Introduzione alla programmazione

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1 Introduzione alla programmazione Cosa è l'informatica? La parola deriva dalla fusione di INFORMAZIONE e di AUTOMATICA L'informatica è la scienza della gestione automatizzata dell'informazione

2 Introduzione alla programmazione L'informatica è la scienza che studia la gestione automatizzata dell'informazione Il computer è lo strumento principale con il quale vengono messi in atto le idee e i metodi dell'informatica Programmare significa utilizzare le idee dell'informatica attraverso lo strumento che abbiamo a disposizione: il computer

3 Storia La parola 'ALGORITMO' deriva dal nome del matematico Muhammad ibn Musa alkhwarizmi (persiano, ) che pubblica un libro sulla aritmetica e uno sull algebra Il termine nel medioevo indicava i procedimenti di calcolo numerico fondati sull'uso delle cifre arabe, quelle che usiamo tutti i giorni e che all'epoca vennero introdotte in europa

4 Storia La gestione dell'informazione è naturalmente iniziata nella notte dei tempi, ma la gestione 'automatica' richiede, almeno nell'uso comune del termine, la presenza di una macchina, di uno strumento, di qualcosa che renda possibile un procedimento di qualche tipo senza l'intervento dell'uomo

5 Storia Il sogno di costruire macchine capaci di effettuare calcoli automatici affonda le radici nel pensiero filosofico del 600 Nel 1642 Blaise Pascal, matematico e filosofo francese, creò la Pascalina Una macchina che precorreva le moderne calcolatrici permettendo il calcolo automatico di somme e sottrazioni

6 Storia Nel 1671 Gottfried Wilhelm Leibniz progettò la prima macchina capace di eseguire le quattro operazioni ma, a causa dei limiti tecnologici dell'epoca, non riuscì a realizzarla Leibniz fu anche il creatore del sistema binario Nel 1820 Charles Xavier Thomas de Colmar riuscì nell'intento inventando l'arithmometer che restò in produzione fino alla prima guerra mondiale

7 Storia Intanto nel 1805 Joseph Marie Jacquard aiutato da Jean Antoine Breton costruisce la prima macchina programmabile nella quale un telaio meccanico per la tessitura viene governato da un programma perforato su schede Questa idea delle schede perforate fu ripresa da Charles Babbage nel suo progetto della 'Macchina Analitica', un vero e proprio calcolatore meccanico che, seppur mai realizzato, contribuisce a dare forma all'idea di calcolatore

8 La macchina analitica

9 Storia La macchina analitica di Babbage in particolare solleva la curiosità di Augusta Ada King contessa di Lovelace che traduce una descrizione della macchina scritta dall'italiano Luigi Menabrea e aggiunge delle note che costituiscono i primi esempi di programma per computer pubblicati

10 Storia Nel 1936 Konrad Zuse inizia a costruire la Z1, una macchina calcolatrice digitale programmabile in cui si realizzano le idee nate in precedenza (l aritmetica binaria di Leibniz, il controllo eseguito da programma di Babbage, il formato delle istruzioni con indirizzi numerici di Ludgate e la rappresentazione dei numeri in virgola mobile di Torres y Quevedo) Nello stesso anno Alan Mathison Turing ( ) pubblica l articolo 'On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungsproblem'; che introduce la macchina di Turing e fornisce il concetto definitivo di algoritmo

11 Storia Con la seconda guerra mondiale la necessità di sicurezza delle comunicazioni produce la tedesca 'Enigma', una macchina per la cifratura automatica La cifratura venne forzata da tre matematici polacchi: Marian Rejewski, Jerzy Różycki e Henryk Zygalski che, visti gli sviluppi della guerra, passarono tutte le informazioni agli alleati insieme ad un apparato automatico che permetteva il lavoro di decifrazione (bomba)

12 Storia Gli alleati per decifrare l'enorme mole di messaggi svilupparono l'idea polacca di un sistema automatico per la decifrazione producendo Colossus: il primo computer elettronico programmabile nella storia dell'informatica Colossus venne progettato dal matematico Max Newman, basandosi sui concetti della macchina di Turing universale Alan Turing faceva parte del gruppo di decifrazione e utilizzò Colossus

