1

Informatica di base A.A. 2002/2003

Docente: Prof. Francesca Rossi

E-mail: frossi@math.unipd.it

Tel: 049-8275982

Studio: Via Belzoni 7, primo piano

2

Organizzazione del corso

24 ore di lezione (3 crediti) in aula LUM 250 prime tre settimane: Lunedi’- Martedi’ – Mercoledi’ 11:20-13:00 altre settimane (dal 21 Ottobre): Martedi’ 11:20-13:00

16 ore di laboratorio (2 crediti) in aula laboratorio

dopo le prime tre settimane tre gruppi di studenti Mercoledi’ 14-16 e 16-18, Giovedi’ 14-16 iscrizione in terminali per login password (tra qualche giorno)

3

Materiale ed esame

Dispensa disponibile alla Libreria Progetto

(Via Marzolo 28, Via Portello 5/7)

Sito web del corso (pronto tra pochi giorni)

Esame con domande a scelta multipla

4

Sommario degli argomenti – parte 1

I circuiti logici

Il sistema binario

L’architettura di Von Neumann

Interi, reali e caratteri in un computer

Linguaggio macchina ed Assembler

5

Sommario degli argomenti – parte 2

Sistemi operativi: DOS, Unix/Linux,WindowsWord processors: WordFogli elettronici: ExcelSistemi per la gestione di basi di datiReti: TCP/IP, Internet, ftp, telnet, posta elettronicaWWW: http, Netscape, HTML, motori di ricerca

6

L’ Hardware di un computer

3 tipi di componenti fondamentali:

un computer è ottenuto assemblando un gran numero di componenti elettronici molto semplici

A

B R

R A

B

A R

A B R

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

A B R

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

A R

0 1

1 0

Hardware

AND

OR

NOT

A B A AND B

falso falso falso

falso vero falso

vero falso falso

vero vero vero

A B A OR B

falso falso falso

falso vero vero

vero falso vero

vero vero vero

A NOT A

falso vero

vero falso

00 1

11 1

01 0

00 0

RA B

10 1

11 1

11 0

00 0

RA B

01

10

RA

A

B R

R A

B

A R

8

Completezza di and, or, e not

16 operazioni logiche binarie (tante quante possibili scelte di 4 valori)

4 operazioni logiche unarieTutte possono essere ottenute

componendo and, or, e not

A B A B

falso falso vero

falso vero vero

vero falso falso

vero vero vero

A B A B

0 0 1

0 1 1

1 0 0

1 1 1

R B

A

A B equivale a (NOT A) OR B

A B NOT A (NOT A) OR B

0 0 1 1

0 1 1 1

1 0 0 0

1 1 0 1

A B A B

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 1

B

A

R

A B equivale a (A B) AND (B A) A B A B B A (A B)AND(B A)

0 0 1 1 1

0 1 1 0 0

1 0 0 1 0

1 1 1 1 1

o XORA B A B

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

B

A

R

A XOR B equivale aNOT (A B) A B A B NOT(A B)

0 0 1 0

0 1 0 1

1 0 0 1

1 1 1 0

R A

B X

A = (B A) [(NOT A) (NOT B)]

A B B A NOT A NOT B (NOT A) (NOT B) A

0 0 1 1 1 1 1

0 1 0 1 0 0 1

1 0 1 0 1 1 1

1 1 1 0 0 1 1

Siccome (un rettangolo è un quadrato se ha altezza uguale alla base), allora [se un rettangolo (non è un quadrato) esso (non ha altezza uguale alla base)].

Il risultato è sempre 1, ossia sempre vero.L’asserzione è una tautologia (o un teorema).

A = (B A) [(NOT A) (NOT B)]A = (B A) [(NOT A) (NOT B)]A = (B A) [(NOT A) (NOT B)]

13

Dalla tabella di verita’ ad un circuito

Tanti input quante sono le dimensioni della tabella

Un solo outputUn or all’outputTanti and quanti sono gli 1 della

tabellaInput degli and: 1 se diretto, 0 se

negatoA B A B

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

B

A

R

14

Nand e nor

Non servono tre operazioni (and, or,

not)

Basta una tra :

nand (not and) e nor (not or)

