Calcolatore: Elaborare: Input: Output: John von Neumann: Device: Embedded: Sistemi programmabili:

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1 Autore: Maria Chiara Cavaliere Informatica di base Lezione 1 del 21/3/2016 Il corso di Informatica di base si baserà sulla spiegazione di tre moduli: -Architettura Hardware; -Sistema operativo; Parte teorica - Rappresentazione d informazioni attraverso i programmi Word ed Excel. Calcolatore: qualunque dispositivo elettronico in grado di elaborare informazioni. Elaborare: si intende l esecuzione di un operazione su un informazione. Il Calcolatore è stato progettato su tre elementi: -La possibilità di effettuare operazioni semplici o complesse; -La possibilità di rappresentare le operazioni; -La necessità di un interfaccia con il mondo esterno (operatore umano, un altro computer o dispositivo). Input Output Input: inserire informazioni dal mondo esterno; Output: risultato delle operazioni; John von Neumann: considerato il padre di quell architettura hardware per computer digitali programmabili a programma memorizzato, cioè condivide i dati del programma e le istruzioni del programma nello stesso spazio di memoria. Oggi è alla base di quasi tutta l evoluzione digitale.(elaborato nella metà del 900, anni quaranta del XX secolo). Device: congegno, dispositivo. Ci sono due classi di device o dispositivo: -Embedded: viene costruito dal produttore per poter svolgere un insieme di operazioni predefinite, non modificabili dall utente con nessuna programmazione aggiuntiva. L input è rappresentato solo dall informazione, è solo un dato.(es: i circuiti di una lavatrice). -Sistemi programmabili: è sempre dotato di alcune operazioni di base finalizzate a ricevere istruzioni elementari per svolgere delle sequenze di operazioni in più oltre quelle predefinite.

2 Dentro il calcolatore Unità centrale Cpu Mem Cpu (Central processing unit)= parte di circuteria che svolge un insieme limitato di operazioni base come SOMMA, SOTTRAZIONE, CONFRONTO, and e or. La Cpu è dotata di una memoria limitata, quella necessaria apersvolgere le operazioni; non è in grado di memorizzare più di queste. Ci sono due tipi di Cpu, esse si distinguono per il numero di operazioni in grado di fare: -Risc: dotata di gruppo ridotto, veloce e facile da programmare; -Cisc: più operazioni, più complessa, meno veloce. L insieme di operazioni elementari ci permette di risolvere problemi più complessi= programmazione. Mem(Memoria Principale): ci permette di mantenere la traccia di dati senza poter fare modifiche. Conserva i dati e la sequenze dei programmi in Locazioni di memoria che possono contenere solo un dato ( numero, lettera, colore, ecc..) Cpu e Mem hanno un legame stretto poiché la cpu ha bisogno della memoria per funzionare. Infatti, essa chiede alla Mem i dati per effettuare l operazione semplice già stabilita e poi il risultato lo rimanda alla Mem stessa. Programmazione Cpu (5 fasi): 1)Fetch: legge dalla Mem l operazione da svolgere o eseguire; 2)Decode: una volta ottenuta l istruzione, l operazione scompone/decodifica l informazione (dove vi è indicato dove e quali dati andare a trovare); 3)Load: chiede alla Mem i valori contenuti nella locazione di memoria; 4) Execute: esegue l operazione; 5) Write back: i risultati ritornato in memoria. Finite queste fase, finisce la prima istruzione della prima operazione richiesta e riparte con una nuova istruzione dalla prima fase (fetch).

3 Capacità e prestazione della Cpu Per capacità e prestazione della Cpu si intende la velocità di esecuzione con cui svolge le cinque fasi di un operazione. Il Clock: Il computer si basa su tensioni elettriche che vanno da una tensione bassa pari a 0 e da una tensione alta che può arrivare ad un massimo di 5. Il tempo in cui dalla bassa si passa alla alta si chiama tempo transitorio dove in esso non vi sono valori, all interno dei circuiti il Clock scandisce il tempo in tick(per ognuno di essi vi è un operazione). Il clock è tarato per considerare le tensioni durante i tempi transitori per evitare errori. Il clock è legato alla velocità/frequenza del device. #tick (numero tick al secondo) secondo La velocità della Cpu e quindi la sua capacità e prestazione è misurato in frequenze, in Hertz. Derivati e multipli dell Hertz sono: -KHz= 1000 Hz -MHz= 1000 KHz -GHz= 1000 MHz Attualmente si producono processori che vanno da 1GHz ad un massimo di 4,5GHz Legge di Moore: la velocità dei processori raddoppia ogni 18 mesi rispetto al modello precedente. Limite fisico Più veloce è il processore: più elettricità e più calore. Per questo non si producono processori che superano i 4,5GHz ma si tende ad aumentare i core nei devices. Core: si intende il nucleo elaborativo di un microprocessore. Capacità e prestazione della Mem La Mem serve ad immagazzinare, quindi per capacità della Mem si intende la sua Dimensione, cioè quanta informazione può contenere. L unità dei misura della dimensione della Mem è il Bit. (punto di vista logico) ) Esempio: (punto di vista Hardware) Filo: se tensione bassa= nera se tensione alta= bianca Un solo filo, massimo di due concetti. rappresentazione stato Due fili portatori di quattro informazioni= 2bit rappresentano un solo oggetto ma un insieme di quattro elementi. 3bit= un oggetto ma otto elementi. Numero di bit= dimensione memoria= capacità. 8bit= 1 Byte Per rappresentare un solo carattere alfanumerico(tasti tastiera computer) 1 numero intero= 4Byte 10 tasti=10byte