13 Storia Nel 1945 Von Neumann scrive 'First Draft of a Report on the EDVAC' in cui sono riassunte le idee emerse nelle riunioni di lavoro fra le persone che avevano contribuito alla costruzione della macchina ENIAC e in cui viene descritta l'architettura (detta poi di Von Neumann): programma e dati sono memorizzati in modo uniforme e quindi le istruzioni possono essere modificate al pari dei dati

14 Storia A questo punto 'si sapeva come fare' Altre tappe fondamentali sono: L'invenzione del transistor (1947) L'invenzione del circuito integrato (1969) Da quel momento in poi si è assistito ad un'escalation che dura fino ai giorni nostri e non accenna a terminare

15 Introduzione alla programmazione Architettura del calcolatore

16 Architettura di Von Neumann L'architettura dei moderni calcolatori è basata su quella che Von Neumann pubblicò nel 1945 all'interno 'First Draft of a Report on the EDVAC' Rappresenta lo schema base che descrive: I componenti e i loro principi di funzionamento Le interazioni tra le componenti e come queste rendono possibile le operazioni di calcolo

17 Architettura di Von Neumann

18 Architettura di Von Neumann L'architettura identifica quattro tipi di componenti La CPU che esegue le istruzioni di calcolo e controlla l'andamento delle operazioni La MEMORIA che contiene e dati e le istruzioni necessarie al calcolo Le Unità Periferiche (memorie di massa come i dischi, unità di input quali tastiere e mouse, unità di output quali stampanti e monitor) Il BUS sul quale viaggiano i dati e istruzioni in trasferimento tra le varie componenti

19 Architettura di Von Neumann Il BUS di sistema È il canale di comunicazione tra le componenti interne del calcolatore (CPU, memoria, periferiche) In ogni momento una sola componente trasmette e una sola riceve La CPU decide quale è la comunicazione da attivare e ordina il trasferimento dei dati

20 Architettura di Von Neumann I dati che il bus trasporta si possono dividere in DATI esempio: due numeri da sommare INDIRIZZI DI MEMORIA esempio: dove sono i numeri COMANDI esempio: copia il risultato

21 Architettura di Von Neumann Per ottimizzare il flusso delle comunicazioni sono definite delle linee separate per le diverse tipologie di traffico BUS dati Trasferisce (in ambedue le direzioni) dati tra: - memoria di sistema - periferiche CPU registro dati della CPU

22 Architettura di Von Neumann BUS Indirizzi Trasferisce il contenuto del registro indirizzi della CPU alla memoria o a una periferica È unidirezionale, in pratica la CPU informa quale cella di memoria sarà oggetto della prossima operazione È quindi unidirezionale BUS Comandi Invia comandi dalla CPU alla memoria o a una periferica

23 Architettura di Von Neumann La CPU è il cuore del sistema e comprende - Unità di controllo - Unità Logico-Aritmetica (ALU) - Registri Una moderna CPU può arrivare ad avere 5 miliardi di transistor e fino a 18 sotto - CPU (core) su un singolo circuito integrato

24 Architettura di Von Neumann

25 Architettura di Von Neumann Funzioni delle componenti della CPU Unità di controllo: decide quali istruzioni eseguire e ne orchestra l'esecuzione comandando lo spostamento dei dati e l'istante di esecuzione Unita aritmetico logica (ALU): esegue le operazioni aritmetiche (+, -, *, /,, ), di confronto (>,, =, ) e logiche (and, or, ) Registri: sono memorie ad alta velocità usate per immagazinamento temporaneo dei dati/risultati e istruzioni Ci sono registri generici e altri dedicati a informazioni di particolare importanza per le operazioni La dimensione in bit di un registro è fissa

26 Registri Registri dedicati PC (program counter): contiene l'indirizzo della prossima istruzione da eseguire IR (instruction register): contiene l'istruzione in esecuzione PSW (program status word): contiene un valore codificato che indica l'esito dell'ultima istruzione (esempio: successo, errore n 11,)

27 Registri Registri dedicati (continua) MAR (memory address register): contiene l'indirizzo (un numero) della cella di memoria da cui leggere o scrivere MDR (memory data register): dato che è stato letto o scritto