NAND

NOR

A B A NAND B

falso falso vero

falso vero vero

vero falso vero

vero vero falso

A B A NOR B

falso falso vero

falso vero falso

vero falso falso

vero vero falso

10 1

01 1

11 0

10 0

RA B

00 1

01 1

01 0

10 0

RA B

A

B R

R A

B

AND

OR

A R

NOT

A R

B

R

B

A

17

Memorie

Processore = griglia di milioni di porte logiche

Frequenza (con cui riceve l’input)Esempio: 2 Giga Hertz (2 miliardi di

cicli al secondo)Input ad un ciclo output al ciclo

successivo

18

Rappresentazione binaria

Base 10 cifre da 0 a 9Base 2 cifre 0 e 1Sequenza di cifre decimali dk d k-1 … d1 d0

numero intero dk x 10k + dk-1 x 10 k-1 + … d1 x 10 + d0

Esempio: 101 in base 10 e’ 1x100+0x10+1x1

Circuiti aritmeticiRappresentazione binaria di un intero:

01011012 = 1·25 + 1·23 + 1·22 + 1·20 = 32 + 8 + 4 + 1 = 4510

Valore minimo di una sequenza di n cifre binarie: 000 … 0 (n volte) = 010

Valore massimo: 1111…111 (n volte) = 2n-1 + 2 n-2 + … + 22 + 21 + 20 + 1 = 2n –1

Esempio: 111 = 22 + 2 + 1 = 7 = 23 -1

20

Una proprietà dei numeri binari

1001001= 73

100100 = 36 = 73/2 e questo è il resto

Eliminare il bit più a destra corrisponde a dividere per 2 il valore, ed il bit eliminato è il resto

21

Trasformazione di un numero in base 10 a binario

125

125/2=62 resto 1 62/2=31 resto 0 31/2=15 resto 1 15/2=7 resto 1 7/2=3 resto 1 3/2=1 resto 1 1/2=0 resto 1

125 in binario è 1111101

rappresenta 62

rappresenta 31

etc

Circuiti aritmetici

Riporto: 1 1 1 1 0 0

0111002 + 1001112 = ----------- 10000112

Somma: Colonna per colonna, da destra a sinistra Riporto se la somma su una colonna supera la base Tre cifre binarie (prima riga, seconda riga, riporto), somma =1 se una o tre sono 1, riporto = 1 se almeno due sono 1

23

Somma binaria

1 11 riporti 1010011+ 1100011=

-----------

10110110

Si vuole costruire un circuito per sommare due numeri binari

Iniziamo con un circuito che faccia la somma su di una colonna

Vogliamo un circuito che con input due bit corrispondenti ed il riporto precedente calcola la loro somma ed il nuovo riporto.

yx

S

R

R'

ADD

La somma S è 1 se tutti e tre i bit in input sono 1 oppure solo uno di essi è 1.

Questo si esprime con la formula logica:

S = {[(X AND Y) AND R] OR [X AND (Y NOR R)]} OR {[Y AND (X NOR R)] OR [R AND (X NOR Y)]}

Il nuovo riporto R' è 1 se almeno due bit in input sono 1.

Questo si esprime con la formula logica:

R' = [(X AND Y) OR (X AND R)] OR (Y AND R)

27

2 bit da sommare

riportoriporto per la prossima colonna

risultato su questa colonna

1-ADD

3 input

2 output

28

Tabelle di verità

00 01 10 11

0 1

0 1 1 0 1 0 0 1 00 01 10 11

0 1

0 0 0 1 0 1 1 1

risultato

riporto

riporto

bit da sommare

Dalle tabelle di verità sappiamo come costruire il circuito:

riporto risultato1-ADD

30

1-add 1-add 1-add 1-add

0 riporto inizialeRiporto

finale

risultato

Somma di numeri di 4 bits

31

Componendo 6 circuiti ADD si ottiene il circuito

x0

0

ADD

R

y0

s0

x1

R

y1

s1

x2

R

y2

s2

x3

R

y3

s3

x4

R

y4

s4

x5

R

y5

s5

ADDADDADDADDADD

Che calcola la somma di due numeri di 6 bit

bit

output

reset

flip X A

B

ciclo reset

flip A B output

0 0 0 ? ? ?

1 0 0 ? 1 ?

2 1 0 ? 1 ?

3 1 0 ? 0 ?

4 0 0 ? 0 0

5 0 0 0 1 0

6 0 0 0 1 0

ciclo reset

flip A B output

7 0 1 0 1 0

8 0 1 1 1 0

9 0 0 1 1 1

10 0 0 1 1 1

11 0 0 1 1 1

12 0 0 1 1 1

13 0 0 1 1 1

Memoria (volatile)

bit

output

reset

flip X A

B

ciclo reset flip A B output

14 0 1 1 1 1

15 0 1 0 1 1

16 0 0 0 1 0

17 0 0 0 1 0

18 0 0 0 1 0

19 0 0 0 1 0

20 0 0 0 1 0

34

Ricevimento e sito corso

www.math.unip.it/~frossi/info-base.html

Orario di ricevimento: Mercoledi’ 16:30-18:30 nel mio studio (o in un’aula)

35

Esercizio

•Determinare la tavola di verità del seguente circuito:

and

A

BR

è una tavola nota?

not

not

or

or

36

Esercizio

•Partendo dalla tavola di verità dell’esercizio precedente, costruite un circuito che la realizza seguendo il metodo di costruzione generale visto in classe.

