2.4 Informatica1 Uni Fe L.P

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1Luigi Puzone © Informatica 1 – Università di Ferrara – A.A. 2008-2009 2.4 Hardware,CPU, Memorie

Informatica 1

ing. Luigi Puzone

Hardware e Software


Leggi di Moore e di Joy…

•Legge di Moore: Il numero di transistor che riusciamo a integrare su un circuito cresce in modo tale da raddoppiare ogni 18 mesi

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…Leggi di Moore e di Joy

• In generale la crescita del jnumerio di transistor integrabili questo comporta un incremento della velocità ed efficienza dei processori e delle macchine.

• legge di Joy: numero di istruzioni eseguibili su un elaboratore cresce secondo la seguente formula:

MIPS=2(anno-1984)


Computer - Hardware - SoftwareProcessore

Memoria RAM

Hard disk

CD-ROM, DVD-ROM

Sistema operativo

Floppy disk

Tastiera

Mouse

Scheda video

Scheda Audio

Modem

Monitor

Grandezze

Porte

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CabinetDesktop

Minitower

Tower


Computer…

Un sistema elettronico programmabile, capace di eseguire un insieme di istruzioni registrate in precedenza (programma), per la soluzione di problemi mediante l’elaborazione automatica di informazioni.

Unità di sistema

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Unità di sistema

La componente base del PC è l’unità di sistema: si tratta di un unico blocco che contiene più elementi: il microprocessore, la memoria centrale, le unità disco, la scheda madre nonché i connettori (porte) per collegare l’unità di sistema ad altri dispositivi esterni, come unità di Input/Output


…Computer

(Informatica di base 3ed. – Curtin D.P. et al – McGrawHill)

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Dispositivi di input/output…

Senza di essi la CPU non potrebbe comunicare con l’esterno

– Dati e programmi possono così essere inseriti in memoria attraverso i dispositivi di input

– I risultati possono fluire dalla memoria verso i dispositivi di output


…Dispositivi di input/output

Si dicono dispositivi o unità di Input quei dispositivi che rendono possibile l’inserimento di dati dall’esterno nel computer i dati che saranno elaborati dalla CPU.

Tastiera, Mouse, Touchpad, Trackball, Joystick, Microfono, Scanner, Videocamera digitale, Macchina fotografica digitale, Tavoletta grafica, Penna ottica (per i codici a barre), Modem…

Per dispositivo di output si intende uno strumento che comunica all'esterno il risultato della elaborazione dei dati da parte della CPU.

Monitor, Stampante, Altoparlanti, Modem…

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Dispositivi di input/output


Porte di collegamento


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Scheda madre…

La scheda madre (o piastra madre o mother board) è il componente di base dell’unità centrale. Tutti i componenti del computer (la CPU, la RAM, la ROM e le interfacce) sono alloggiati sulla scheda madre o sono ad essa collegati.

Caratteristiche:ChipsetNumero di slot Velocità del bus


…Scheda madre

La Scheda Madre ha degli slot di

espansione ossia degli alloggiamenti per

l’installazione di ulteriori schede

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Bus di comunicazioneBus di sistema e Bus Locali…

Bus di Sistema:Gruppo di collegamenti che connettono la CPU agli altri dispositivi del computer



Bus di comunicazioneBus di sistema e Bus Locali…

Bus Locale:Alcune periferiche (es. Scheda Video) tolte dal bus di sistema per evitarne il sovraccarico

Es: ISA (Industry Standard Architecture), MicroChannel, EISA (Extended IndustryStandard Architecture), PCI (Peripheral ComponentInterconnect), AGP (Accelerated Graphics Port)


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Processore…(CPU- Central Processing Unit)

L’unità di elaborazione centrale detta CPU (Central Processing Unit) è il “cervello” dell’elaboratore elettronico.

È il dispositivo hardware che effettua tutte le operazioni logiche e aritmetiche necessarie all’elaborazione al trattamento e al trasferimento dei dati. La CPU esegue le istruzioni di un programma mediante lo svolgimento di operazioni elementari sui dati a velocitàelevatissima.

La velocità di un processore si misura in Hertz.