28 Registri Ci sono poi i registri generali per memorizzare gli operandi delle operazioni di cui la ALU si occupa e il relativo risultato (ad esempio gli addendi di una somma e il risultato) Una moderna CPU ha in genere un numero di registri intorno a 16, con punte di CPU con 32 registri

29 ALU L'Unità Aritmetico-Logica (ALU) è formata da un insieme di blocchi operazionali, ognuno dedicato ad un particolare tipo di operazione L'operazione da eseguire è selezionata dall'unità di controllo La ALU legge gli operandi e scrive il risultato dai registri Riporta l'esito nel registro PSW

30 Ciclo Fetch-Decode-Execute Le fasi del ciclo di esecuzione della CPU

31 Ciclo Fetch-Decode-Execute FETCH Si accede all'istruzione residente in memoria centrale e indirizzata dal registro PC (program counter) L'istruzione viene copiata nel registro IR (instruction register) (Il tutto utilizzando il registro MDR)

32 Ciclo Fetch-Decode-Execute DECODE Si decodifica l'istruzione cioè si verifica che sia un'operazione ammessa e la si identifica Si trasferiscono i dati nei registri opportuni

33 Ciclo Fetch-Decode-Execute EXECUTE Si incrementa il valore del registro PC (in assenza di modifiche da parte dell'istruzione che stiamo per eseguire la prossima istruzione è la successiva in memoria) L'Unitá di Controllo richiede le azioni opportune a ciascun componente

34 Ciclo Fetch-Decode-Execute Il ciclo appena visto è naturalmente uno schema di massima suscettibile di essere implementato in modo diverso all'interno dei vari modelli di processore

35 Linguaggio Macchina La CPU accetta istruzioni in 'Linguaggio Macchina' Si tratta di numeri binari destinati ad essere memorizzati nei registri, in particolare PC e IR Anche se ogni tipo e variante commerciale di CPU ha le sue istruzioni, si possono individuare quelle di base presenti sempre

36 Istruzioni base Istruzioni per l'elaborazione dei dati Aritmetiche (+, -, *, /,, ) Booleane (AND, OR, NOT) Di confronto (=, <,, )

37 Istruzioni base Istruzioni di controllo dell'esecuzione Normalmente le istruzioni di un programma sono eseguite in sequenza ma sulla base di un risultato intermedio può essere necessario cambiare il flusso dell'esecuzione Jump condizionato: vai ad un dato punto del programma in caso che (es: test di uscita) Jump incodizionato: vai ad un dato punto del programma (es: fine subroutine) Sono dette anche istruzioni di 'BRANCH'

38 Istruzioni base Istruzioni per il trasferimento dei dati Istruzioni per trasferire dati o altre istruzioni tra la CPU e la memoria centrale Istruzioni per comunicare con le periferiche

39 Architettura di Von Neumann La memoria centrale (RAM) Serve ad immagazzinare i dati e le sequenze di istruzioni che formano i programmi È la memoria che la CPU 'vede', e che serve da punto di passaggio per le altre (es: dischi) La memoria è formata da celle o locazioni Ogni locazione contiene un numero fisso di bit

40 Memoria Ogni locazione di memoria (un byte) ha Un indirizzo, cioè un valore numerico che la identifica univocamente Un valore, cioè la lista dei bit memorizzata Una locazione di memoria si può Leggere, recuperando il dato immagazzinato Scrivere, modificando il dato immagazzinato

41 Memoria La CPU utilizza I registri 'MAR': memory address register 'MDR': memory data register per le operazioni di lettura e scrittura Si noti che la dimensione del registro 'MAR' in bit definisce la dimensione massima della memoria Se 'MAR' ha due bit gli indirizzi di memoria possibili sono '00', '01', '10' e '11' Oggi un normale PC ha registri di 64 bit, smartphone e tablet, di norma, a 32 bit

42 Memoria Operazioni sulla RAM LOAD: (lettura)viene copiato nel registro 'MDR' il contenuto della cella di memoria indirizzata dal registro 'MAR' STORE: (scrittura) il contenuto del registro 'MDR' viene copiato nella cella di memoria indirizzata nel registro 'MAR' Le operazione vengono di norma effettuate per blocchi di byte corrispondenti alla dimensione dei registri (quindi 32bit 4byte di lettura/scrittura)

