Corso di Informatica per Biologia (docente) E-mail: aiolli@math.unipd.it Web: www.math.unipd.it/~aiolli (docente laboratorio) Giovanni Da San Martino E-mail: dasan@math.unipd.it Dipartimento di Matematica Pura ed Applicata Torre Archimede, Via Trieste 63 Orario delle lezioni e esercitazioni 18 ore di lezioni in aula Giorni: Oggi, ore 8:30-9:15 + Ogni Mercoledi, Giovedi, Venerdi, ore 8:30-9:15 Martedi, ore 8:30 9:15 (eventuali recuperi) 5 sessioni di esercitazioni in laboratorio per un totale di 15 ore: presso le aule informatiche A,B,C dell ex Dipartimento di Matematica Pura ed Applicata (Paolotti) Giovedi Giovedi Giovedi Giovedi Giovedi 19 Ottobre 2006 26 Ottobre 2006 2 Novembre 2006 9 Novembre 2006 16 Novembre 2006 14:30 17:00 14:30 17:00 14:30 17:00 15:00 17:30 14:30 17:00 2
Frequenza Obbligatoria Verranno effettuati controlli di presenza sia in aula (raccolta firme) che in laboratorio (automatico) 3 Risorse per il corso Colussi, File', Rossi, "Informatica di Base", Edizioni Libreria Progetto, 2003 Slide e dispense saranno disponibili sul sito web del corso: http://www.math.unipd.it/~aiolli/corsi/biologia0607 /biologia0607.html Il blog del corso: http://aio.blog.kataweb.it/ 4
BLOG Pagina Iniziale 5 BLOG Pagina Categoria 6
BLOG Pagina Commenti 7 L esame sarà in laboratorio Parte Teorica Domande libere e a scelta multipla su TUTTI e SOLI gli argomenti del corso Parte Pratica Progetti in excel e/o costruzione di pagine web Il voto dell esame viene calcolato come combinazione dei voti delle due prove 8
Contenuti del corso Struttura di un computer e principi del sistema operativo Struttura dell hardware, linguaggio macchina e assembler Sistemi Operativi Windows e Linux Applicativi e Internet Fogli Elettronici e Excel Reti e Internet, Web, HTML, Posta Elettronica 9 Iniziamo.. PARTE 1 10
Informatica: definizione INFORMATICA = INFORmazione automatica In inglese si usa invece il termine COMPUTER SCIENCE (scienza dei calcolatori) INFORMATICA focalizza l attività che si prefigge di studiare la disciplina COMPUTER SCIENCE focalizza invece lo strumento utilizzato Comunque sia, tutto cio che e relativo a studio, progettazione, fabbricazione e impiego degli elaboratori 11 Calcolatore o Computer MACCHINA ELETTRONICA AUTOMATICA PROGRAMMABILE per il TRATTAMENTO DELL INFORMAZIONE 12
Operazioni di un Calcolatore Le operazioni che un calcolatore e in grado di svolgere possono essere suddivise in 1. Ingresso (input) 2.Uscita (output) 3.Memorizzazione (storage) 4.Recupero (retrieval) 5.Trasmissione (sending) 6.Ricezione (receiving) 7.Elaborazione (processing) 13 Limiti di un Calcolatore Esistono elaborazioni che x un computer sono IMPOSSIBILI da svolgere (funzioni non calcolabili) TROPPO COMPLESSE per essere calcolate in tempi ragionevoli (l informatica teorica si occupa anche di questi aspetti) Intelligenza Limitata nonostante la cosidetta Intelligenza Artificiale sia un campo in rapido sviluppo!! 14
Informazione e Dati Informazione DIVERSA DA conoscenza Vitale o banale Vera o falsa Un dato e un informazione codificata in forma adatta per essere trattata da un elaboratore Dati + Interpretazione = Informazione 15 Sistema di Elaborazione Sistema, ovvero formato da un insieme di parti interagenti La descrizione corretta delle singole parti (cosidetti moduli) non e sufficiente a caratterizzare un sistema L interazione tra le parti e/o con l esterno (cosidetta interfaccia) e altrettanto importante! 16