37

Esercizio

•Si disegni un circuito logico che realizza la seguente tavola di verita’:

•A=0, B=0 R = 1

•A=0, B=1 R = 1

•A=1,B=0 R = 1

•A=1, B=1 R = 0

38

Esercizio

•Dare la tavola di verita’ delle formule:

•(A NOT(B)) OR (A AND B)

•A OR (A AND NOT(B))

•(NOT(A) NOT(B)) OR (NOT(A) AND B)

39

Esercizio

•Scrivere la rappresentazione binaria dei numeri decimali:

•30

•36

•15

40

Esercizio

•Scrivere la rappresentazione decimale dei numeri binari:

•1000

•1010

•01011

•10111

41

Iscrizione per l’accesso al laboratorio

Sito per le iscrizioni: http://iscrizioni.math.unipd.it

Dopo tre giorni: ritirare login e password e firmare

Da casa o da due terminali nell’androne del laboratorio

42

L’architettura di Von Neumann

CPU RAMMem

secondI/O

bus

43

RAM= Random Access Memory memoria ad accesso casuale

Nella RAM, come ovunque in un computer, le informazioni sono sempre rappresentate con sequenze di 0 e di 1. Numeri binari.

La RAM quindi è fatta per contenere tali numeri.

un bit può contenere o 0 o 1

un byte è una sequenza di 8 bits

una parola consiste di 4 bytes

quindi la RAM è

una sequenza di bytesbyte

da cui si leggono ed in cui si scrivono singoli byte o blocchi di 4 bytes consecutivi: le parole.

bit

parola

0 0 000000 00

1 000000 01

2 000000 10

3 000000 11

1 4 000001 00

5 000001 01

6 000001 10

7 000001 11

2 8 000010 00

9 000010 01

10 000010 10

11 000010 11

Indirizzamento di byte e parole

46

Unità di misura della RAM

1 K bytes circa 1.000 bytes 210=1024

1 Mega byte circa 1.000.000 bytes 220

1 Giga byte circa 1.000.000.000 bytes 230

1 Tera byte circa 1.000.000.000.000 bytes 240

47

RAM => accedere ad ogni byte ha la stessa durata (10**-7 sec): non dipende da quale byte è stato acceduto prima

è volatile: se tolgo la spina l’informazione è persa (c’è anche la ROM)

ogni byte ha un indirizzo 0,1,2......

il byte e’ la minima quantita’ accessibile (attraverso il suo indirizzo)

PROPRIETA’ della RAM

48

La CPU: unità centrale di calcolo:esegue programmi che sono nella RAM

Cis1 Cis2 Cisk

P

IP

•R0

•Rn

bus

RAM

RCALU

registri di calcolo

CPU

49

La CPU esegue continuamente il ciclo ADE=Access/Decode/Execute

Access: preleva dalla RAM la prossima istruzione da eseguire (l’indirizzo è in P, l’istruzione viene messa in IP)

Decode: capisce che istruzione c’è in IP: isi

Execute: la esegue mediante il circuito Cisi 1 ciclo= 10**-9 sec

50

Memoria Secondaria

è permanente

dischi fissi, floppy, nastri magnetici, CD

accesso sequenziale (il tempo varia a seconda dell’accesso precedente)

è adatta per leggere/scrivere grandi quantita’ di dati (in posizioni contigue)

51

I/O=Input/Output

Dispositivi di comunicazione utente computer. In un computer moderno:

input=tastiera

output=video / stampanti

velocita’ diverse e molto minori delle altre parti del computer (decimi di sec)

52

Componenti di un PC

I componenti del calcolatore si dividono in due categorie: Hardware (parte fisica, meccanica, elettronica) Software (istruzioni e comandi)

Unità di misura: Velocità MHz Milioni di operazioni al

secondo Memoria Byte, KB, MB, GB, TB

Macchina Hardware e Macchina Software

macchina hardware

Agli albori dell'informatica, l’utente programmava in binario (Ling.Mac.) scrivendo i programmi nella RAM

sistema operativo

applicativi

macchina hardware

utente

software

traduce per noi in linguaggio macchina

La macchina software permette:

•input/output facile

•programmazione in linguaggi ad alto livello, come Java (parte III)

•rende disponibili programmi per compiere operazioni molto complicate (applicativi) (parte II)

Tutto viene comunque "fatto" dalla macchina hardware!!

