Che cos’è l’informatica - UniPDaceccato/Intro_1213/Lezione1...dati e istruzioni, che vengono...

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• InformaticaInformatica : : fusione delle parole informazioneinformazione e automaticaautomatica

• L’informatica è la scienza della rappresentazione e L’informatica è la scienza della rappresentazione e dell’elaborazione dell’informazionedell’elaborazione dell’informazione

Che cos’è l’informatica Che cos’è l’informatica −− 1 1

22

• L’informatica non è la scienza dei calcolatori elettronici: il calcolatore è lo strumento che la rende “operativa”

• L’elaboratoreelaboratore (computer, calcolatore) è un’apparecchiatura digitaledigitale, elettronicaelettronica ed automaticaautomatica capace di effettuare trasformazioni sui dati:

Che cos’è l’informatica Che cos’è l’informatica −− 2 2

33

• Per analisi e programmazioneanalisi e programmazione si intende l’insieme delle attività preliminari atte a risolvere problemi utilizzando un elaboratore, dalla formulazione del problema fino alla predisposizione dell’elaboratore

Scopo dell’analisi Scopo dell’analisi definire un algoritmoalgoritmo Scopo della programmazione Scopo della programmazione definire un programmaprogramma

Analisi e programmazione Analisi e programmazione −− 1 1

44

Analisi e programmazione Analisi e programmazione −− 2 2

• Algoritmo:Algoritmo: elenco finito di istruzioni, che specificano le operazioni eseguendo le quali si risolve una classe di problemi Un particolare problema della classe viene risolto tramite

l’apposito algoritmo sui dati che lo caratterizzano Un algoritmo non può essere eseguito direttamente Un algoritmo non può essere eseguito direttamente

dall’elaboratoredall’elaboratore• Programma:Programma: ricetta che traduce l’algoritmo ed è

direttamente comprensibile, pertanto eseguibile, da parte di un elaboratore

• Linguaggio di programmazione:Linguaggio di programmazione: linguaggio rigoroso che permette la formalizzazione di un algoritmo in un programma

55RisultatiRisultati

ProblemaProblema

ANALISIANALISI

ELABORAZIONEELABORAZIONE DatiDati

PROGRAMMAZIONEPROGRAMMAZIONE

AlgoritmoAlgoritmo

ProgrammaProgramma

Le fasi del procedimento di Le fasi del procedimento di analisi e programmazioneanalisi e programmazione

66

Gli algoritmiGli algoritmi

77Anno accademico 2010-2011Anno accademico 2010-2011

77

• AlgoritmoAlgoritmo deriva dal nome del matematico uzbeco Mohammed Mohammed ibnibn−−Musa AlMusa Al−−KhuwarizmiKhuwarizmi, vissuto nel IX secolo d.C. (dalla cui opera è nata l’algebra moderna), e significa procedimento di procedimento di calcolocalcolo

Definizione di algoritmo Definizione di algoritmo

Una procedura per risolvere matematicamente un problema in un numero finito di passi, che spesso

Una procedura per risolvere matematicamente un problema Una procedura per risolvere matematicamente un problema In un numero finito di passi, che spesso comprende ripetizioni In un numero finito di passi, che spesso comprende ripetizioni Di una operazione.Di una operazione.

In generale un metodo passo-passo per eseguire un datoIn generale un metodo passo-passo per eseguire un datocompitocompito


Cominciamo con l'analisi della struttura di un Cominciamo con l'analisi della struttura di un calcolatore...calcolatore...

Anno accademico 2010-2011Anno accademico 2010-201199

• Il sogno di costruire macchine capaci di effettuare calcoli automatici affonda le radici nel pensiero filosofico del ‘600:

Wilhelm Schickard introdusse la prima macchina moltiplicatrice dotata di accumulatori cilindrici

Cenni storici Cenni storici −− 1 1

• La presenza “invasiva” dell’informatica nella vita di tutti i giorni è un fenomeno relativamente recente; non recente è invece la necessità di avere a disposizione strumenti e metodi per contare rapidamente, elaborare dati, “calcolare” Le prime testimonianze di strumenti per contare risalgono a 30.000

anni fa I primi esempi di algoritmi procedure di calcolo “automatico”

sono stati scoperti in Mesopotamia su tavolette babilonesi risalenti al 1800−1600 a.C.