Processori più diffusi:Pentium, Celeron della Intel

Sempron, Athlon della AMD


…Processore…


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…Processore…Componenti…

Unità di controllo (CU Control Unit)

– controlla e coordina l’attività della CPU– controlla il trasferimento delle istruzioni dalla memoria centrale

ai registri della CPU– Interpreta le istruzioni– attiva i segnali per gli organi preposti all’esecuzione– coordina lo svolgimento delle operazioni;

Unità aritmetico-logica (ALU Arithmetic-Logic Unit)

– esegue le operazioni aritmetiche e logiche


…Processore……Componenti

Clock

– un generatore di impulsi sincronizzare le operazioni

nell’elaboratore;

Memoria Cache

– la CPU elabora solo poche istruzioni per volta e quindi, per aumentarne le prestazioni, viene fornita di un piccola quantità di memoria che ricorda gli ultimi calcoli fatti per poterli ripetere, se necessario, senza sprechi di tempo.

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…Processore…


La CPU scambia informazioni con la memoria di sistema (memoria centrale), tramite appositi circuiti (BUS) in cui i dati sono trasmessi sotto forma di segnali elettrici per cui attraverso due segnali “1” (passaggio di corrente) e “0”(mancato passaggio) è possibile rappresentare i valori numerici e tutti i caratteri alfanumerici, con opportuni sistemi di codifica


MemorieCaratteristiche

• Tempo di conservazione delle informazioni– Volatili– Permanenti

• Composizione fisica– Elettronica– Magnetica– Ottica

• Accesso alle informazioni– Sequenziale– Casuale

• Tipo di registrazione– Riscrivibili– A sola lettura

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MemorieGerarchie

CPUCache L1Cache L2

RAM

Memorie di Massa

Distanza da C

PU

Costo

Capacità

Distanza dalla CPU Costo della memoria Capacità di memoria…


MemorieMemoria Centrale e Memoria di Massa

La CPU controlla il flusso dei dati e svolge i calcoli. I dati possono provenire dall’esterno, tramite i dispositivi di input, ed essere comunicati all’esterno, mediante i dispositivi di output ma non possono essere inviati direttamente alla CPU.Il calcolatore è dotato di supporti di memoriz-zazione che consentono la conservazione dei dati, sia durante il processo di elaborazione (memoria centrale RAM) che nel tempo (memorie di massa, dischi).

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Memoria CentraleMemoria RAM…

Il microprocessore dell’elaboratore non riceve i dati da elaborare direttamente dalla tastiera, né tantomeno invia direttamente l’elaborazione di tali dati sullo schermo o sulla stampante. Esiste una zona di immagazzinamento temporaneo, la memoria RAM, che serve come luogo di passaggio obbligatorio per accedere al microprocessore.


Memoria Centrale…Memoria RAM…

La MEMORIA RAM (RANDOM ACCESS MEMORY) è un dispositivo in grado di immagazzinare temporaneamen-te dati espressi in forma binaria (0,1).

È composta da un insieme di circuiti detti registri che possono essere immaginati come piccole celle destinate a contenere i bit (binary digit, cifra binaria).

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Memoria CentraleGrandezze



Memoria Centrale…Memoria RAM: tipi di memoria RAM…

DRAM (Dynamic Ram): le celle mantengono i dati per breve tempo e sono aggiornate centinaia di volte al secondo.Tipi

– FPM-Ram (Fast Page Mode)– EDO-RAM (Extended Data Output)– SDRAM (Syncronous Ram)– DDR DRAM (Double Data Rate)– RDRAM (Rambus DRAM)

SRAM (Static Ram): le celle mantengono i dati per lungo tempo e sono aggiornate a richiesta.

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Memoria Centrale…Memoria RAM: tipi di memoria RAM…

SIMM (Single In-Line Memory Module)

DIMM (Dual In-Line Memory Module)

SODIMM (DIMM nei portatili memoria)


Memoria Centrale…Memoria RAM e Memoria ROM…

La ROM (READ ONLY MEMORY), invece, può essere solo letta e non modificata, e contiene routine fondamentali per il funzionamento dei componenti hardware del PC. Le istruzioni contenute nella ROM dei PC formano il BIOS - Basic Input/Output System che governa ogni operazione di scambio tra l’unità centrale e le periferiche.

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La memoria RAM: viene utilizzata per eseguire i programmi applicativi, poiché l'utente "scrive" (cioè carica) il programma che desidera utilizzare in memoria tutte le volte che si rende necessario.

La memoria ROM: è utilizzata per memorizzare le routine di base a livello di hardware, per esempio il programma di inizializzazione che fa partire il computer e gestisce il controllo della memoria e dei dispositivi presenti: quando si accende un computer, questo programma è il primo che si avvia e cerca subito un sistema operativo nel disco fisso, cedendogli il controllo appena lo trova(BIOS [Basic-Input-Output System] – POST [Power-On-Self-Test]).




