Introduzione al funzionamento di un calcolatore elettronico

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1 1 / 21 Introduzione al funzionamento di un calcolatore elettronico Natascia Piroso 23 settembre 2009

2 2 / 21 Sommario Che cos è un calcolatore? 1 Che cos è un calcolatore? Definizioni preliminari Il calcolatore come macchina programmabile 2 3 Il linguaggio macchina Il flusso delle informazioni Scrivere un proprio programma 4

3 3 / 21 Che cos è un calcolatore? Definizioni preliminari Il calcolatore come macchina programmabile Calcolatore digitale Macchina che può risolvere problemi eseguendo le istruzioni fornitegli. Programma Sequenza di istruzioni che spiega come eseguire un certo compito. Istruzioni primitive Insieme limitato di istruzioni semplici e comprensibili da un calcolatore. Linguaggio macchina Linguaggio compreso da un calcolare e costituito dall insieme delle istruzioni primitive.

4 4 / 21 Che cos è un calcolatore? Definizioni preliminari Il calcolatore come macchina programmabile Programma Conversione del programma in istruzioni primitive Esecuzione del programma Le istruzioni che usiamo per definire il nostro programma devono essere trasformate in un istruzioni riconosciute dai circuiti elettronici del calcolatore. Conversione in linguaggio macchina traduzione L intero programma è trasformato in un nuovo programma costituito solo da istruzioni primitive. Il calcolatore esegue il nuovo programma. interpretazione Ogni singola istruzione del programma viene decodificata ed eseguita direttamente dal calcolatore.

5 5 / 21 Che cos è un calcolatore? Definizioni preliminari Il calcolatore come macchina programmabile Calcolatore digitale Macchina elettronica che accetta in ingresso informazioni codificate in forma digitale, le elabora in modo automatico e produce informazioni in uscita in formato digitale. La lista delle istruzioni che guida tale processo è il programma. Input Dati in ingresso. Argomento dell elaborazione. Output Dati in uscita. Risultato dell elaborazione.

6 Calcolatore come sistema informatico Un calcolatore è un oggetto complesso costituito da molte parti che interagiscono tra loro. Componenti fisiche di un calcolatore. Presenti in ogni computer, ma in diverso numero e con differenti caratteristiche. Insieme dei programmi eseguiti dal sistema. 6 / 21

7 7 / 21 Elementi funzionali di un calcolatore: CPU (Central Processing Unit) o processore. Svolge le elaborazioni - interpretazione ed esecuzione delle istruzioni - e coordina il trasferimento di dati all interno del sistema informatico. RAM (Random Access Memory) o memoria centrale. Memorizza dati e programmi necessari alle elaborazioni; è ridotta volatile (i dati si perdono allo spegnimento) ad accesso rapido. Memoria di massa o secondaria. Per la memorizzazione di grandi quantità di dati; è persistente (i dati sono mantenuti anche quando il computer viene spento) meno veloce della RAM.

8 File Bus di sistema. Collega gli elementi funzionali del sistema per lo scambio dei dati. Unità periferiche. Elementi finalizzati alla comunicazione con l ambiente esterno; es.: con utente umano terminale (tastiera, mouse, video con altoparlante), stampante, eventualmente microfono e telecamera con utente non umano (robot, impianto industriale, aereo) sensori e attuatori. Contenitori per i dati destinati alla memoria di massa. Caratterizzati da un nome e dalla tipologia di dati contenuti: testo, programmi eseguibili, immagini, etc.. 8 / 21

9 9 / 21 Personal Computer Caratterizzato dagli elementi funzionali descritti. Dedicato ad un unico utente. Memoria di massa costituita da: hard disc - disco fisso inamovibile di elevata capacità unità ausiliarie - di capacità ridotta ed estraibili, per memorizzare dati e scambiarli tra diversi utenti: chiavi USB, CD-ROM (Read Only Memory), DVD.

10 Macchina di von Neumann Modello di organizzazione dell architettura di un elaboratore elettronico dovuta al ricercatore americano John von Neumann. Risale alla Seconda Guerra Mondiale e la maggior parte dei calcolatori odierni seguono questo schema. BUS DI SISTEMA CPU RAM PERIFERICA p 1 PERIFERICA p 2 PERIFERICA p 3 10 / 21

11 11 / 21 BUS DI SISTEMA CPU MEMORIA CENTRALE PERIFERICA p 1 PERIFERICA p 2 PERIFERICA p 3 La CPU contiene i dispositivi elettronici con i quali coordina le varie attività: estrae istruzioni dalla memoria, le decodifica comprendendone il significato e le esegue. Le istruzioni possono comportare operazioni di elaborazione dell informazione (es: operazioni numeriche) oppure di trasferimento dell informazione (es: da una periferica alla memoria centrale).

12 12 / 21 BUS DI SISTEMA CPU MEMORIA CENTRALE PERIFERICA p 1 PERIFERICA p 2 PERIFERICA p 3 La RAM contiene le istruzioni e i dati necessari all esecuzione di un programma.