56

INTERI REALI e CARATTERI

Il computer ha memoria finita e quindi l’insieme dei numeri

interi e reali che sono rappresentabili è

necessariamente finito!

57

Rappresentazione binaria

Numero binario: b n-1 b n-2 … b 0, dove

bi=1 o 0Corrisponde al numero decimale (b n-1 x 2 n-1) + (b n-2 x 2 n-2) +… + (b 0 x 2 0)Esempio: 101 corrisponde a

1x4+0x2+1x1 = 5Esempio: 11 = 1x2 + 1x1 = 3

58

Gli interi nel computer

Generalmente gli interi occupano 4 bytes = 32 bit

Con n bit, si rappresentano interi positivi da 0 a 2n –1

0 = n zeri 2 n-1 = n uni, cioe’ 1x2 n + 1x 2 n-1 = … + 1x2 0

e i negativi ?

59

Prima rappresentazione

Il bit n rappresenta il segno:

0 = positivo 1 = negativo

PROBLEMI:

2 zeri (+0 e -0)

operazioni complicate

60

Seconda rappresentazione

Usare la rappresentazione in complemento a 2:

• positivi da 0 a 2n-1 -1 lasciando a 0 il bit n

•negativi da -2 n-1 a -1 si rappresentano come il complemento a 2 del valore assoluto

61

Esempio, con n=6

0, 1,…….31, 32, ……, 63 positivi negativi

32 32-64= -32 33 33-64= -31 ………..

63 63-64= -1

-32............-1

62

Supponiamo n=6

-4 viene rappresentato come complemento a 2 di 000100 (= 4)

cioè 111011+1=111100 = 60 (10)

si calcola anche: -4 + 26 = 60

Esempio:

Complementando 0 si ottiene ancora 0

64- 0=--- 64 ha gli ultimi 6 bit uguali a 0

in binario 1000000- 000000=-------1000000

Complementando 32 si ottiene

64- 32=--- 32 ha il bit 5 uguale a 1(negativo)

in binario 1000000- 100000=-------0100000

64

In generale: con n bits

positivi 0 ….. 2n-1-1

negativi -2n-1 …... -1

65

La somma è semplice n=6

10+ 12=--- 22

in binario 001010+ 001100=-------0010110

Somma di numeri positivi 10+12

71

Altro esempio con n=6

Vogliamo: 10 - 32

-32 -32+64 = 32

10 + 32 = 42 che rappresenta un numero negativo (è >31)

che numero ?

42 - 64 = -22 OK

72

-3 -> 61= 111101

-22 -> 42 = 101010

1 100111=

n=6 -3-22

64 + 39

Basta buttare via l’1 in colonna 7

39 - 64 = -25 come desiderato

Non sempre la somma va bene:

25+10= 35

che con 6 bit rappresenta un numero negativo: 35-64= -29 !!

-22-12 =-34

42+52 = 94 ed anche buttando l’1 in colonna 7, che vale 64, otteniamo 30, che è positivo!

TROPPO GRANDE !!

TROPPO PICCOLO !!

overflow o supero

74

due fatti importanti:

•una somma dà overflow sse i riporti in colonna n ed n+1 sono diversi

•Se non c’è overflow allora basta buttare l’eventuale bit in colonna n+1 per ottenere il risultato corretto

75

test di overflow nel caso di 2 numeri positivi:

•entrambi hanno 0 in colonna n

•sommandoli, in colonna n+1 il riporto è sempre 0

•il test dice che la loro somma da supero sse c’è riporto in colonna n

•la somma è almeno 2n-1 e quindi è maggiore del massimo intero rappresentabile con n bits

consideriamo ora:

-22-5

42= 101010+

59= 111011=1100101

111 1

basta buttare via

la regola dice che non c’è

overflow

37-64=-27 OK

esempio:

7 bits, 27=128 quindi

0....63 normali mentre 64...127

rappresentano -64.....-1

-18 ?? -18+128=110

110-128=-18

somma:

63 - 64

63 -> 0111111

-64 -> 10000001111111 -> 127 -> -1

non c’è overflow visto che non c’è riporto nè in colonna 7 nè in 8

altro esempio:

-23 -> 105 -> 1101001

-45 -> 83 -> 1010011

1101001

1010011

1 0111100

1 11riporto 1 in colonna 8 e 0 in 7

OVERFLOW

80

Reali in notazione binaria

bk-1 bk-2 … b2 b1 b0 , b-1 b-2 …

bk-1 x 2 k-1 + bk-2 x 2 k-2 +… + b2 x 22 + b1 x 2 + b0 x 20 + b-1 x 2-1 + b-2 x 2-2 +…

Da decimale a binario: Per la parte intera, come sappiamo fare

(metodo delle divisioni)

81

REALE--> BINARIO

cosa significa una parte decimale binaria:

.1101001

2-1+ 2-2 + 2-4 + 2-7

.1101001 moltiplicarlo per 2 significa spostare il punto di un posto a destra

1.101001

2-1 2-2...