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Memoria CentraleCACHE MEMORY…

La RAM opera a velocità inferiori rispetto alla CPU e al suo ciclo macchina e ne rallenterebbe le operazioni. La CACHE MEMORY è una memoria ad alta velocità in cui il sistema conserva durante le elaborazioni le informazioni che verranno utilizzate con maggiore probabilità.


Memoria Centrale…CACHE MEMORY

La Cache memory di livello 1

– detta anche interna, primaria o L1

– fa parte fisicamente del processore

– circa 256 KByte.

La Cache memory di livello 2

– detta anche esterna, secondaria o L2

– non fa parte del processore

– chip installati immediatamente a ridosso del processore

– circa 2MByte.

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Memoria CentraleBUFFER

BUFFER, alcuni programmi utilizzano una parte della memoria RAM dell’elaboratore come “memoria di transito” in modo tale da velocizzare le operazioni del processore.



Memoria CentraleMEMORIA VIRTUALE

La memoria RAM è più costosa delle memorie di massa.

Per Memoria Virtuale di intende la memorizzazione dei dati e delle istruzioni che sono in memoria RAM ma non sono al momento utilizzati.


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Memoria RAM

La memoria RAM (Random Access Memory - Memoria ad accesso casuale) è costituita da circuiti (chip) collocati sulla scheda madre e consente al processoredi lavorare. È detta anche memoria di lavoro o temporanea: spento il computer i dati che essa contiene vengono cancellati. Quanto maggiore è la RAM, tanto più velocemente può lavorare il computer.

Caratteristiche:

Capacità: misurata in byte.

Velocità di accesso: misurata in nanosecondi.

Tecnologia: SIMM, DIMM, SDRAM


Interazione CPU - Memoria…il ciclo della macchina…

4 Fasi

Caricamento

Decodifica

Esecuzione

Memorizzazione


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MemorieGerarchie

CPUCache L1Cache L2

RAM

Memorie di Massa

Distanza da C

PU

Costo

Capacità

Distanza dalla CPU Costo della memoria Capacità di memoria…


Memorie di massa (dischi)Differenze fra floppy e disco fisso: Il floppy disk è removibile si può introdurre ed estrarre dall'unità centrale secondo l'uso, ha generalmente una capacità massima di 3 Megabyte, hanno tempi di accesso di circa 85msil disco fisso, invece, è, normalmente, inamovibile dal suo alloggiamento nell'unità centrale del PC, ha una capacità di diversi Gigabyte, sono più veloci del floppy (accesso circa 10ms), il disco fisso è in movimento fin dal momento dell'accensione del computer e raggiunge velocità di rotazione dai 4200 ai 7200 giri minuto.

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Dischi magnetici, modalità di memorizzazione e densità


http://a2.swlibero.org/a2139.htm#almlindex6332


Dischi, Memorizzazione sequenziale, ad accesso casuale, tracce e settori…


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Dischi, …Memorizzazione sequenziale, ad accesso casuale, tracce e settori



Memorie di massa: Hard disk

Unità di archiviazione a supporto magnetico destinata alla registrazione permanente dei dati viene comandato attraverso un controller.

Caratteristiche principali:

Capacità di archiviazione: Esempio 160GB

Velocità di accesso ai dati: Esempio 10ms

Velocità di rotazione: 5400 RPM (Round Per Minutes = Giri al minuto)

Tipo di collegamento: IDE, EIDE, ATA, SCSI …

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Hard diskCaratteristiche costruttive



Hard diskController


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Hard diskCaratteristiche costruttive



Hard diskTecnologia Raid

La tecnologia RAID (Redundant Array of Indipendent Disk) risponde alle seguenti esigenze:– Ridurre i costi di memorizzazione;

•Dischi con maggiore capacità hanno costi maggiori;– Aumentare la possibilità di recupero dei dati in caso di guasti;

•Mirroring dei dati (copia su altro disco), Data Striping (i dati vengono distribuiti su “n” dischi in modo ridondante. Se uno dei dischi si rompe posso ricostruire tutti i dati presenti nell’array con i dischi rimanenti

– Ridurre i tempi di accesso;• L’accesso ai dati su più dischi riduce i tempi di accesso;

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Unità a Floppy disk (dischetti)

Unità di archiviazione a supporto magnetico rimovibile che può contenere 1.44 Mb di dati.Altri tipi di floppy o dispositivi magnetici rimovibili non standard:

720 KB, 2.88MB, 120MB LS (Laser servo), Iomega Zip (100MB,250MB), Iomega Jaz (1GB, 2GB)………


Floppy disk Caratteristiche costruttive


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Dischi ottici, CD ROM e DVD ROM

I CD-ROM sono dischi a lettura ottica. Vari tipi di dischi ottici: CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory); i CD-ROM scrivibili (CD-R);i CD-ROM riscrivibili (CD-RW); DVD ROM (Digital Versatile Disc)DVD scrivibili (DVD±R);DVD riscrivibili (DVD±RW);DVD-RAM.



