Calcolatori Elettronici

Transcript

1 Calcolatori Elettronici INTRODUZIONE AL CORSO Massimiliano Giacomin 1

2 Calcolatore: concetto e modelli Concetto di calcolatore: esecutore universale di programmi (algoritmi espressi in un linguaggio di programmazione) Modelli teorici Macchina di Turing Funzioni Ricorsive

3 Calcolatore: la prima realizzazione Macchina analitica - C. Babbage, realizzata nel 1991

4 Oggetto del corso: il calcolatore elettronico Tecnologie utilizzate: - segnali elettrici utilizzati per rappresentare cifre binarie altre tecnologie magnetiche e ottiche 4

5 CLASSI DI CALCOLATORI ELETTRONICI 5

6 NOTE AL LUCIDO PRECEDENTE Diverse classi di calcolatori è diversi requisiti di progetto 1. Desktop computer (progettato per singolo utente, dotato di video, tastiera, ecc.) - buona performance per il singolo utente - costo moderato - esegue tipicamente software realizzato da terze parti 2. Server (per accesso da parte di molti utenti, simultaneo e tipicamente via rete) - grande carico di lavoro (singola applicazione complessa oppure molti lavori leggeri ) - software realizzato da terzi ma tipicamente customizzato - attenzione a espandibilità (I/O e potenza di calcolo), affidabilità - il costo dipende dalla tipologia (a partire da desktop fino a supercomputer dotato di centinaia o migliaia di processori) 3. Embedded computer (all interno di un dispositivo: elettrodomestici, automobili ) - progettati per specifiche applicazioni/funzioni integrate nell hardware - performance minima per tali funzioni - spesso requisiti stringenti di costo e consumo - attenzione all affidabilità (spesso ottenuta con la semplicità!) - molti utilizzano processor cores (versione scritte in Verilog/VHDL), in cui i progettisti possono integrare hw per specifiche applicazioni è flessibilità nella scelta della linea di fabbricazione (e fornitore) 6

7 Fondamenti matematici GEORGE BOOLE ( ) 1854, An Investigation of the Laws of Thought Algebra booleana: utilizza due valori di verità (vero / falso) 7

8 Architettura del calcolatore elettronico APPLICAZIONI LING. ASSEMBLY SIST. OP. FUNZ.LE (RTL) DELLA LOGICA DEI CIRCUITI DEL LAYOUT Programmi applicativi Programmi assembly Programmi assembly Application Binary Interface (ABI) Application Binary Interface (ABI) ISA Instruction Set Architecture (ISA) Componenti: registri, ALU, bus, memorie, Strutture: registri, ALU, bus, memorie, Componenti: porte logiche, flip-flop, Strutture: porte logiche, flip-flop, Componenti: transistor, resistenze, capacità Strutture: transistor, resistenze, capacità Componenti: materiali (Si, AsGa, ) 8

9 ISA (Instruction set architecture) Costituisce l interfaccia tra l hardware e il livello più basso del software Specifica tutto ciò che i programmatori devono sapere per produrre programmi in linguaggio macchina corretti: - istruzioni in linguaggio macchina (formato, semantica) - dispositivi I/O - Una stessa architettura (ISA) può avere implementazioni diverse! Alcune architetture (ISA) attuali: - IA-32 (Intel, AMD) - MIPS - PowerPC - ARM - 9

10 Il programma del corso: parte obbligatoria APPLICAZIONI LING. ASSEMBLY SIST. OP. FUNZ.LE (RTL) DELLA LOGICA DEI CIRCUITI DEL LAYOUT Programmi applicativi Programmi assembly Programmi assembly Application Binary Interface (ABI) Application Binary Interface (ABI) ISA Instruction Set Architecture (ISA) Componenti: registri, ALU, bus, memorie, Strutture: registri, ALU, bus, memorie, Componenti: porte logiche, flip-flop, Strutture: porte logiche, flip-flop, Componenti: transistor, resistenze, capacità Strutture: transistor, resistenze, capacità Componenti: materiali (Si, AsGa, ) 10

11 PERCHE (ANCHE) AD INGEGNERIA INFORMATICA? Motivi culturali e base per corsi successivi - come un programma di alto livello viene tradotto in linguaggio macchina? - come il linguaggio macchina viene eseguito dall hardware? - quali fattori influenzano le performance di un calcolatore? Influenza nella performance dei livelli inferiori Le prestazioni di un programma (alto livello) sono determinate da: - il programma stesso - prestazioni dell hardware nell eseguire le istruzioni dell ISA - il compilatore, che può produrre software ottimizzato per l hw sottostante 11

12 PERCHE (ANCHE) AD INGEGNERIA INFORMATICA? Necessità pratica di sporcarsi le mani in assembler - nei sistemi embedded: riduzione lunghezza del codice (costo) + vincoli real time - in un approccio ibrido, per codificare parti del programma time critical (es: superamento delle convenzioni nella codifica di procedure) - per utilizzare istruzioni specializzate che un compilatore potrebbe non sfruttare - in alcuni calcolatori non è disponibile un linguaggio di alto livello! Citazioni illustri I confini tra hardware e software sono sfumati: Hardware and and software are logically equivalent (Andrew Tanenbaum) Hardware is just petrified software (Karen Panetta Lenz) ma dovendo scegliere : E' vero che il software non potrebbe esercitare i poteri della sua leggerezza se non mediante la pesantezza dell hardware; ma è il software che comanda, che agisce sul mondo esterno e sulle macchine, le quali esistono solo in funzione del software, si evolvono in modo d'elaborare programmi sempre più complessi. (Italo Calvino) 12