4 Derivati e multipli: -1KB= 2¹º Byte cioè MB= 2¹º KByte cioè circa di Byte -1GB= 2¹º MByte cioè circa 1miliardo di Byte al secondo. 4Gb possono memorizzare 4 miliardi di tasti premuti. Prestazione della memoria Si intende la velocità con cui la memoria permette alla Cpu di accedere ai dati per avere o scrivere. Unità di misura= Bandwidth MB/sec= quantità di dati che si possono avere in quantità di tempo. Cpu a 2GHz= 2miliardi di operazioni al secondo corrispondono a 8GB forniti in un secondo. Un sistema adatto è ben bilanciato, è inutile avere un Cpu veloce se la memoria è lenta,così come è inutile avere una memoria veloce ed un Cpu lento.

5 INPUT CPU Mem Output All unità centrale vengono collegate una serie di dispositivi di Input e di Output : Dispositivi periferici con funzione interfacciale, i dispositivi input servono a immettere dati nell0unità centrale, i dispositivi output servono a rappresentare i risultati. Alcuni esempi di dispositivi input, output o entrambi: Input Output Input ed Output Tastiera Monitor Monitor touchscreen Mouse Stampante Hard-disk Scanner Casse audio PenDrive webcam Dvd Joypad Microfono Periferiche input ed output esterne si inseriscono: CPU INPUT MOUSE Bus Mem Output TASTIERA MONITOR Bus: mezzo che permette di espandere la memoria centrale. Più è veloce, più è veloce la trasmissione dei dati. Il numero massimo di Bus è di 5. -Entrata USB (Universal Serial Bus). - Ci sono tre versioni di USB che si differenziano per la loro velocità, oggi si utilizzano l USB2 e l USB3. -Bus Pc Express: viene utilizzata per collegare l unità centrale alla scheda video del monitor.

6 La Cpu, la cache, la RAM: rapporti tra memorie CPU Level 2 Cache Level 1 Level 3 RAM Memoria di massa Il rapporto tra le varie memorie di un device è di tipo gerarchico, seguendo una scala che va dall alto al basso: troviamo nella parte alta gli elementi più veloci e scendendo gli elementi meno veloci. La Cpu è legata ai Cache, i Cache sono legati alla RAM sotto cui è posta la memoria di massa. Definiamo: Cache= velocità di accesso rapida poiché è piccola e contiene un sottoinsieme della RAM. RAM( Random Access Memory): è usata come Memoria Primaria è di tipo volatile è permette accesso diretto a qualunque indirizzo di memoria con lo stesso tempo di accesso. Memoria volatile: Questo tipo di memorie sono anche note come memorie temporanee, infatti esse hanno bisogno di un alimentazione elettrica per funzionare, una volta cessata l attività elettrica la loro memoria si perde. Memoria di massa: si riconoscono come memorie di massa gli hard disk ed altri dispositivi, è detta di massa perché raccoglie tipicamente grandi quantità di dati in maniera non volatile, cioè permanente almeno fino alla volontà dell utente. Il Software Insieme di istruzioni elementari che permettono di scomporre un problema complesso in operazioni elementari. Il 90% dei Software rispetta due proprietà: 1)Località spaziale: se un istruzione viene eseguita sul dato, l istruzione successiva opererà sul dato contiguo; 2) località temporale: in una cache un dato non letto da tempo va eliminato. Cpu Cache= nessun risultato RAM in esse oltre ciò che servirà, verranno presi anche i dati vicini= cache line

