporaneamente. A questo punto, se si spegne il calcolatore, i dati scompariranno. Il processore recupera (fetch) i dati dalla RAM. Quindi decodificherà (decode) ed eseguirà (execute) i dati per essere informazioni utilizzabili. Le informazioni verranno inviate alla RAM e dopo verranno visualizzate sul monitor o stampate utilizzando la stampante (dispositivi di output) in base alle proprie esigenze. Se salvi le informazioni, saranno conservate permanentemente nel tuo hard disk (memoria secondaria). Quindi, le informazioni non scompariranno nemmeno se spegni il calcolatore.

13 Sistema Operativo Il programma è sempre estremamente complicato, per fortuna però molte operazioni sono ricorrenti: Lettura e memorizzazione del programma in memoria: trasferimento dalla memoria secondaria alla RAM gestione della memoria secondaria (file system) gestione dei dispositivi di I/O per la stampa e lettura dei dati gestione della comunicazione con altri dispositivi esecuzione dei programmi (scheduling dei processi, multitasking) Per tutte queste operazioni esistono delle funzioni la cui descrizione (programma) è definita una volta per tutte nella macchina, nelle primitive del sistema operativo che vengono invocate tutte le volte che servono I moderni sistemi operativi sono dotati di un interfaccia grafica che agevola l interazione con l utente, che prevedono l uso di finestre, barre e menu di comandi di vario tipo

14 Programma Il calcolatore deve capire quello che gli viene detto e deve saper fare ciò che gli viene chiesto Problema Interagire con la macchina mediante un linguaggio più vicino agli umani Soluzione Linguaggi di alto livello Traduttori/Compilatori/Interpreti Il programmatore si occupa di Progettare un algoritmo efficace per la risoluzione di un problema dato Tradurre questo algoritmo in istruzioni eseguibili da un computer mediante un linguaggio di programmazione

15 Linguaggio di programmazione Un linguaggio di programmazione è un linguaggio artificiale per comunicare con le macchine Linguaggi di alto livello (vicini all utente) V generazione: linguaggi di descrizione dei problemi orientati alla risoluzione automatica IV generazione: linguaggi per specifici ambiti applicativi (ad es. MATLAB) III generazione: linguaggi imperativi e procedurali di uso generale Linguaggi di basso livello (vicini all hardware) II generazione: linguaggi assemblativi (uso di codici mnemonici per le istruzioni) I generazione: linguaggi macchina (sequenze di bit)

16 Linguaggio Macchina Gli calcolatori comprendono in maniera diretta solo istruzioni in binario Il linguaggio macchina è direttamente eseguibile dal calcolatore - Senza nessuna traduzione Eseguito in maniera molto efficiente Difficile da programmare per gli umani Non portabile (impossibilità di eseguirlo su macchine con architetture diverse) Soggetto ad errori Difficile da modificare

17 Linguaggi di Programmazione di Alto Livello Usano parole English-like (Esempi: if, for, while,...), notazione matematica e punteggiatura per scrivere programmi Sono più vicini ai linguaggi umani Il programmatore può astrarre dai dettagli legati all architettura ed esprimere i propri algoritmi in modo semplice Il programma prima di essere eseguito deve essere tradotto in linguaggio macchina Traduttore La traduzione viene effettuata da un compilatore, un interprete, o una combinazione di entrambi

18 Traduttore Un programma che converte il codice di programmi scritti in un dato linguaggio di programmazione (sorgenti) nella corrispondente rappresentazione in linguaggio macchina (eseguibili) Tipi di Traduttore Compilatore Interprete

19 Compilatore Traduttore per linguaggi di alto livello Si occupa di tradurre un programma scritto in un linguaggio di alto livello nel corrispondente programma scritto in linguaggio macchina Crea (compila) un insieme di istruzioni in linguaggio macchina per ciascuna istruzione scritta in un linguaggio di alto livello Accetta in ingresso l intero programma (istruzioni che lo compongono) e produce in uscita la rappresentazione dell intero programma in linguaggio macchina

20 Interprete Traduttore per linguaggi di alto livello Traduce ed esegue direttamente ciascuna istruzione del programma sorgente Prende un istruzione di un programma scritto in un linguaggio di alto livello e la traduce nelle relative istruzioni in linguaggio macchina Esegue immediatamente le risultanti istruzioni in linguaggio macchina

21 Compilatore vs. Interprete Compilazione Pro: applicazioni più veloci Contro: maggior lavoro nel processo di messa a punto e manutenzione Interpretazione Pro: consente tempi di sviluppo più contenuti Contro: produce programmi meno efficienti

22 Javascript Javascript è uno dei linguaggi di programmazione ad alto livello È un linguaggio di scripting orientato agli oggetti e agli eventi Comunemente utilizzato nella programmazione Web lato client per la creazione, in siti web e applicazioni web, di effetti dinamici interattivi tramite funzioni di script invocate da eventi innescati a loro volta in vari modi dall'utente sulla pagina web in uso È un linguaggio interpretato: il codice non viene compilato, ma interpretato (in JavaScript lato client, l'interprete è incluso nel browser che si sta utilizzando)