13 13 / 21 BUS DI SISTEMA CPU MEMORIA CENTRALE PERIFERICA p 1 PERIFERICA p 2 PERIFERICA p 3 Le interfacce di collegamento alle periferiche costituiscono il sistema di ingresso/uscita (I/O): comunicazione con l ambiente esterno con scambio di informazioni. Nel modello di von Neumann la memoria di massa è assimilata ad una periferica.

14 14 / 21 BUS DI SISTEMA CPU MEMORIA CENTRALE PERIFERICA p 1 PERIFERICA p 2 PERIFERICA p 3 Il bus opera il collegamento logico fra gli elementi funzionali del sistema.

15 Classificazione tradizionale: di base o di sistema Programmi dedicati alla gestione del calcolatore e alla prestazione di funzionalità di base. Opera direttamente sull hardware. applicazioni standard: videoscrittura, videocalcolo, traduttori (compilatori e interpreti),... sistema operativo. applicativo Programmi rispondenti alla realizzazione di esigenze specifiche dell utente. Opera sul software di base. programmi di intrattenimento programmi realizzati dall utente. 15 / 21

16 16 / 21 Sistema Operativo Principale programma del software di base. Compiti caratteristici: acquisizione, interpretazione ed esecuzione di comandi elementari: Mandare in esecuzione un programma Stampare o mostrare in video il contenuto di un file Coordinare l utilizzo delle risorse della macchina quali CPU, RAM, memoria di massa, unità periferiche: Gestione dello spazio della memoria di massa per la lettura, scrittura, copia o cancellazione di file Gestione dell accesso alla rete cui il computer è eventualmente collegato: Comunicazione con altri calcolatori.

17 17 / 21 Che cos è un calcolatore? Il linguaggio macchina Il flusso delle informazioni Scrivere un proprio programma Per parlare con una macchina elettronica è necessario inviare segnali elettrici: Passaggio di corrente simbolo 1 Assenza di corrente simbolo 0. {0, 1} è l alfabeto riconosciuto dal calcolatore. Quindi il linguaggio macchina è costituito da sequenze di numeri binari che rappresentano istruzioni comprensibili per un calcolatore.

18 Il linguaggio macchina Il flusso delle informazioni Scrivere un proprio programma Istruzioni macchina Comandi dati al calcolatore in forma esplicita e da esso interpretabili direttamente. Funzioni: Guidare il flusso delle informazioni all interno del calcolatore Guidare il trasferimento di informazioni tra calcolatore e sistema di I/O Specificare le operazioni logiche ed aritmetiche da seguire. Dati Numeri e caratteri che servono alla macchina come operandi su cui lavorare. 18 / 21

19 19 / 21 Che cos è un calcolatore? Il linguaggio macchina Il flusso delle informazioni Scrivere un proprio programma Vogliamo risolvere un problema in modo automatico per mezzo di un calcolatore, es.: sommare una sequenza di numeri. 1. Definire un algoritmo di risoluzione, ovvero un procedimento generale e astratto che risolve con una sequenza finita di passi il problema dato. Descriviamo l algoritmo in modo preciso e formale usando il nostro linguaggio corrente. Problema: la macchina non capisce il nostro linguaggio, ma solo istruzioni in linguaggio macchina! Comunicare tramite numeri binari è noioso, faticoso e interminabile! Inoltre devono tenere conto di numerosi dettagli legati a caratteristiche fisiche della macchina. Traduciamo invece il nostro algoritmo usando uno specifico linguaggio di programmazione.

20 20 / 21 Che cos è un calcolatore? Il linguaggio macchina Il flusso delle informazioni Scrivere un proprio programma Linguaggio macchina... Linguaggio naturale Linguaggio di programmazione di alto livello Linguaggio formale per la descrizione degli algoritmi sotto forma di programmi per il controllo di un calcolatore. E dotato di grammatica, lessico, sintassi e semantica propri. Somiglia al linguaggio umano e permette di impartire ordini al calcolatore che possono essere tradotti tramite opportune applicazioni standard. 2. Descrizione dell algoritmo di risoluzione con un linguaggio di programmazione di alto livello 3. Traduzione del programma in linguaggio macchina 4. Esecuzione del programma

21 21 / 21 Bibliografia Che cos è un calcolatore? Giacomo Bucci. Calcolatori elettronici - Architettura e organizzazione. Stefano Ceri, Dino Mandrioli, Licia Sbattella. Informatica: programmazione. Maurizio Gabrielli, Simone Martini. Linguaggi di programmazione - Principi e paradigmi. Carl Hamacher, Zvonko Vranesic, Safwat Zaky. Introduzione all architettura dei calcolatori. John L.Hennessy, David A.Patterson. Struttura e progetto dei calcolatori - L interfaccia hardware software. Andrew S.Tanenbaum. Architettura dei calcolatori - Un approccio strutturale.