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Architetture di sistemi e Reti.

Principi di progettazione sw

Franco Sivilli

fsivilli@unich.it

Obiettivi

⚫ Conoscere le architetture più comuni dei

sistemi di elaborazione e delle reti

⚫ Conoscere i sistemi di numerazione

⚫ Apprendere le logiche degli algoritmi e le

principali tecniche di progettazione del

software

“Una macchina può fare il lavoro di cinquanta

uomini ordinari, ma nessuna macchina può

fare il lavoro di un uomo straordinario”. Elbert Green Hubbard

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Sistemi per l’elaborazione dell’informazione?

⚫ Sistema: insieme di componenti connessi

tra loro

⚫ Sistema per e.i.: sistemi gerarchici

costituiti da più livelli di macchina

interagenti tra loro

Com’è fatto un elaboratore?

⚫ Elaboratori basati sulla

Architettura di Von Neumann

che consiste di:

– Un’unità di Elaborazione (CPU)

– Memoria Centrale (RAM) per istruzioni e dati

memorizzati come sequenze di dati

– Periferiche

– Memorie di massa

– Bus di Sistema

Modello di Von Neumann

Unità di I/O MemoriaProcessore o

CPU

BUS

Sistema

costituito da 4

sottosistemi

connessi.

Memoria Massa

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Modello Von Neumann

⚫ Unità di Elaborazione (Processore o CPU):

– Svolge le elaborazioni

– Coordina il trasferimento dei dati

– Cioè ‘esegue’ i programmi

⚫ Memoria Centrale

– Memorizza dati e programmi per l’elaborazione

– Volatile

– Accesso rapido

– Capacità limitata

Modello di Von Neumann

⚫ Memoria Secondaria (es. Hard disk,DVD)

– Grande capacità

– Persistente

– Accesso piu lento della RAM

⚫ Unità Periferiche

– Terminali (tastiera, video)

– Stampanti

Modello di Von Neumann

⚫ Bus di Sistema

– Collega le altre componenti con la CPU

⚫ RAM

⚫ Memorie Secondarie

⚫ Periferiche

– Si divide in:

⚫ Bus indirizzi

⚫ Bus dati

⚫ Bus di controllo

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Bus di sistema

⚫ Collegamento tra le varie componenti

sempre sotto il controllo della CPU

⚫ Il bus può essere assegnato alle componenti

per un certo intervallo di tempo in modo

che possano scambiare dati

Bus di sistema

bus indirizzi: è unidirezionale. Serve per poter selezionare l’unità.Ogni unità deve avere una logica di decodifica degli indirizzi percapire se essa è stata selezionata. La larghezza del bus indirizzi fissalo spazio degli indirizzi (16/32/64 bit) cioè il numero delle celle dimemoria e dei registri delle unità di I/O selezionabili; Se il busindirizzi trasferisce informazioni di 16 k, il numero massimo diindirizzi è 216 = 65.536KB (dove 1Kb = 210 = 1024).

bus dati: bidirezionale, serve a trasmettere/ricevere informazioni tradue unità del sistema (master è quella che invia, slave è quella chericeve). La sua larghezza determina il collo di bottiglia dei calcolatori“Von Neumann”.

bus comandi o linee di controllo: in input ed output dal processore.Es. linea di input: bus request. La linea di output serve al processoreper inviare un comando ad una unità

CPU (Central Processing Unit)

Il processore o CPU è un interprete di un set

limitato di istruzioni. Esso è in grado di:

- estrarre e decodificare una istruzione (fase fetch→

unica per tutte le istruzioni)

- eseguire l’istruzione appena estratta (execute→ una

per ogni tipo di istruzione);

- determinare quale sarà l’istruzione prossima da

estrarre ed eseguire.

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CPU:componenti principali

⚫ Unità Aritmetico-Logica (ALU)

⚫ Unità di Controllo

⚫ Unità Indirizzo

⚫ Unità istruzione

⚫ Registri (conservano lo stato della CPU durante i vari stadi del ciclo di istruzione)

⚫ Orologio di sistema (clock)

CPU:componenti principali

Unità aritmetico- logica (ALU): effettua le operazioni di

tipo aritmetico (somma, sottrazioni) e di tipo logico (and,

or) della fase di execute. Esegue un certo insieme di

operazioni selezionabili tramite comandi dall’esterno.

Unità di istruzione: estrae e decodifica le successive

istruzioni del programma in esecuzione;

Unità di controllo: coordina le varie unità nell’esecuzione

dei programmi (lettura dalla memoria, decodifica ed

esecuzione delle istruzioni).

Unità di indirizzo: esegue il calcolo dell’indirizzo;

CPU : Registri

• contatore PC: indica qual è la prossimaistruzione da eseguire.

• delle istruzioni IR: contiene una copiadell’istruzione da eseguire.

• di indirizzo di memoria MAR: contienel’indirizzo di memoria del dato da leggere oscrivere.

• dati di memoria MDR: contiene una copia deldato effettivo.

• parola di stato del processore PSW: dàindicazioni sulle modalità di funzionamento delprocessore.

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Memoria Centrale

⚫ Organizzata come una tabella di celle

– Cella = parola di memoria (sequenza di byte)

– Es. Memoria da 16 bit (2 byte), 32 bit, 64 bit

⚫ Indirizzo di memoria = posizione relativa alla

prima cella

⚫ La CPU mantiene due registri per gestirla:

– Registro di indirizzamento (MAR) = serve per

recuperare le parole di memoria

– Registro dati (MDR) = mantiene dati input e output

Gerarchia di memorie

⚫ Registri

⚫ Cache

⚫ Memoria RAM (Random Access):

– Volatile, veloce, utilizzata per dalla CPU

⚫ Memoria di Massa (dischi e nastri):

– Persistente, più lenta

Scendendo nella gerarchia:

- aumentano le dimensioni delle memorie (sono più grandi);

- diminuiscono i costi;

- diminuiscono le prestazioni;

- aumenta il tempo di accesso;

- diminuisce la velocità di trasmissione.

Tipi di memoria di massa⚫ Nastri Magnetici

⚫ Dischi Magnetici

⚫ Dischi ottici (CD, DVD, TrueWorm)

⚫ SSD

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Altri tipi di memorie

⚫ Memoria ROM (BIOS):– Si può solo leggere, per operazioni critiche

⚫ Memoria EROM, EPROM:– Cancellabili, cancellabili e programmabili

⚫ Memoria Flash (macchine fotografiche digitali, pda, cellulari, lettori MP3): evoluzione delle EPROM

⚫ Altri tipi diffusi sul mercato: CompactFlash (CF), Multimedia Card (MMC), Secure Digital (SD).

Periferiche

– Tastiera per acquisire dati in ingresso (input)

– Video per mostrare dati immessi ed elaborati; il

cursore seleziona una posizione nel video dove

vengono immessi i dati

– Mouse per controllare il cursore

Periferiche: Stampanti

⚫ Producono su carta i risultati dell’elaboraz.

⚫ Vari tipi:

– Ad aghi

– A getto d’inchiostro

– Laser

⚫ Caratteristiche: velocità,risoluzione, set di

caratteri, capacità grafica (colori ecc)

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Altri tipi di sistemi

⚫ Workstation

Calcolatore con elevate prestazioni

⚫ Server

⚫ Mini-computer

Servono reti di terminali con pochi utenti

⚫ Main-frame

Servono reti di terminali con centinaia di utenti

Cenni sulle reti neurali

Sono sistemi di calcolo paralleli.

Non fanno parte dell’informatica tradizionale ma dell’intelligenza artificiale connessionista.

Nell’informatica tradizionale è l’uomo che trova l’algoritmo e lo traduce in un linguaggio di programmazione.

Le reti neurali sono sistemi in grado di trovare da soli l’algoritmo risolutivo mediante la modifica dei pesi sulle “connessioni” in base alla % di errore sul riconoscimento.

Necessitano di un periodo di addestramento per ridurre al minimo la % di errore.

Rappresentazione dei dati

⚫ Si utilizzano standard internazionali per

risolvere problemi di compatibilità tra

calcolatori di tipo e marca diversi

⚫ Vedremo brevemente:

– Codifica dei numeri

– Operazioni tra numeri attraverso circuiti logici

– Codifica di caratteri e immagini

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Codifica dei numeri

⚫ Quindi

– Numero = sequenza di bit (codifica in base 2)

– Con K bit si rappresentano 2K numeri che vano da 0 a

2K-1

⚫ Esempi:

– 2 = sequenza 1 0

– 3 = sequenza 1 1

– 4 = sequenza 1 0 0

.......

Codifica dei numeri

⚫ Gli elaboratori utilizzano la codifica binaria (cioè con 0 e 1) dell’informazione

⚫ Perché solo due simboli?– differenti tensioni elettrici, polarità magnetiche, ...

– riduce errori (ad es. causati da rumore nei segnali)

⚫ Unità elementare di informazione: bit interpretato come 0 o come 1

⚫ Unità derivate: byte = 8 bit; Kbyte = 1024 byte

Mbyte = 1024 Kbyte; Gbyte = 1024 Mbyte;

Tbyte = 1024 Gbyte

Codifica dei numeri

⚫ Rappresentazione di un numero naturale di

n cifre nel sistema decimale:

Cn-1*10n-1+Cn-2*10

n-2+…+C1*101+C0*10

0.

⚫ Rappresentazione di un numero binario di n

cifre nel sistema decimale:

Cn-1*2n-1+Cn-2+2

n-2+…+C1*21+C0*2

0.

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Codifica dei numeri

⚫ Conversione di un numero binario di n cifre

nel sistema decimale:

Cn-1*2n-1+Cn-2+2

n-2+…+C1*21+C0*2

0.

Es. (1100)2=1*23+1*22+0*21+0*20=12

(1000000)2=1*26=64

Codifica dei numeri

⚫ Altri sistemi di numerazione

➢Ottale

➢Esadecimale

Es. 34410=1010110002=15816=1*162+5*161+8*160

Operazioni logiche

⚫ Operazioni logiche: AND, OR, NOT, ...

– 0 = falso, 1=vero

– X AND Y = 1 sse X=1 e Y=1

– X OR Y = 1 sse X=1 oppure Y=1

– NOT X = 1 sse X = 0

⚫ Circuiti logici: composizione degli operatori che trasformano ingressi (input) in uscite (output)

⚫ Cioè un circuito definisce una funzione

f: input → output

⚫ Input, output = sequenze di bit

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Circuiti logici

OR

OR

X

Y

Z

X or Y or Z

Riassumendo...

⚫ Numeri = codificati come sequenze di bit

⚫ Operazioni = operazioni bit a bit

⚫ Funzioni complesse = circuiti

⚫ Hardware = implementazione fisica dei circuiti logici

⚫ Hardware = fornisce operazioni primitive che vengono utilizzate per definire applicazioni attraverso programmi

Codifica caratteri

⚫ Codifica ASCII: associando un simbolo dell’alfabeto ad ogni numero possiamo codificare tutte le lettere

– a-z A-Z 0-9

usando 7 bit (cioè in un byte)!!

Esempio: 00000101 rappresenta la lettera ‘c’

Nelle moderne architetture si utilizza un codice a 16 bit chiamato Unicode.

⚫ Codifica BCD: codice binario di un alfabeto in base 10 (ogni cifra decimale è codificata separatamente in binario)

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Codifica di immagini

⚫ Immagini = sequenze di bit!

⚫ L’immagine viene digitalizzata cioè rappresentata

con sequenze di pixel

⚫ Ogni pixel ha associato un numero che descrive un

particolare colore (o tonalità di grigio)

⚫ Inoltre si mantengono la dimensione, la

risoluzione (numero di punti per pollice), e il

numero di colori utilizzati

Software

⚫ Software di base:

– Dedicato alla gestione dell’elaboratore

– Esempio: sistema operativo

⚫ Software applicativo:

– Dedicato alla realizzazione di specifiche

applicative

– Esempio: programmi per scrittura, gestione

aziendale, navigazione su internet, ecc

Sistema Operativo

⚫ Rende la componente hardware facile da usare

⚫ Fornisce funzionalità ad alto livello agli utenti

⚫ Ad esempio:

– organizza la memoria di massa

– gestisce comandi immessi dall’utente quali ‘Esegui un programma’, ‘Mostra i dati su video’, ecc

⚫ Se il sistema è multi-utente deve gestire le risorse disponibili cercando di soddisfare tutti gli utenti

⚫ Esempi: MS DOS, OS 2, Windows, Unix

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Utilizzo di un elaboratore

⚫ Come utente:

– Uso software applicativo esistente per creare documenti

e interfacce grafiche, effettuare calcoli, navigare in rete

⚫ Come sviluppatore:

– Creo nuovi programmi sullo strato del software

esistente

⚫ Nuovi programmi applicativi

⚫ Nuovi programmi di sistema (cioè che fanno funzionae il

calcolatore)

Software Applicativo: Esempi

⚫ Video Scrittura: per costruire e testi e

definire formati di stampa

⚫ Agende elettroniche: indirizzario, calendari

⚫ Posta Elettronica: per comunicazione

⚫ Fogli elettronici: per elaborazioni contabili

⚫ Database: sistemi per la gestione di dati

Esempi di Applicazioni

⚫ Calcolo Numerico: statistiche, ecc

⚫ Gestione Aziendale: banche, assicurazioni,

⚫ Telematica: bancomat, ecc

⚫ Automazione industriale:, robotica, ecc

⚫ Internet: commercio virtuale, ecc

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FINE

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