43 Esecuzione di un programma Vediamo un semplice esempio di programma e seguiamone l'esecuzione Il nostro programma ha come scopo di scrivere il valore '0' zero in memoria RAM a partire da un indirizzo di RAM dato e per un numero di volte dato Si assume che l'indirizzo iniziale sia corretto e che il numero di scritture da effettuare sia maggiore di zero

44 Esecuzione di un programma All'inizio poniamo nel registro R0 la locazione di memoria che contiene il valore dell'indirizzo da cui cominciare ad azzerare e in R1 la locazione di memoria che contiene il numero di scritture da effettuare RAM CPU R0 0x80 R1 0x84 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136

45 Esecuzione di un programma PSEUDO CODICE DEL NOSTRO PROGRAMMA R0 = 0x80 (indirizzo di partenza per l'azzeramento) R1 = 0x84 (indirizzo del numero di scritture) R0 = ram[r0] (indirizzo da dove cominciare a azzerare) R1 = ram[r1] (numero di scritture da effettuare) R2 = 0x0 (il valore 0, lo copio per azzerare) R3 = 0x4 (il valore constante 4, #byte di registro) R4 = 0x0 (numero di scritture effettuate finora) R5 = 0x1 (il valore constante 1) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a 'STORE R2 '

46 Flow-Chart R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] carica in R0/R1 il contenuto dell'indirizzo di RAM che trovi in R0/R1 stesso Aggiungi a R0 il contenuto di R3 R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 Copia nell'indirizzo di RAM indicato da R0 il contenuto di R2 Carica: R2: il valore costante 0 R3: il valore costante 4 R4: il valore 0 R5: il valore costante 1 Aggiungi a R4 il contenuto di R5 R5 = 0x1 STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a 'STORE R2 in ram[r0]' Vale R4!= R1? NO STOP SI

47 Simulazione: passi 1,2 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) REG VAL R0 0x80 R1 0x84 R2 - R3 - R4 - R5 - RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136

48 Simulazione: passi 3,4 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) REG VAL R0 0x120 R1 0x3 R2 R3 RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136 R4 R5

49 Simulazione: passi 5,6,7,8 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) REG VAL R0 0x120 R1 0x3 R2 0x0 R3 0x4 R4 0x0 R5 0x1 RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136

50 Simulazione: passo 9 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) REG VAL R0 0x120 R1 0x3 R2 0x0 R3 0x4 R4 0x0 R5 0x1 RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136 0x0

53 Simulazione: passo 12 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) REG VAL R0 0x124 R1 0x3 R2 0x0 R3 0x4 R4 0x1 R5 0x1 RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136 0x0 0x0

56 Simulazione: passo 15 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) REG VAL R0 0x128 R1 0x3 R2 0x0 R3 0x4 R4 0x2 R5 0x1 RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136 0x0 0x0 0x0

57 Simulazione: passo 16 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) REG VAL R0 0x132 R1 0x3 R2 0x0 R3 0x4 R4 0x3 R5 0x1 RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136 0x0 0x0 0x0

58 Simulazione: passo 17 R0 = 0x80 R1 = 0x84 R0 = ram[r0] R1 = ram[r1] R2 = 0x0 R3 = 0x4 R4 = 0x0 R5 = 0x1 (*) STORE R2 in ram[r0] R0 = R0 + R3 R4 = R4 + R5 SE (R4!= R1) JUMP a (*) STOP REG VAL R0 0x132 R1 0x3 R2 0x0 R3 0x4 R4 0x3 R5 0x1 RAM 0x80 0x84 0x120 0x3 0x120 0x124 0x128 0x132 0x136 0x0 0x0 0x0

59 Dove risiede il programma? In questa esecuzione abbiamo dato per scontato che il programma fosse disponibile e presente nella CPU In effetti il programma è immagazzinato anch'esso nella RAM Il registro PC (program counter) contiene l'indirizzo in RAM della prossima operazione da eseguire Il caricamento dei programmi nella RAM e la loro esecuzione è una delle principali attivita` del SO