13 Precedenze e Prerequisiti Precedenze: Fondamenti di informatica e programmazione (cf. art. 13 Regolamento) Reale: nessuna (potete sostenere l esame quando volete, ma registrare solo quando avete sostenuto Fondamenti di informatica e programmazione) Prerequisiti (cosa bisogna sapere): modulo Elementi di Informatica (6 CFU) Un idea di base dell architettura e organizzazione del calcolatore Codifica binaria dei numeri (notazione binaria ed esadecimale, rappresentazione dei numeri relativi in complemento a due, cenni su rappresentazione in virgola mobile) Capire (e sapere sviluppare) programmi elementari in C - strutture if, if-else, cicli Saranno comunque fatti brevi richiami durante il corso! 13

14 RICHIAMI: IL MODELLO DI VON NEUMANN Unità di controllo ambiente Dispositivi di I/O Unità di elaborazione (datapath) CPU Memoria BUS 14

15 Il programma del corso: parte facoltativa Applicazioni di intelligenza artificiale avanzata (Cenni di) Identificare e usare modelli computazionali del ragionamento umano Sistemi comprensibili all utente e capaci di spiegare i risultati forniti Dialogo utente-sistema, adattamento alle specificità dell utente Convergenza e integrazione Intelligenza Artificiale / Interazione Uomo Macchina Esempi di applicazione in ambito Health&Wealth (discussioni mediche, clinical trials, ) 15

16 NOTE SULLA PARTE FACOLTATIVA Opportunità di conoscere tecniche avanzate di ricerca scientifica - valore dell innovazione - conoscenze strategiche per diversi ambiti - tematiche trattate nei più prestigiosi atenei esteri - invito alla ricerca scientifica Per gli studenti motivati, possibilità di lavorare in ambiente internazionale: - Imperial College (Londra) - University of Liverpool - Vienna University of Technology - INRIA Sophia Antipolis (Francia) - University of Luxembourg - Zeijhang University (Cina) - Universidad Nacional del Sur (Argentina) - 16

17 Materiale di studio Sito Internet del Corso: Lucidi del corso Link, informazioni varie, eventuale software da scaricare Regole, news, risultati degli esami, ecc. Ogni altra cosa dovesse risultare utile! Libro parte obbligatoria Patterson & Hennessy: Computer Organization and Design [Morgan Kaufmann] anche in italiano: Struttura e progetto dei calcolatori [Zanichelli] Materiale parte facoltativa Lucidi e articoli distribuiti dal docente 17

18 Modalità d esame Appello scritto (2-3 h) - domande/esercizi sul programma obbligatorio di Calcolatori Elettronici (totale 30 punti) - un quesito aggiuntivo sulla parte facoltativa (6 punti) Possibilità per lo studente di presentare un articolo di ricerca tra quelli disponibili sul sito (incremento massimo 6 punti) TIPOLOGIA DI ESAME SCRITTO PARTE OBBLIGATORIA - Diversi quesiti (domande a risposta aperta, a crocette, esercizi, ecc.); ciascuno ha una valutazione compresa tra 0 e max punteggio indicato, NB: non ci sono valutazioni negative degli esercizi (voto min=0) - Per partecipare è necessario iscriversi all appello (ESSE3) 18

19 VALIDITA DEI VOTI PARTE OBBLIGATORIA Un voto sufficiente che non perda di validità a seguito di un nuovo scritto successivo (vedi poi) può essere registrato in qualunque data, anche dopo anni. Un voto conseguito allo scritto è sufficiente se maggiore o uguale a 18 Esempio: 17 non è un voto sufficiente Chi consegna uno scritto senza ritirarsi perde l eventuale voto positivo conseguito precedentemente Chi non consegna lo scritto (si ritira) mantiene l eventuale voto sufficiente valido MODALITA PER SOSTENERE LA PRESENTAZIONE DELL ARTICOLO Scegliere un articolo e contattare il docente Data di presentazione: entro limiti temporali ragionevoli una volta che lo studente e pronto (data esatta stabilita con il docente circa una settimana prima) 19

20 REGISTRAZIONE VOTO Dopo ogni appello verrà organizzata la visione del compito / registrazione voti In questa occasione è possibile registrare un voto ottenuto (anche in passato) Gli studenti che hanno già ottenuto un voto e vogliono registrarlo, sono pregati di iscriversi al primo appello disponibile; il docente può comunque iscrivere lo studente in occasione della visione/registrazione Per esigenze particolari (registrazione anticipata di un voto già ottenuto per motivi di laurea) contattare il docente via mail Per gli studenti che presentano un articolo: sentire il docente PER ULTERIORI DETTAGLI: CFR. REGOLAMENTO D ESAME SUL SITO 20

21 Contattarmi Ufficio n. 27 del Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Orario di ricevimento: VEDERE SITO DI ATENEO Si consiglia appuntamento via mail per sicurezza (è possibile accordarsi per date al di fuori dell orario di ricevimento) Per particolari esigenze: si consiglia di usare l 21