Ne CD o DVD ROM la scrittura avviene una sola volta, mentre sono possibili “infinite” letture;La scrittura può essere effettuata con un masterizzatore. Un CD-ROM può memorizzare 650 megabyte su un solo strato e una sola faccia. Un DVD ROM può memorizzare 4,7GB su un solo strato e una sola faccia e fino a 17GB su doppio strato doppia faccia. La traccia scorre a spirale ed è divisa in settori che hanno tutti le stesse dimensioni fisiche, a differenza di quanto accade nei normali dischi magnetici. In questo modo, grazie al fatto che la velocità con cui gira il disco varia in continuazione, accelerando nello spostamento verso il centro (si parla allora di velocitàlineare costante [CLV Constant Linear Velocity]), la quantità di informazioni registrabili è decisamente maggiore,potendo sfruttare tutta la superficie.

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I CD-ROM scrivibili si basano sullo stesso principio; la testina di scrittura del laser segue un solco a spirale stretta, dotato di uno strato colorato in modo da assorbire la luce, inviata a sua volta con un impulso laser ad alta potenza e ad una specifica frequenza. Le modifiche apportate al colorante sono permanenti e questi dischi di norma sono scrivibili una sola voltaI CD-ROM riscrivibili possono essere riscritti più volte.


Dischi ottici, CD ROM e DVD ROMDensità di memorizzazione


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Dischi ottici, CD ROM e DVD ROMmodalità di lettura

Tecnologie dell'informazione e della comunicazione - Stacey S. Sawyer, Brian K. Williams


CD ROM e DVD ROM scrivibili e riscrivibili

I CD e i DVD sono realizzati con uno strato di policarbonato trasparente dietro al quale èpresente un polimero e infine un sottile strato di materiale dorato o argentato.Polimero organico per gli scrivibili una sola voltaPolimero inorganico (lega argento-indio..) per i riscrivibili

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DVD±R, DVD±RW, DVD-RAM…

Nasce negli anni ’90 il DVD forum, l'istituzione che si è incaricata di redigere le specifiche del supporto, era formato da Philips, Sony, Matsushita, Hitachi, Warner, Toshiba, JVC, Thomson e Pioneer.

Il materiale utilizzato per i DVD+R e DVD-R èidentico.

Formalizzato nel corso del 1999, il formato DVD-R è lo standard ufficiale per i DVD Registrabili.


…DVD±R, DVD±RW, DVD-RAM…

Negli anni necessari alla forma-lizzazione dello standard DVD-R, sono stati commercializzati altri 2 formati per la registrazione in formato DVD: – DVD+R (e DVD+RW) dal consorzio Sony-Philips (supporta il formato Mount Rainer che permette di utilizzare il DVD+RW come un’unitàa floppy;

– DVD-RAM (che prevede la presenza di un contenitore in materiale plastico), supportato da Panasonic (Matsushita) e JVC

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…DVD±R, DVD±RW, DVD-RAM

DVD-5: 4.7 GB Lato unico e singolo strato

DVD-9: 8.5 GB Lato unico e doppio strato

DVD-10: 9.4 GB Due lati e singolo strato

DVD-18: 17 GB Due lati e doppio strato


Memorie OtticheConfronto…


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Lettore di CD-ROM e DVD-ROM

Caratteristiche: Velocità di lettura (es. 2X, 4X,… 48X)

CD-ROM

Compact Disc - Read Only Memory: unità di archiviazio ne a supporto ottico rimuovibile che può contenere fino a 700 Mbdi dati.

DVD-ROM Digital Versatile Disc - Read Only Memory: unità di archiviazione a supporto ottico rimuovibile in grad o di contenere fino a 17 Gb di dati.