7 Lezione 1 del 21/03/2016 Studente: Antonio Aventaggiato Per calcolatore, si intende qualunque dispositivo in grado di elaborare (cioè, trasformare) informazioni. Per la costruzione di un calcolatore è quindi necessario qualcosa che, seguendo determinate operazioni, effettui alcune operazioni, rappresenti le informazioni sulle quali operare e sappia interfacciarsi con il mondo esterno. Il dispositivo è qualcosa in grado di effettuare operazioni; c è la necessità che si interfacci con qualcosa che dia un input, in maniera tale che il dispositivo stesso possa restituire un output. Il dispositivo deve cioè sapersi interfacciare con il mondo esterno (attraverso lo scambio di input-output). Un elaboratore che effettua le precedenti operazioni è costituito sul modello architetturale elaborato da Von Neumann, che resta ancora vigente. Il dispositivo, o device, si definisce come embedded se costruito per svolgere un insieme predefinito di operazioni, e non può essere modificato o programmato; in questo caso l input si definisce solo come un dato che giunge dall esterno. Il dispositivo, o device, invece, si definisce come programmabile se costruito per svolgere un insieme di operazioni di base e se è capace di ricevere input non soltanto come dati, ma anche come sequenza di operazioni complesse da eseguire per realizzare operazioni complesse. Dentro l unità centrale dell elaboratore è possibile trovare: una CPU (Central Processing Unit), in grado di effettuare operazioni elementari o di base (somma, sottrazione, confronto, AND, OR) che, però, possono risolvere problemi complessi se questi stessi problemi complessi vengono suddivisi, attraverso la fase della programmazione, in operazioni elementari; una MEM (memoria principale), composta da locazioni di memoria (che possono contenere un solo dato, in cui risiede anche il programma stesso, cioè la sequenza di operazioni di base da effettuare), zona di memorizzazione necessaria a tenere traccia dei dati e delle informazioni, ma non in grado di effettuare alcuna operazione di trasformazione su quei dati. Come agisce il legame tra CPU e MEM? La CPU richiede alla MEM i dati necessari per effettuare l operazione; la CPU, dopo aver effettuato le operazioni, manda alla MEM il prodotto delle operazioni stesse. Le operazioni della CPU sono quelle di: FETCH, per leggere dalla memoria l operazione elementare da svolgere; DECODE, per decodificare i dati ottenuti, per capire di quale operazione si tratta, per capire dove si trovano gli operandi; LOAD, per leggere gli operandi, per caricare i dati dalla MEM alla CPU; EXCUTE, per eseguire le operazioni necessarie; WRITE BACK, per trascrivere il risultato delle operazioni nella memoria. Finito questo ciclo, si ricomincia fino alla fine del programma. Per software, si intende un insieme di informazioni in grado di risolvere un problema complesso attraverso una sequenza di operazioni elementari. Per hardware, si intende invece qualcosa in grado di svolgere soltanto operazioni elementari. La capacità della CPU si misura in base a quante operazioni è in grado di eseguire e in base a quale velocità compie le operazioni stesse. La CPU, o processore, effettua una operazione ad ogni colpo di CLOCK. La velocità del CLOCK, cioè la quantità di TICK (singoli colpi del CLOCK) al secondo, viene misurata in Hertz (HE). Quanto più è alta la velocità del CLOCK, tanto più la CPU fa operazioni velocemente.

8 La capacità della MEM si misura in base a quante informazioni può contenere ed in base alla velocità di accedere ad un determinato dato. Per bandwidth, si intende la velocità con cui la CPU accede alla MEM. L informazione può rappresentare un oggetto su due: o è 0, oppure è 1. Il BIT (cifra che può essere 0 oppure 1) è l unità elementare di rappresentazione delle informazioni; fisicamente, il BIT è un filo sul quale ci può essere tensione oppure no. Il numero di BIT indica quante informazioni possono essere raccolte: 1 byte (necessario per un carattere alfanumerico) è formato da 8 BIT; 1 KB rappresenta 2 alla dieci byte; 1 MB rappresenta 2 alla dieci KB; 1 GB rappresenta 2 alla dieci MB. Alla CPU e alla MEM sono collegati altri dispositivi di input-output, chiamati anche periferiche, necessari a interfacciare la CPU e la MEM con il mondo esterno. I dispositivi di INPUT (come tastiera, scanner, mouse, microfono, webcam, lettore) immettono dati; i dispositivi di OUTPUT (come monitor, stampante, casse audio) rendono invece leggibili i dati venuti fuori dall elaboratore. Esistono anche dispositivi che svolgono sia la funzione di INPUT che di OUTPUT (come touch screen, joypad, pendrive, masterizzatore). Il BUS è il mezzo che permette di collegare l unità centrale con i dispositivi periferici; esistono il BUS USB (universal serial bus), il BUS PCIEXPRESS (scheda video), il BUS IDE, il BUS SCSI. La memoria centrale dell elaboratore è definita RAM. La CPU, cercando i dati necessari alla realizzazione delle operazioni, non legge direttamente la RAM, ma legge la CACHE, sottoinsieme della RAM, memoria più piccola e più veloce. La lettura della CACHE da parte della CPU è svolta anche in base a due proprietà del software: quella della LOCALITA SPAZIALE, in base alla quale istruzioni successive operano su locazioni di memoria contigue, ovvero CACHE LINE DI DATI; quella della LOCALITA TEMPORALE, in base alla quale un dato utilizzato ora verrà probabilmente utilizzato anche in un prossimo tempo ristretto. Attraverso questi due criteri di gestione della CACHE, i software possono operare con maggiore velocità. Le memorie, inoltre, si dividono in permanenti (se ricordano tracce di dati anche senza l apporto di energia elettrica) e in volatili (se ricordano tracce di dati solo con l apporto di energia elettrica).