60 Gerarchia delle memorie Nell'architettura di Von Neumann è solo accennata l'idea della gerarchia delle memorie essendo proposte solo la RAM e la memoria di massa Nella realtà esiste una organizzazione basata sull'idea di fondo che più una memoria è piccola e 'vicina' alla CPU più questa è veloce e costosa da realizzare

61 Gerarchia delle memorie I calcolatori di cui faremo uso comprendono una serie di dispositivi ulteriori Tra quelli fondamentali vi sono le memorie che di differenziano per: Dimensione e velocità Temporanee e permanenti

62 Gerarchia delle memorie

63 Memorie: registri Alla sommità del nostro schema della struttura della memoria troviamo i registri, abbiamo visto come siano le aree di memoria cui accedono direttamente le componenti della CPU per effettuare le elaborazioni Normalmente una CPU dispone di qualche decina di registri al massimo

64 Memorie: cache La cache è una memoria intermedia tra la RAM e i registri Ha velocità intermedia tra quella della RAM e quella dei registri Può essere sia costruita come parte del chip che ospita la CPU o esternamente in un chip a parte (con prestazioni inferiori)

65 Memorie: cache Quando la CPU richiede accesso ad un dato in RAM viene prima verificato che non sia già presente in cache (se si allora il dato è recuperato velocemente) altrimenti viene copiato dalla RAM alla cache e quindi passato alla CPU Normalmente il software tende ad accedere ripetutamente alle stesse locazioni di memoria, risulta quindi evidente il vantaggio di avere una cache

66 Memorie: cache In generale, nei computer moderni, ogni dispositivo di memorizzazione implementa una qualche forma di cache, ad esempio i dischi fissi Il concetto è spesso applicato in sequenza nel senso che si può creare la cache della cache, basta avere un sistema di memoria di prestazioni adeguate Ci sono quindi le cache di primo livello (le più vicine ai registri), quelle di secondo livello, ecc

67 Memorie: memoria virtuale La memoria virtuale serve ad estendere la capacità nominale di memoria RAM Spesso la RAM è insufficiente per le attività in corso Utilizzando una parte di una memoria più lenta (tipicamente un hard disk) come se fosse una RAM la velocità ne soffre ma è possibile mantenere in attività un maggior numero di programmi e questo è un vantaggio per l'utilizzatore La scelta di quale parte della memoria localizzare in RAM e quale nella memoria virtuale è affidata al sistema di paginazione, una componente software affiancata ad un elemento hardware: la memory management unit (MMU)

68 Memorie: dischi fissi I dischi fissi (hard disk) sono il principale sistema di memorizzazione permanente negli odierni computer Normalmente sono costituiti da piatti di materiale magnetico in veloce rotazione che una testina simile a quella di un giradischi e` in grado di leggere e scrivere Negli ultimi anni si sono affermati sul mercato sistemi a stato solido (SSD), quindi senza parti in movimento e che garantiscono velocità superiori

69 Memorie: dischi fissi I dischi fissi per motivi meccanici sono indirizzati attraverso: C: traccia / cilindro S: settore (uno spicchio) CS: settore di una traccia H: i dischi sono molti, ognuno letto da una particolare testina (head) L'indirizzamento prende l'acronimo CHS (Cilinder, Head, Sector)

70 Memorie: dischi fissi Un disco fisso è pensato per memorizzare file, le strutture di base di memorizzazione di un computer Si tratta di lunghe serie di byte che normalmente vengono lette sequenzialmente, cioè dall'inizio alla fine come se fossero su un nastro (ad esempio un testo scritto) Nondimeno un disco fisso è in grado di leggere e scrivere in ogni locazione di memoria sulla base dell'indirizzo fornito (traccia, settore, cilindro) per accesso diretto ad un indirizzo (CHS)

71 Memorie: unità di rete Nei computer odierni esiste la possibilità di accedere ad archivi e file attraverso la rete trascendendo in questo modo le limitazioni di una singola macchina in termini di dimensione dello spazio di archiviazione disponibile e pagando un prezzo in termini di velocità di trasferimento dei dati

72 Introduzione alla programmazione Cosa abbiamo visto finora?

73 Introduzione alla programmazione Cosa funziona là fuori?