Lettori di CD…Velocità di lettura

Velocità di lettura… Transfer rate1X 150KB/s2X 300KB/s10X 1,5MB/s12X 1,8MB/s16X 2,4MB/s24X 3,6MB/s36X 5,4MB/s50X 7,5MB/s

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…Lettori di DVDVelocità di lettura

Velocità di lettura… Transfer rate

1X 1,35MB/s

2X 2,7MB/s

8X 10,8MB/s


Masterizzatore di CD-ROM e DVD-ROM

Caratteristiche: Velocità di lettura e scrittura (es. 2X, 8X…)

CD masterizzabili (single layer)

Tipi: CD-R Scrivibili una sola volta

CD-RW Riscrivibili fino a 1000 volte

DVD masterizzabili (single o double layer)

Tipi: DVD+R / DVD-RDVD+RW / DVD-RW

DVD “Double layer” ±R/RW

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Dischi Magneto Ottici• Un fascio Laser ad alta potenza riscalda la superficie

“allentando” i cristalli metallici contenuti nel materiale• La testina magnetica orienta i cristalli del materiale

allineandoli in una direzione per rappresentare il bit 0 o in quella opposta per rappresentare il bit 1

• Una volta raffreddata i cristalli si mantengono nella posizione in cui li ha orientati la testina magnetica

• In lettura i cristalli consentono o meno alla luce del laser di passare attraverso di essi.

• La luce laser riflessa dallo strato posteriore in alluminio èraccolta dal fotodiodo di lettura


Memorie FlashUna memoria flash è una memoria di tipo elettronico. La tecnologia di realizzazione è denominata EEPROM. La EEPROM (ElectricallyErasable and Programmable ROM). È una memoria ROM cancellabile e riscrivibile, mediante opportune tensioni e correnti elettriche applicate ai transistor che la compongono.

I dati immagazzinati si mantenengono anche in assenza di alimentazione.

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Backup dei dati

• Backup significa fare una copia dei propri dati per ovviare a eventuali malfunzio-namenti hardware o software.

• Il backup deve essere fatto con regolarità

• La copia di backup deve essere custodita in modo sicuro (armadi ignifughi, archi-viazione off-site…)

• Nastri… formati: QIC, Travan, DAT, DLT


Backup dei dati


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Memorie di massaRicapitolando…

I dischi permettono di immagazzinare dati rendendoli disponibili su richiesta dell'utente o del sistema operativo. tre tipi di dischi: dischi fissi, floppy disk e dischi ottici (CD-Rom e Dvd).I dischi fissi (hard disk) e i floppy disk sono dispositivi magnetici cui è possibile accedere tramite un'apposita testina di lettura/scrittura.Il floppy disk è una lamina magnetica inserita in un involucro di plastica. La superficie del floppy è divisa in tracce, paragonabili a cerchi concentrici, che a loro volta si dividono in settori; un disco fisso è costituito da un insieme di dischi magnetici impilati uno sull'altro e racchiusi in un contenitore metallico.


Memorie di massaRicapitolando…

Il CD o il DVD è una memoria ottica costituita da un disco di plastica con un polimero dietro al quale èposta una lamina di alluminio che viene letto mediante un raggio laser.I dischi magneto-ottici in scrittura usano contemporaneamente una testina laser e una testina magnetica mentre in lettura si comportano come nromali memorie ottiche. Le Memorie Flash sono memorie EEPROM cancellabili e riscrivibili mediante l’applicazione di una tensione e/o di una corrente elettrica.I Nastri magnetici permettono il salvataggio di grosse moli di dati a costi molto bassi ma hanno lo svantaggio di essere ad accesso sequenziale e non casuale.

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Memorie di massa Confronto…



Memorie di massa …Confronto…


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Memorie di massa … Confronto



Bibliografia

Riferimenti bibliografici:

Dennis P. Curtin, Kim Foley, Kunal Sen, Cathleen Morin – Informatica di Base (terza edizione) - McGraw-Hill 2005

Ugo Biader Ceipidor, C. M. Medaglia, F. Peruzzi, H. Sedehi – Informatica di Base, introduzione per le scienze sociali – Carocci 2004

Sawyer S. C., Williams B. K. – Tecnologie dell’informazione e della

Comunicazione – McGraw-Hill 2002

Giacomo Cioffi, Vincenzo Falzone (a cura di) – Manuale di Informatica (quarta edizione) – Calderini 2002

Bruno Fadini, Carlo Savy – Programmazione dei calcolatori elettronici –Liguori 1984

Gian Luca Rossetti – Elementi di Informatica - McGraw-Hill 2004

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