Elaboratori e programmi Elaboratore Elettronico Digitale Elaboratore Elettronico: Rapidissimo e preciso esecutore di ordini codificati come programmi che agiscono sui dati Digitale: I dati vengono elaborati e memorizzati in forma discreta (0/1) N.B. Dati e programmi vengono memorizzati assieme senza alcuna distinzione Informazione rappresentata come assenza o presenza di tensione elettrica o come magnetizzazione o non magnetizzazione di supporti magnetici (memorizzazione) 17 Come e`fatto un computer? Assemblaggio di circuiti elettronici elementari (CHIP) Pochi millimetri quadrati Basso consumo Durata pressoche infinita Basso costo 18
I pionieri dell informatica Charles Babbage Teignmouth, 26/12/1791 Londra, 18/10/1871 Idea di macchina programmabile George Boole Lincoln, 2/11/1815 Ballintemple, 8/12/1864 Teoria della logica matematica Alan Turing Londra, 23/6/1912 - Manchester, 7/6/1954 Concetto generale di macchina elaboratrice (macchina di Turing e molto altro) John Von Neumann Budapest, 28/12/1903 - Washington, 8/2/1957 Progettazione e sviluppo dei primi calcolatori con programma memorizzato 19 Computer Museum Progetto Manhattan Pannelli di controllo e operatori davanti agli enormi calcolatori presso il Complesso Y-12 a Oak Ridge, Tenessee 20
Computer Museum MainFrame Computers (albori) Costosissimi Occupavano stanze intere Condivisi da molti utenti e sfruttati al massimo Mini Computers (anni 60) Costoso X Aziende, piccoli enti di ricerca, decine di utenti Dimensioni di un armadio Sperimentazione (Unix, C, mouse, GUI) Home Computers (inizio anni 80) Costo contenuto Utilizzo perlopiù ludico e didattico Commodore64 (Vic20), Spectrum Sinclair Commodore 64 Personal Computer (fine anni 80) 21 Nuova Generazione MainFrame di nuova generazione Poco più grandi di un PC Multi-processore Supportano anche più di 1000 utenti Super computers Elevatissima capacità elaborativa (IBM Blu Gene/L, 32658 processori) Destinati ad una singola applicazione (previsioni meteorologiche, simulazioni,..) Micro-controller Completi ma totalmente integrati in un singolo CHIP Palmari Dimensioni ridottissime Super computer CRAY 2 (1982-89) Palmare 22
Personal Computer 1) Monitor 2) Scheda madre 3) CPU (Microprocessore) 4) RAM 5) Scheda di espansione 6) Alimentatore 7) Dispositivi ottici 8) Hard disk drive (HDD) 9) Mouse 10) Tastiera 23 Calcolatore nella società moderna Calcolatori dedicati e multi-uso Cellulari, GPS (dedicati) PC, Palmari, (multi-uso) Strumento di lavoro e studio di comunicazione (Email, chat, video/music downloading, filesharing..) di intrattenimento (Internet, giochi, musica, film, etc) di calcolo (Real-time computers, Super computers, Multi Computers, Macchine pensanti, Domotica e Robotica) 24
L architettura di Von Neumann CPU RAM Memoria secondaria I/O bus 25 RAM = Random Access Memory (memoria ad accesso casuale) Nella RAM, come in ogni altra componente di un computer, le informazioni sono sempre rappresentate digitalmente mediante sequenze di 0 e di 1. La RAM quindi memorizza numeri binari: un bit può contenere (0 o 1) un byte è una sequenza di 8 bit una parola (word) è una sequenza di 4 byte 26
La RAM puo concettualmente essere vista come una sequenza di byte.. indirizzi da cui si leggono, ed in cui si scrivono, blocchi di byte consecutivi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10011011 byte di indirizzo 0 byte di indirizzo 1 byte di indirizzo 2 Operazioni del modulo RAM Scrittura Lettura Cancellazione 27 testo foto/film programma 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 28