Macchina moltiplicatrice (1624)Macchina moltiplicatrice (1624)

Wilhelm Schickard (1592-1635)Wilhelm Schickard (1592-1635)


• Pascal e Leibnitz non solo affrontarono il problema, già studiato da Cartesio, di automatizzare il ragionamento logico−matematico, ma si cimentarono anche nella realizzazione di semplici macchine per calcolare (capaci di effettuare somme e sottrazioni)

Cenni storici Cenni storici −− 2 2Gottfried Leibnitz (1646-1716) Gottfried Leibnitz (1646-1716) Blaise Pascal (1623-1662) Blaise Pascal (1623-1662)

Macchina computazionale (G. Leibnitz) Macchina computazionale (G. Leibnitz)

Macchina addizionatrice Macchina addizionatrice −− la Pascalina (B. Pascal) la Pascalina (B. Pascal)


• La macchina alle differenzemacchina alle differenze, concepita da Babbage nel 1833, rappresenta il primo esempio di macchina programmabile di utilità generale

• In seguito, lo stesso Babbage progetta la macchina analiticamacchina analitica (mai realizzata, troppo complessa e critica la sua costruzione per le tecnologie meccaniche dell’epoca)

La prima programmatrice nella storia dell’informatica è Ada Augusta Byron, contessa di Lovelace

Cenni storici Cenni storici −− 3 3Charles Babbage (1791-1871) Charles Babbage (1791-1871)

Macchina alle differenze: modello Macchina alle differenze: modello ricostruito presso il Museo della Scienza ricostruito presso il Museo della Scienza di Londra seguendo il progetto del 1849 di Londra seguendo il progetto del 1849


• Fu Herman Hollerith, nel 1890, a sviluppare la macchina a schede perforatemacchina a schede perforate, per compiere le statistiche del censimento decennale degli Stati Uniti I dati venivano immessi su schede di

cartone opportunamente perforate, le stesse schede che sono state usate fino a due decenni or sono

Le schede venivano successivamente “contate” da una sorta di pantografo che permetteva diversi tipi di elaborazioni (totali, medie, statistiche, etc.)

Si impiegarono due anni e mezzo ad analizzare i dati (contro i sette anni del censimento del 1880), nonostante l’incremento di popolazione da 50 a 63 milioni

Cenni storici Cenni storici −− 4 4Herman Hollerith (1860-1929) Herman Hollerith (1860-1929)

Census Tabulator (1890) Census Tabulator (1890)


• Successivamente la macchina a schede perforate venne utilizzata con successo per i censimenti in Austria, Norvegia e Russia, tanto che Hollerith decise di fondare una società: la Computing Computing Tabulating Recording CompanyTabulating Recording Company che, nel 1923, divenne l’International Business International Business MachineMachine, o IBMIBM

• Nel 1932, il tedesco Konrad Zuse realizza una macchina elettromeccanica in grado di eseguire calcoli con controllo programmato, ed introduce il sistema di numerazione binario (la cui algebra era stata definita da Leibnitz e da Boole)

Cenni storici Cenni storici −− 5 5Konrad Zuse (1910-1995) Konrad Zuse (1910-1995)

Il calcolatore Z1 (1939) Il calcolatore Z1 (1939)


• Durante la seconda guerra mondiale, fioriscono i progetti di elaboratori da utilizzarsi per scopi bellici

La macchina EnigmaLa macchina Enigma

Cenni storici Cenni storici −− 6 6Alan Turing (1912-1954) Alan Turing (1912-1954)

EnigmaEnigma, realizzata dai tedeschi (A. Scherbius) per codificare le comunicazioni militari

Red PurpleRed Purple, di costruzione giapponese Computer ColossusComputer Colossus, costruito dagli inglesi

per la decifrazione dei messaggi tedeschi, alla cui progettazione e realizzazione collaborò Alan TuringAlan Turing, permise la vittoria anglo−americana sull’Atlantico