20 2-1.......

se abbiamo un valore decimale in base 10:

0.99 come troviamo la sua rappresentazione in base 2? Ragioniamo come segue:

supponiamo che .99 = .b1b2b3...bk (binario)

allora 2 .99 = 1.98 = b1.b2b3...bk

quindi b1 è 1

e .98 è rappresentato da .b2b3...bk

per trovare la rappresentazione binaria di un decimale lo moltiplichiamo per 2 ed osserviamo se 1 appare nella parte intera:

.592= 1.18

.182= 0.36

.362= 0.72

.722= 1.44

.442= 0.88

.882= 1.76 .......

.100101.....

dipende da quanti bit abbiamo

rappresentazione binaria di .59

85

esempio

18.59

18 10010

.59 .100101...

10010.100101....

86

Decimali in forma normalizzata

43,5 puo’ essere scritto come: 43,5 x 100

0,0435 x 103

4350,00 x 10–3

4,350 x 101 (forma normalizzata)Lo stesso per i numeri binari decimali:

1001,01 = 1001,01 x 20 = 10,0101 x 22 = 100101,00 x 2–2

Forma normalizzata: la parte intera e’ sempre 1 (es.:1,00101 x 23)

87

Rappresentazione dei Reali in un computer

1 8 23

s e+127 m

Rappresenta:

N = s 2e 1.m

implicito

0 e+127 255 quindi -127 e 128

88

10010.100101...

0 0010100101...........131

131-127= 4 = numero delle posizioni verso sinistra di cui abbiamo dovuto spostare il punto decimale

RAPPRESENTAZIONE UNICA

89

esempio di rappresentazione in virgola mobile:

12.65 -> 1100. ???

.65*2=1.30 .30*2=.60 .60*2=1.20

.20*2=.40 .40*2=.80 .80*2=1.60 ..

101001...

90

1100.101001

mantissa=1.100101001

esponente 130, perchè

130-127=3 e quindi

23* 1.100101001=1100.101001

91

.00101001

deve diventare 1.01001

significa moltiplicare per 23

per rimettere le cose a posto:

esponente 124 visto che 124-127=-3 e

2-3 * 1.01001=.00101001

92

quanti reali si rappresentano?

•con una parola, cioè 32 bits, possiamo rappresentare 232 cose diverse al più 232 reali

•questi valori non sono distribuiti uniformemente come gli interi

•sono maggiormente concentrati tra -1 e 1

•si diradano sempre più allontanandosi dallo 0

93

Distribuzione disuniforme

Supponiamo 2 bits per la mantissa e 2 per l’esponente (-1,0,1,2)

0 .5 .6 .7 .8 1 1.2 1.5 1.7 2 2.5 3 3.5 4 5 6 7

94

caratteri

in generale viene usata la codifica ASCII:

ogni carattere è rappresentato da 1 byte: 256 caratteri. Questo basta per:

a....z A...Z 0...9 . , ;: () ..............

caratteri di controllo: enter, tab...

95

wide characters

nel caso sia necessario rappresentare più caratteri, per esempio gli ideogrammi cinesi, esiste una codifica che associa 2 bytes ad ogni carattere. In questo modo si rappresentano 65536 caratteri diversi

96

esercizi

•quali sono le parti principali dell’architettura di von Neumann?

•citare le caratteristiche salienti della RAM

•quali sono le parti essenziali della CPU

•descrivere il ciclo che la CPU ripete in continuazione

•a cosa servono i registri P e IP della CPU?

•quali sono gli esempi più comuni di memoria secondaria e perchè essa si chiama sequenziale?

•dare alcuni esempi di dispositivi di input e di output.

98

esercizi:

•usando la rappresentazione in complemento a 2, quali valori interi si possono rappresentare con 5 bits ?

•con 5 bits, realizzare la somma: -5-8, come si testa se c’è overflow o no?

•con 5 bits, realizzare 10+8, come si testa se c’è overflow o no?

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esercizi

•dare la rappresentazione in virgola mobile normalizzata dei valori 0.5, 1.5 e 10.543 avendo 8 bits per l’esponente e 8 per la mantissa.