programma 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 istruzione1 istruzione2 istruzione3 29 Unità di misura della RAM (e della memoria in generale) 1 KiloByte (KB) = 2 10 byte = 1.024 byte; circa 1.000 byte 1 MegaByte (MB) = 2 20 byte = 1.024 KB; circa 1.000.000 byte 1 GigaByte (GB) = 2 30 byte = 1.024 MB; circa 1.000.000.000 byte 1 TeraByte (TB) = 2 40 byte = 1.024 GB; circa 1.000.000.000.000 byte 30
Proprieta della RAM RAM il tempo di accesso ad ogni byte e' sempre lo stesso (circa 10-7 /10-8 sec), e NON dipende da quale byte è stato acceduto prima è volatile: se "tolgo la spina" l informazione è persa (c è anche la ROM, Read Only Memory, che invece e' persistente) ogni byte della RAM e' individuato da un indirizzo, che consiste in un numero intero: 0,1,2... il byte e' la minima quantità di memoria accessibile (attraverso il corrispondente indirizzo) 31 Programmi e CPU La CPU (Central Processing Unit) consiste di innumerevoli transistor stampati su sottili chip di silicio La CPU e` in grado di eseguire dei programmi, cioe` delle sequenze di istruzioni elementari (tra un numero molto limitato di funzioni) che la CPU (con i suoi e circuiti logici) implementa Per poter essere eseguiti i programmi devono risiedere nella RAM, e quindi sono codificati digitalmente I programmi possono operare su dei dati che devono pure risiedere nella RAM 32
Schema di una CPU BUS PC UNITA DI CONTROLLO clock IR CPU Registri di calcolo R 0 R 1 RAM R n ALU Cis 1 Cis 2 Cis k FR RC 33 L unita di Controllo della CPU esegue continuamente il ciclo FDE (Fetch/Decode/Execute) 1. Fetch: preleva dalla RAM la istruzione da eseguire; sappiamo che l indirizzo in RAM da leggere è memorizzato in PC (Program Counter); l istruzione viene memorizzata in IR (Instruction Register); PC viene aggiornato all'indirizzo della successiva istruzione: se ogni istruzione occupa N byte, PC viene incrementato di N 2. Decode: riconosci l'istruzione (tra quelle possibili) da eseguire memorizzata nel registro IR: sia is i 3. Execute: la ALU esegue is i utilizzando il circuito Cis i 4. (Riconoscimento/Gestione Interruzioni) Tempo necessario ~ 10-9 sec (cioè circa un miliardo di cicli al secondo) 34
Il Clock Il lavoro della CPU e` scandito da un orologio di sistema detto clock che controlla la velocita` delle operazioni Il clock invia un flusso costante di impulsi digitali detti cicli, misurati in Hertz (Hz) cioe` cicli al secondo Maggiore e' la velocita` del clock, piu` veloce sara` l'elaborazione dei dati e l'esecuzione delle istruzioni dei programmi Attualmente, il clock di una CPU di un PC e` sull'ordine dei GHz (miliardi di cicli al secondo) 35 ALU e Registri della CPU L'ALU e' l'unita` aritmetico-logica (ALU e' un acronimo dall'inglese) che esegue le istruzioni e usa i registri I registri servono per memorizzare operandi ed operatori per i calcoli dell'alu e lo stato del processore dopo tali calcoli RC: registro di controllo Registri particolari PC: indirizzo RAM della prossima istruzione IR: prossima istruzione da eseguire 36
.. Pacman ha una velocità che dipende dal processore...quindi cambiando computer va più velocemente..sarà poi vero? 37 Memoria Secondaria o di Massa dischi fissi (hard disk), floppy disk, nastri magnetici, CD, DVD, USB memory, etc deve essere permanente (mentre la RAM e`volatile) accesso sequenziale, cioe il tempo di accesso varia a seconda dell accesso precedente (mentre per la RAM il tempo di accesso e`sempre uguale) Per esempio, dipende dalla posizione della testina di lettura/scrittura prima dell operazione è adatta per leggere/scrivere grandi quantita di dati (maggiore capacita, minor costo) 38