• Con l’invenzione del tubo a vuototubo a vuoto (1904), del transistortransistor (1947) e, infine, dei circuiti integraticircuiti integrati (1969), l’evoluzione dei computer divenne inarrestabile

• Finora la potenza di calcolo degli elaboratori si è decuplicata ogni 5−6 anni (…ma non può durare, almeno con le tecnologie in uso)



• La costruzione dei primi calcolatori risale all’inizio degli anni ‘40, grazie alla tecnologia elettronica; i primi esemplari venivano programmati mediante connessioni elettriche e commutatori (ENIACENIAC, Mark I Mark I)

• Il nome di Von Neumann è legato invece ai primi calcolatori a programma memorizzato realizzati alla fine degli anni ‘40 (EDSACEDSAC, WhirlwindWhirlwind, IASIAS, UNIVACUNIVAC)

Per la prima volta, vige il principio di unitarietà di rappresentazione di unitarietà di rappresentazione di dati e istruzionidati e istruzioni, che vengono codificati, all’interno dell’elaboratore, in maniera indistinguibile

• La diffusione dei calcolatori a livello mondiale è avvenuta nei decenni ‘60 e ‘70

Cenni storici Cenni storici −− 8 8John Von Neumann (1903-1957) John Von Neumann (1903-1957)


EDSAC (1949)EDSAC (1949)ENIAC (1946)ENIAC (1946) Mark I (1948)Mark I (1948)

UNIVAC (1952)UNIVAC (1952)Whirlwind (1949)Whirlwind (1949) IAS (1952)IAS (1952)



• Tuttavia, l’esplosione dell’informatica come fenomeno di massa è datata 1981, anno in cui l’IBM introdusse un tipo particolare di elaboratore: il Personal ComputerPersonal Computer (PC)

• La particolarità dei PC consisteva nell’essere “assemblati” con componenti facilmente reperibili sul mercato (e quindi a basso costo) Possibilità per qualsiasi casa produttrice di costruire “cloni”

• Attualmente i PC, o meglio il loro componente fondamentale il microprocessoremicroprocessore è utilizzato in tutti i settori applicativi (non solo per elaborare dati): Telefoni cellulari, ricevitori satellitari digitali, GPS Bancomat e carte di credito Lavatrici e forni a micro−onde Computer di bordo e ABS ...



1919

• “Penso che ci sia mercato nel mondo per non più di cinque computer.” (Thomas Watson, Presidente di IBM, 1943)

• “Ho girato in lungo e in largo questo paese e ho parlato con le migliori menti e posso assicurarvi che questa moda dell’elaborazione automatica è un capriccio che non vedrà la fine dell’anno.” (Editor di libri scientifici di Prentice Hall, 1947)

• “Una unità di calcolo sull’ENIAC è dotata di 18.000 tubi elettronici a vuoto e pesa 30 tonnellate, ma è possibile che in futuro i computer abbiano soltanto 1000 tubi e pesino soltanto una tonnellata e mezzo.” (Popular Mechanics, 1949)

• “Abbiamo un computer qui a Cambridge, ce n’è uno a Manchester e uno al laboratorio nazionale di fisica. Immagino che sarebbe giusto averne uno anche in Scozia, ma non di più.” (Douglas Hartree, fisico inglese, 1951)

• “Ma... a che serve?” (Un ingegnere della Advanced Computing Systems, Divisione dell’IBM, commentando il microchip, 1965).

• Nel 1976, il New York Times New York Times pubblicò un libro dal titolo La scienza nel ventesimo secoloLa scienza nel ventesimo secolo, nel quale il calcolatore veniva menzionato una sola volta e indirettamente, in relazione al calcolo delle orbite dei pianeti

• “Non c’è ragione perché qualcuno possa volere un computer a casa sua.” (Ken Olson, fondatore di Digital, 1977)

• “640 Kbytes should be enough for anybody.” (Bill Gates, 1981)

Frasi celebri ed altro…Frasi celebri ed altro…


2020

• La capacità dell’elaboratore di eseguire successioni di operazioni in modo automatico è determinata dalla presenza di un dispositivo di memoriamemoria Nella memoria sono registrati i datidati e... ...le operazioni da eseguire su di essi (nell’ordine secondo cui

devono essere eseguite): il programmaprogramma, la “ricetta” usata dall’elaboratore per svolgere il proprio compito

• Il programma viene interpretato dall’unità di controllounità di controllo

Modello di Von NeumannModello di Von Neumann

L’architettura di Von NeumannL’architettura di Von Neumann


2121

• Programma:Programma: sequenza di operazioni atte a predisporre l’elaboratore alla soluzione di una determinata classe di problemi Il programma è la descrizione di un algoritmoalgoritmo in una forma

comprensibile all’elaboratore•

• L’elaboratore è una macchina universalemacchina universale: cambiando il programma residente in memoria, è in grado di risolvere problemi di natura diversa (una classe di problemi per ogni programma)

La macchina universaleLa macchina universale


2222

• Si possono considerare diversi livelli di astrazione: Circuiti elettronici (hardware) Architettura e linguaggio macchina Sistema operativo (software di sistema) Linguaggi di programmazione Programmi applicativi

Il calcolatore è basato su circuiti elettronici digitali, ovvero modellabili con l’algebra di Boole; i circuiti elettronici implementano le funzioni logiche AND, OR, NOT, permettono di memorizzare il valore di variabili booleane, di effettuare calcoli, etc.

Silicon GraphicsSilicon Graphics

La struttura del calcolatoreLa struttura del calcolatore


2323

• Tutti i calcolatori attuali si rifanno all’architettura di Von Neumann, costituita dalle quattro componenti:

CPU (Central Processing Unit)CPU (Central Processing Unit)

Memoria centraleMemoria centrale

Bus di sistemaBus di sistema

PeriferichePeriferiche

BUS di sistemaBUS di sistema

CPUCPU

tastieratastiera mousemouse memoria dimemoria dimassamassa monitormonitor

Memoria Memoria centralecentrale

PeriferichePeriferiche

La macchina di Von Neumann La macchina di Von Neumann −− 1 1


L'architettura di Von Neumann

CPU Memoria centrale

Memoria secondaria I/O

BUS

La macchina di Von Neumann La macchina di Von Neumann


2525

• L’architettura più consolidata per il calcolatore prevede quindi unità funzionali fra loro collegate attraverso un unico canale di comunicazione, il busbus

• Il bus è fisicamente realizzato mediante un insieme di connettori elettrici

MemoriaprincipaleCPU I/O I/OI/O

BUSIndirizziDatiControllo

Dispositivi di Input/Output

Architettura a BUSArchitettura a BUS



CPU RAM Memoria secondaria I/O

BUS


2727

l’orologio del sistemaorologio del sistema che fornisce al computer un battito regolare

• La CPU lavora a N GHz: segue un ritmo di N miliardi di impulsi al secondo (es., una CPU con un clock a 3 GHz è temporizzata da tre miliardi di impulsi al secondo)

Intel PentiumIntel Pentium

• La Central Processing UnitCentral Processing Unit è l’unità centrale di elaborazione: esegue le istruzioni dei programmi e ne regola il flusso, esegue i calcoli

• La CPU è un dispositivo sincronosincrono, cioè può cambiare stato solo quando riceve un impulso di clockclock,

La CPU La CPU −− 1 1


2828

• La frequenza di clock determina la velocità di elaborazione del computer: più alta è la frequenza di clock, maggiore è la velocità di elaborazione

• La velocità e la potenza di un computer dipendono però anche dalla larghezza del bus, ovvero dal numero di bit (ampiezza del singolo dato) che il processore è in grado di ricevere e di elaborare simultaneamente Attualmente, i processori sono in grado di elaborare dati

rappresentati con 64 bit



2929

• La CPU è costituita da tre elementi fondamentali: Unità AritmeticoUnità Aritmetico−−Logica (ALU)Logica (ALU) RegistriRegistri Unità di Controllo (CU)Unità di Controllo (CU)

EUExecution Unit}

ALUALU CUCU

PCPC

IRIR

registriregistriContatore di programma(Program CounterProgram Counter) <P>

Registro Istruzione(Instruction RegisterInstruction Register) <IP>BUSBUS

BIUBus Interface Unit



3030

• A livello “macroscopico”, ad ogni impulso di clock, la CPU:

“legge” il suo stato interno (determinato dal contenuto dei registri di stato) e la sequenza di ingresso (determinata dal contenuto dei registri istruzione e dati)

produce un nuovo stato “dipendente” dallo stato in cui si trovava originariamente

• In pratica, la CPU realizza una complessa funzione logica, con decine di ingressi e di uscite

la corrispondente tabella di verità avrebbe un numero enorme di righe (miliardi di miliardi)



3131

• Lo stato della CPU è costituito da informazioni (memorizzate negli opportuni registri) su:

dati da elaborare (contenuti nei registri datiregistri dati) istruzione da eseguire (nel registro istruzioniregistro istruzioni) indirizzo in memoria della prossima istruzione da eseguire

(nel program counterprogram counter) eventuali anomalie o eventi verificatisi durante

l’elaborazione (nei registri flagregistri flag)



3232

• Set di istruzioni di base: somma (da cui sottrazione) scorrimento (shift) operazioni logiche operazioni di accesso alla memoria

trasferimento di un dato da una locazione di memoria ad un’altra trasferimento da memoria a un registro della CPU trasferimento da un registro della CPU a memoria

operazioni di confronto • Le operazioni (eccetto quelle di accesso alla memoria) sono

eseguite all’interno della ALU e “coordinate” dall’unità di controllo

}(da cui moltiplicazione e divisione)



3333

• Il tipo di operazione selezionata, in un dato istante, dipende dallo stato di alcune linee di controllo provenienti dalla CU

• Le operazioni logiche (es. AND) vengono eseguite bit a bit fra i due operandi

• Esiste una unità specializzata per le operazioni in virgola mobile (FPUFPU)

• L’ALUALU (ArithmeticArithmetic−−Logic UnitLogic Unit) è un circuito in grado di eseguire operazioni aritmetiche e logiche su 2 operandi, rappresentati su n bit (es. 32/64 bit); oltre al risultato dell’operazione può produrre informazioni ulteriori su linee specifiche (il risultato è zero, si è verificato un overflow, etc.)

L’Unità AritmeticoL’Unità Aritmetico−−LogicaLogica

ALU ResultZero

Overflow

a

b

ALU operation

CarryOut


3434

• I registri sono dispositivi di memorizzazione che consentono un accesso molto veloce ai dati che contengono; hanno dimensioni prefissate (es. 32/64 bit)

• Alcuni registri hanno funzioni specifiche (es. contatore di programma)

• Nella maggior parte delle architetture, le operazioni della ALU si possono effettuare solo fra dati presenti nei registri ed anche il risultato viene momentaneamente memorizzato in un registro

EIP Instruction pointer (PC)

EFLAGS Condition codes

Code segment pointerCS

Stack segment pointer (top of stack)SS

Data segment pointer 0DS

Data segment pointer 1ES

Data segment pointer 2FS

Data segment pointer 3GS

031

GPR 0EAX

GPR 3EBX

GPR 1ECX

GPR 2EDX

GPR 6ESI

GPR 7EDI

GPR 5EBP

GPR 4ESP

Name Use

Registri del PentiumRegistri del Pentium

I registriI registri


3535

• Esegue le istruzioni prelevandole dalla memoria nella fase di accessaccess• La prossima istruzione da eseguire è individuata dall’indirizzo presente nel

registro contatore di programmaregistro contatore di programma (PC)• L’istruzione in esecuzione è memorizzata nel registro istruzioneregistro istruzione (IR)• L’istruzione è un codice binario che deve essere decodificatodecodificato dalla CU;

specifica il tipo di operazione, gli eventuali operandi, etc.• Normalmente le istruzioni sono eseguite in sequenza: dopo l'access, il PC PC

viene incrementatoviene incrementato, per fare riferimento all’istruzione successiva

CU

IR

PC

memoriaBUS

Istruzione 1Istruzione 2Istruzione 3

02AD77F2

02AD77F2

Segnali di controllo(ALU, Registri, etc.)

L’unità di controlloL’unità di controllo


3636

• Il processore esegue le istruzioni di un programma una una alla voltaalla volta in sequenza: estrae le istruzioni dalla memoria, le interpreta e le esegue una dopo l’altra Un programma indica la sequenza di istruzioni da eseguire

per ottenere la soluzione ad un data classe di problemi• Il processore esegue ogni istruzione mediante una

sequenza ben definita di operazioni detta ciclo di ciclo di istruzioneistruzione o ciclo macchinaciclo macchina Estrazione di una istruzione: fase di accessfase di access

Decodifica di una istruzione: fase di decodefase di decode Esecuzione dell’istruzione: fase di executefase di execute

Come si eseguono i programmi Come si eseguono i programmi −− 1 1


ALU RAM

BUS

c

ALUALU

SCHEMA DELLA CPU

....CI1

CI2

CIk

R0

Rn

RC

....IR

PC


Ciclo ADE della CPU Ciclo ADE della CPU (10-(10-9 9 sec)sec)

• ReperimentoReperimento dell’istruzione ( dell’istruzione (accessaccess): ): – lettura della cella di RAM il cui indirizzo e’

contenuto nel contatore di programma– caricamento del registro istruzione con

l’istruzione– Incremento del contatore programma

• DecodificaDecodifica dell’istruzione dell’istruzione (decode):(decode):– Trova gli operandi a seconda del codice operativo– Modifica contatore programma se istruzione di salto

• Esecuzione Esecuzione dell’istruzione dell’istruzione (execute):(execute):– Attiva i circuiti necessari


ALU RAM

BUS

c

ALUALU

ACCESS

....CI1

CI2

CIk

R0

Rn

RC

....IR

PC

In IR viene messa l’istruzione da eseguire (contenuta nellaRAM all’indirizzo specificato all’inteno del registro PC)

In PC viene messo l’indirizzo della RAM dove è contenuta laprossima istruzione da eseguire.


ALU RAM

BUS

c

ALUALU

DECODE

....CI1

CI2

CIk

R0

Rn

RC

....IR

PC

La ALU riconosce l’istruzione come una delle istruzionimacchina I1, ..., Ik possibili


ALU RAM

BUS

c

ALUALU

EXECUTE

....CI1

CI2

CIk

R0

Rn

RC

....IR

PC

La ALU attiva la corrispondente componente (ad esempioCI2 che esegue l’istruzione richiesta)


Esempio di esecuzione di istruzioniEsempio di esecuzione di istruzioni

1.1. CaricaCarica nel registro R3 il contenuto della cella di nel registro R3 il contenuto della cella di memoria 10memoria 10

2.2. CaricaCarica nel registro R4 il contenuto della cella di nel registro R4 il contenuto della cella di memoria 11memoria 11

3.3. Somma di interi Somma di interi sul contenuto dei registri R3 e R4, sul contenuto dei registri R3 e R4, risultato nel registro R0risultato nel registro R0

4.4. TrasferisciTrasferisci il contenuto del registro R0 nella cella 12 il contenuto del registro R0 nella cella 125.5. STOPSTOP




BUS


4444

• Le memorie sono dispositivi per “lo stoccaggio” delle informazioni

• Ogni memoria è costituita da celle, a cui si accede tramite un indirizzo

• In ogni elaboratore vi sono tre tipi di memorie: Registri: Registri: contengono informazioni necessarie alla

elaborazione della singola istruzione Memoria centrale:Memoria centrale: contiene dati e istruzioni attualmente

elaborati dal processore Memorie di massa:Memorie di massa: contengono dati e programmi che

non sono oggetto di elaborazione immediata

Le memorie Le memorie −− 1 1


4545

• I parametri fondamentali che definiscono una memoria sono: Dimensione della parolaDimensione della parola (locazione di memoria) Modalità di accessoModalità di accesso (diretto o sequenziale) Permanenza o volatilità dei datiPermanenza o volatilità dei dati CapacitàCapacità (numero di locazioni disponibili), espressa in KB, MB, GB,

etc. Tempo di accessoTempo di accesso, necessario per accedere ad una locazione di

memoria per un’operazione di lettura o scrittura, espresso in nanosec, millisec, sec

• In base agli ultimi due parametri, le memorie si collocano a diversi livelli di una gerarchia, che va da memorie più capaci ma più lente (memorie di massa) a memorie piccole e veloci (registri)

Le memorie Le memorie −− 2 2


Gerarchia di memorieGerarchia di memorie

Tbyte

Gbyte


• La memoria centrale o memoria principale, detta anche RAMRAM (Random Access MemoryRandom Access Memory, ovvero memoria ad accesso casuale, perché qualsiasi cella può essere letta/scritta in un tempo, mediamente, costante), è la memoria in linea con il processore, che contiene i dati e i programmi che sono attualmente utilizzati/in esecuzione

• Un programma, quando non è oggetto di elaborazione, è memorizzato su memoria di massa (dischi)

• Quando deve essere eseguito, viene caricato tutto o in parte, in memoria centrale (memoria virtuale)

La memoria centrale La memoria centrale −− 1 1


4848

• Le caratteristiche fondamentali della memoria centrale sono: accesso diretto alle informazioniaccesso diretto alle informazioni velocità elevatavelocità elevata volatilitàvolatilità: quando il computer viene spento, i dati e i

programmi presenti in memoria vengono cancellati• La tecnologia utilizzata per la memoria centrale è

quella dei dispositivi a semiconduttori, che la fanno apparire come una matrice di bit Ogni bit è presente come stato (alto o basso) di tensione

e viene rappresentato con le cifre binarie 0/1



4949

• La memoria principale è un insieme di locazioni o celle• L’unità di memorizzazione, la dimensione della singola

cella, è il byte (sequenza di 8 bit) • Ciascun byte nella memoria è individuato da un

indirizzoindirizzo che lo distingue da tutti gli altri, costituito da un numero variabile da 0 a 2N−1, dove N è la dimensione in bit dell’indirizzo (es. numero di bit/fili sul bus indirizzi)



Unità di misura della RAMUnità di misura della RAM(e della memoria in generale)(e della memoria in generale)

1 KiloByte (KB) = 210 byte = 1.024 byte; circa 1.000 byte

1 MegaByte (MB) = 220 byte = 1.024 KB; circa 1.000.000 byte

1 GigaByte (GB) = 230 byte = 1.024 MB; circa 1.000.000.000 byte

1 TeraByte (TB) = 240 byte = 1.024 GB; circa 1.000.000.000.000 byte


Indirizzi di memoriaIndirizzo ByteInd. parola Ind. decimale Indirizzo binario

0 0 000000 00

0 1 000000 01

0 2 000000 10

0 3 000000 11

1 4 000001 00

1 5 000001 01

1 6 000001 10

1 7 000001 11

2 8 000010 00

2 9 000010 01

2 10 000010 10

2 11 000010 11

v


5252

• La connessione tra memoria e processore rappresenta un limite degli elaboratori di Von Neumann Limite architetturale: il bus permette l’accesso ad una sola

informazione per volta (“collo di bottiglia”) Limite tecnologico: la velocità con cui il processore ottiene le

informazioni dalla memoria centrale (velocità di accesso della RAM) è inferiore alla velocità con cui è in grado di elaborarle

• SoluzioniSoluzioni Allargamento del bus dati, in modo da poter estrarre più

istruzioni e/o dati per volta Superamento del limite tecnologico mediante introduzione di introduzione di

una memoria intermedia tra memoria centrale e processore una memoria intermedia tra memoria centrale e processore che approssimi la velocità del processoreche approssimi la velocità del processore

Processore e RAMProcessore e RAM


5353

• Piccola RAM molto veloce, interposta tra CPU e memoria principale, per migliorare le prestazioni del sistema

Quando viene indirizzata una parola, quella parola e alcune di quelle vicine vengono trasferite dalla lenta memoria centrale nella più piccola e veloce memoria cache, in modo che la parola successiva sia accessibile più velocemente (principio di principio di località spaziolocalità spazio−−temporale del softwaretemporale del software)

La memoria cacheLa memoria cache


5454

• Una parte della memoria centrale è la ROMROM (Read Only Read Only MemoryMemory ), una memoria a sola lettura, destinata a contenere informazioni non variabili

• Caratteristiche delle memorie ROM: accesso casuale alle informazioniaccesso casuale alle informazioni velocità elevata velocità elevata (inferiore alle RAM)

• La ROM viene scritta in modo permanente in fase costruttiva: le celle della ROM possono essere successivamente lette, ma mai riscritte

• Viene usata per memorizzare programmi di sistema

La memoria ROMLa memoria ROM


5555

• La ROM contiene il software e i dati necessari ad inizializzare il computer ed a far funzionare i dispositivi periferici

• Il nucleo del software della ROM è costituito dalle routine di avviamentoroutine di avviamento che comprendono il caricatore di caricatore di bootboot−−strapstrap ed il ROM BIOSROM BIOS

• Le routine di avviamento routine di avviamento realizzano l’inizializzazione del calcolatore: Ne effettuano un rapido controllo di affidabilità, per

accertare che tutte le componenti hardware siano perfettamente funzionanti

Caricano il sistema operativo dal disco (caricatore di boot−strap)

Il software della ROM Il software della ROM −− 1 1


5656

Il software della ROM Il software della ROM −− 2 2

• Il caricatore di bootcaricatore di boot−−strap strap ha la funzione di leggere un programma di lancio dal disco, detto bootstrapbootstrap, e di trasferire ad esso il controllo: il boostrap carica il nucleo del sistema operativo e lo manda in esecuzione

• Il ROM BIOS ROM BIOS Binary InputBinary Input−−Output System Output System è la parte della ROM attiva quando il computer è al lavoro: il suo ruolo è quello di fornire un insieme di servizi di base richiesti per il funzionamento delle periferiche


5757

• Le operazioni che si effettuano sulla memoria sono operazioni di letturalettura e scritturascrittura

• Entrambe presuppongono l’utilizzo di un indirizzo che identifica univocamente la cella interessata all’operazione

• L’operazione di scrittura è distruttivadistruttiva, cioè cancella l’informazione precedentemente contenuta nella cella

• L’operazione di lettura preserva il contenuto della cella indirizzata: all’esterno della memoria centrale viene trasferita copia dell’informazione

Operazioni sulla memoria centraleOperazioni sulla memoria centrale




BUS


5959

Il disco fisso è costituito da uno o più piatti metallici ricoperti di materiale magnetico su entrambe le facce

Ciascuna superficie è associata ad una o più testine di lettura/scrittura che si muovono radialmente per leggere/ scrivere l’informazione organizzata in tracce concentriche

Dischi magneticiDischi magnetici

• Esistono diversi dispositivi di memoria secondaria: dischi magnetici (hard disk), dischi ottici (CD, DVD), dispositivi USB, memorie flash

• Memoria non volatile ad alta capacità

La memoria secondariaLa memoria secondaria


6060

• I dischi magnetici dischi magnetici rappresentano il mezzo fondamentale per la memorizzazione di massa I dischi ruotano ad una velocità (costante) compresa tra i 60 e i

200 giri al secondo

I dischi magnetici I dischi magnetici −− 1 1


6161

• L’informazione è disposta sul disco in traccetracce, ovvero in cerchi concentrici

• La densità dei bit decresce dalle tracce interne alle più esterne per mantenere costante la quantità di dati che passano sotto le testine nell’unità di tempo

• Le tracce sono divise in settorisettori• La capacità di memorizzazione dei dischi cresce in

conseguenza allo sviluppo tecnologico

Platter

Track

Platters

Sectors

Tracks



6262

• Il numero di bit contenuti in una traccia è dell’ordine delle centinaia di migliaia (512/4096 byte a settore)

• Centinaia di settori (512/1024 per traccia)• