Il calcolatore. Struttura fondamentale dell elaboratore ed elementi di programmazione. L informazione digitale. Hardware e Software

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1 Struttura fondamentale dell elaboratore ed elementi di programmazione Corso: Laboratorio Matematico-Informatico I Titolare del Corso: Nicoletta Del Buono Il calcolatore I calcolatori elettronici sono stati costruiti per la prima volta durante la Seconda Guerra Mondiale ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator Università della Pennsylvania) E una macchina costituita da due parti fondamentali HARDWARE SOFTWARE Hardware e Software Hardware: il materiale elettronico, elettrico, elettromagnetico e meccanico di cui la macchina è composta, indipendentemente dalle applicazioni per le quali può essere impiegata Software: il complesso delle istruzioni che rendono possibile utilizzare la macchina per ottenere risultati desiderati complesso di istruzioni che l'hardware deve comprendere ed eseguire L informazione digitale L'elaboratore è una macchina numerica o digitale che si contrappone alle apparecchiature analogiche. digitale "digit" (cifra o numero) L'elaboratore gestisce l informazione trasmissibile in forma digitale (cioè lavora su numeri). I numeri sono 0 e 1 (notazione numerica binaria) L'informazione a due valori è detta bit (binary digit).

2 L informazione digitale: codifica L'associazione di bit ad una informazione è detta codifica. Ogni tipo di informazione può essere gestita mediante una codifica BINARIA Per gestire una informazione un po' più articolata di due soli stati (0 o 1), si considerano i bit a gruppi di 8 (un byte) byte stringa composta da 8 bit consecutivi 1 bit può assumere due stati (0 o 1) un byte può assumere tutti gli stati da a , con tutte le situazioni intermedie 2 8 = 256 diverse combinazioni con cui esprimere l'informazione Architettura di un calcolatore Lo schema che illustra il funzionamento di un calcolatore è dovuto a John Von Neumann ( ) Schema prossimo all'effettiva struttura dei moderni calcolatori Unità dell hardware Le unità che costituiscono un calcolatore sono le seguenti: Unità di ingresso (input) consentono l'immissione di dati nella memoria Unità di memoria in cui vengono registrate le informazioni Unità di controllo o unità di elaborazione centrale detta anche processore (Central Processing Unit o CPU) presiede a tutte le operazioni del calcolatore, interpretando le istruzioni prelevate dalla memoria e inviando alle specifiche unità i segnali per l'esecuzione delle operazioni Unità aritmetico-logica (Arithmetic-Logic Unit o ALU) esegue operazioni aritmetiche o logiche Unità di uscita (ouput) presenta i risultati dell'elaborazione Unità di I/O Un computer elabora i dati e fornisce risultati eseguendo determinate istruzioni. I dati e i programmi devono essere inseriti dall'esterno. Le unità I/O consentono di inserire i dati utilizzando codifiche "naturali e di ottenere come risultato dati scritti con le medesime codifiche Codificare/Decodificare i dati del linguaggio naturale in binario e viceversa Trasmettere e ricevere dati dalla CPU in codice binario

3 Unità di I/O Per ricevere e/o trasmettere bit (o byte) è necessario una passaggio di segnali elettrici binari. Il passaggio di dati avviene tramite collegamenti Le componenti di I/O sono collegate al calcolatore tramite un cavo con due estremità: una attaccata all'apparecchio e l'altra attaccata al calcolatore tramite le porte o interfacce (seriale, parallela, USB, PS/2, rete, firewire, video). Le unità di I/O sono: tastiera mouse monitor stampante casse scanner videocamera lettore cd/dvd masterizzatore modem Unità di I/O Unità di I/O: le porte Le porte di I/O sono localizzate (generalmente) sul lato posteriore del computer e sono utilizzate per collegare alla macchina i dispositivi esterni Porta/E PS/2 per il collegamento del mouse e della tastiera Porta Seriale per il modem, o in generale per dispositivi che non richiedono un flusso di dati molto veloce Porta Parallela per la stampante, o in generale per qualunque dispositivo che richieda un flusso di dati più veloce rispetto alla capacità della porta seriale. Porta USB (Universal Serial Bus) per connettere ogni dispositivo USB la tecnologia USB consente di creare "catene" di dispositivi collegati tutti su un'unica porta Porta Video per connettere il monitor al computer Porta di Rete per collegare la macchina direttamente ad una rete di computer, senza usare il modem Porta SCSI per dispositivi che richiedono un flusso di dati molto veloce (scanner, masterizzatore esterno, ecc.) Memoria Memoria di un computer è il supporto materiale che contiene le unità informative (bit) memorie centrali o di massa I parametri caratteristici della memoria capacità (quantità di memoria disponibile) espressa in byte (8 bit), o nei suoi multipli, o in word (cioè sequenza di bit) il KiloByte (KB) pari a 1024 Byte (circa 1000 Byte) MegaByte (MB) pari a Byte (circa un milione di Byte) GigaByte (GB) pari a Byte (circa un miliardo di Byte) Tempo di accesso tempo necessario per eseguire una singola operazione di lettura e di scrittura il parametro che rappresenta la velocità di memoria è il nanosecondo (milardesimi di secondo)

4 Memoria CM (Central Memory) memoria nella quale sono collocati i byte, sui quali vengono effettuate operazioni di scrittura e lettura da parte della CPU. La memoria centrale è detta memoria RAM (Random Access Memory - memoria ad accesso casuale) memoria volatile l'informazione ivi registrata viene perduta all'atto dell'interruzione della alimentazione elettrica Memoria di Massa permette il salvataggio dei dati svolge il ruolo di archivio di informazioni (programmi e dati); se necessario, una parte delle informazioni viene spostata nella memoria centrale per essere elaborata e quindi riportata nella memoria di massa Memoria: supporti I supporti per le memorie di massa si possono poi dividere in 4 grandi categorie dipendono dal tipo di memoria e di apparecchiatura meccanica che il supporto di registrazione richiede Dischi magnetici la memorizzazione dei dati avviene magnetizzando la superficie tramite un'apposita testina di lettura/scrittura. Sullo stesso disco i dati possono essere scritti, cancellati e riscritti per un numero indefinito di volte senza logorare il supporto Si suddividono in removibili (floppy, zip) fissi (hard disk) Memoria: supporti Dischi ottici la memorizzazione dei dati avviene "bruciando" con un laser la superficie i dati scritti su un disco ottico non possono più essere cancellati esistono dei dischi particolari (CD riscrivibili) che consentono la cancellazione e la riscrittura per un numero limitato di volte si suddividono in: WORM, Write Once Read Many, sui quali è possibile scrivere una sola volta ma leggere molteplici volte (CD-ROM), riscrivibili Memoria: supporti Dischi magneto-ottici dischi a supporto magnetico su cui la scrittura dei dati può avvenire solo dopo un forte riscaldamento della superficie con un fascio laser. insensibili ai campi magnetici nessuna cancellazione accidentale utilizzati nei sistemi in cui è richiesto il frequente salvataggio di una grande quantità di dati in condizioni di sicurezza (es. unità di backup)

5 Nastri magnetici Memoria: supporti usati per creare periodicamente copie (backup) del contenuto degli hard disk lettura/scrittura molto lenta (alcune ore) unità sequenziali i dati vanno letti o scritti in sequenza (non sono possibili operazioni di selezione di una porzione predefinita) CPU Central Processing Unit (CPU) o processore Unità di calcolo del calcolatore esegue le istruzioni dei vari programmi sovrintende al funzionamento del calcolatore esegue tutti i calcoli gestisce il trasferimento di dati attraverso la memoria e i dischi attiva e/o disattiva le diverse componenti del calcolatore Il processore è caratterizzato da un proprio linguaggio macchina attraverso il quale si esprimono i programmi memorizzati. Il processore accede alla memoria, interpreta le istruzioni in linguaggio macchina e provvede alla loro esecuzione CPU La CPU è costuituita da: ALU(Arithmetic-Logic Unit, unità aritmeticologica) gestisce le operazioni matematiche e gli operatori logici o booleani (AND, OR, NOT) CU (Central Unit, unità di controllo) coordina le operazioni della ALU sulla base di un'organizzazione programmata con le unità di I/O, il Clock (orologio) e la CM (Central Memory) CPU Il ritmo di lavoro del processore è scandito da un segnale elettrico (detto clock) generato internamente al computer e costituito da rapidissimi impulsi che si ripetono centinaia di milioni di volte per secondo la velocità del clock si misura in GigaHertz (GHz) La ALU riceve dalla CU delle istruzioni sottoforma di operazioni da compiere e di sequenze di byte La CU regola il flusso dei byte che entrano ed escono dalla ALU Ad ogni scatto del clock la CU fornisce un'istruzione alla ALU la ALU "trova" le sequenze di byte nella CM, in cui sono collocati i byte sui quali vengono effettuate operazioni di scrittura e lettura da parte della CPU

6 I Software I programmi permettono il funzionamento dell hardware Un programma serie di operazioni elementari che il calcolatore esegue in sequenza e che trasforma un insieme di dati di input in un insieme di dati di output I programmi scritti in linguaggio macchina (costituiti da sequenze di numeri binari) sono I soli eseguibili direttamente dall hardware Si possono distinguere diversi tipi di software Sistema Operativo (Linux, Windows, Mac Os, ) Applicazioni (editor di testo, sistemi di gestione di data-base, giochi ) Che cosa è la programmazione Programmazione è l attività di sviluppo di programmi per un calcolatore Obiettivo: risoluzione di specifici problemi Diverse fasi: specifica dei requisiti: fase di formulazione del problema in modo più o meno formale analisi del problema: comprensione del problema e sua scomposizione in parti gestibili definizione di un algoritmo: progettazione di una soluzione al problema scrittura del codice: implementazione dell algoritmo in uno specifico linguaggio di programmazione testing e debugging: verifica della soluzione e correzione degli eventuali errori manutenzione Che cosa è la programmazione Un algoritmo è un insieme ordinato di passi che descrive un processo sequenziale atto a risolvere una classe di problemi partendo da alcuni dati iniziali e restituendo dei dati in uscita dopo una serie di elaborazioni Esistono diversi tipi di progettazione di un algoritmo progettazione bottom-up formalizzazione di un algoritmo partendo dalle parti più specifiche progettazione top-down descrizione in termini generali e individuazione di sottoproblemi più semplici e così via Diagrammi di flusso I diagrammi di flusso (flow-chart) permettono la realizzazione grafica di un algoritmo Definiti mediante un alfabeto e una sintassi L alfabeto (o insieme di simboli) è costituito da specifiche figure geometriche (blocchi elementari) e simboli di connessione tra tali figure

7 Diagrammi di flusso: alfabeto Blocchi elementari di un diagramma di flusso e loro significato: ellisse (limitatore di processo): determina l inizio e/o la fine di un algoritmo rettangolo (blocco azione): descrive singole istruzioni rombo (blocco decisionale): consente la selezione di strade alternative parallelogramma (blocco di comunicazione o I/O): permette l inserimento e/o l uscita dei dati freccia/e (simbolo di interconnessione): regola la sequenzialità delle istruzioni all interno del diagramma di flusso Diagrammi di flusso: sintassi Un diagramma di flusso è un grafo contenente: un blocco iniziale (ellisse) un blocco finale (ellisse) un numero finito di blocchi azione (rettangoli) un numero finito di blocchi di controllo (rombi) Regole di composizione di un flow chart ciascun blocco azione deve avere una freccia entrante ed una uscente ciascun blocco controllo deve avere una freccia entrante e due uscenti ciascuna freccia entra in un blocco o si inserisce in un altra freccia ciascun blocco deve essere raggiungibile dal blocco iniziale il blocco finale deve essere raggiungibile dal blocco iniziale Diagrammi di flusso: schemi Fra i possibili modi di connettere blocchi elementari e frecce che rispettino la definizione di un grafo di flusso, si possono individuare alcuni schemi di composizione fondamentali sequenza selezione iterazione Diagrammi di flusso: sequenza Uno schema di sequenza descrive la composizione sequenziale di due azioni elementari di un processo Inizio A1 A2 Fine

8 Diagrammi di flusso: selezione Uno schema di selezione permette di effettuare una scelta di due diverse azioni elementari in dipendenza dall esito di un controllo Inizio C1 A1 Fine Diagrammi di flusso: iterazione Uno schema di iterazione permette di ripetere un blocco azione un certo numero di volte in dipendenza dell esito di un controllo modello 1 V Inizio C1 A1 Fine F A2 modello 2 Inizio A1 V V C1 F Fine Proprietà di un algoritmo Un algoritmo è composto da una sequenza di schemi di flusso fondamentali (detti anche schemi di flusso strutturati) e deve soddisfare I seguenti requisiti: generalità finitezza (si deve raggiungere il flocco fine in un numero finito di passi) non ambiguità (non devono essere presenti isctruzioni che si contraddicono) ottimalità (deve risolvere il problema in studio con il numero minimo di operazioni) Esempi di flow-chart Somma di due numeri positivi Somma di due numeri nota la somma di un numero e di una unità Moltiplicazione di due interi non negativi utilizzando le operazioni somma 1 e sottrati 1 MCD tra due numeri positivi Calcolo della norma infinito di un vettore Calcolo del fattoriale Calcolo della somma di un polinomio Algoritmo di Horner