Dispositivi di I/O (Input/Output) Sono i dispositivi di comunicazione ed interazione tra utente e computer. In un moderno PC: input: tastiera, mouse, touchpad, microfono, videocamera, scanner, connessione di rete, etc output: video, stampanti, speaker audio, etc velocita` diverse e molto minori delle altre componenti di un computer (sec per l'input, decimi di sec per l'output) Parti meccaniche e non elettroniche Interfaccia con l utente che e relativamente lento 39 L architettura di Von Neumann CPU RAM Memoria secondaria I/O bus velocità decrescente (e molto!!) 40
Un preventivo PC Desktop DELL Dimension 4600 euro 1.099 Processore Intel Pentium 4 3.00 GHz con cache 1 MB Chassis mini tower ATX Chipset Intel 865 G bus 500 MHz 512 MB DDR RAM Hard Disk 80 GB 7200 rpm Lettore DVD 16x, Masterizzatore CD-RW 48x24x48x Monitor LCD 17" Scheda video AGP 64 MB Scheda audio PCI 128 Stereo Scheda di rete 10/100 Mbit/s Modem 56 Kbit/s 3 slot PCI, 6 slot USB Tastiera italiana multifunzione Mouse ottico Software MS Windows XP, MS Office XP, Norton Antivirus Unita di misura Frequenza Hz "operazioni" al secondo, e multipli Memoria Byte, e multipli Velocita` di Trasmissione Bit/s, e multipli Velocita rotazione Rpm (giri al minuto) 41 Software La CPU è in grado di interpretare ed eseguire istruzioni elementari espresse nel proprio Linguaggio Macchina, quali "leggi il dato presente in una locazione di memoria", "somma due valori", "scrivi questo dato in una locazione di memoria e poco altro! I mattoncini della LEGO ;-) Windows, Word ed Excel sono dei software ( intere costruzioni della LEGO ) Windows e` un sistema operativo Word ed Excel sono delle applicazioni (o programmi applicativi); esistono le versioni per Windows e per Mac 42
Macchina Hardware e Macchina Software applicativi sistema operativo macchina hardware Agli albori dell'informatica, si programmava in binario, cioe` in linguaggio macchina, "scrivendo" i programmi direttamente nella RAM Adesso ci sono vari livelli e ogni livello rappresenta il supporto alla programmazione per il livello sovrastante 43 Programmi complessi Istruzioni di alto livello Istruzioni (funzionalita ) elementari 44
"traduce" per l'utente in linguaggio macchina macchina software utente macchina hardware 45 La macchina software: facilita l'input/output permette la programmazione in linguaggi ad alto livello, come C++/Java rende disponibili programmi applicativi per compiere operazioni molto complicate Tutto viene alla fine "eseguito" dalla macchina hardware! 46
Domande sulla Parte I Vero o falso? 1. La memoria ROM è sequenziale 2. Il clock della CPU mantiene l orario corrente 3. È vero che i dischi rigidi degli attuali PC ruotano alla velocità di 45 giri al minuto? 47 Domande sulla Parte I Risposta Libera 1. Quali sono i parametri di valutazione delle prestazioni di un dispositivo di memoria? 2. Confronto fra memoria principale e memoria secondaria. 3. È vero che i dischi rigidi degli attuali PC ruotano alla velocità di 45 giri al minuto? 4. Che cos'è uno scanner? che trasformazione opera? 5. È pensabile che un elaboratore funzioni senza mouse? senza tastiera? senza hard disc? senza processore? 48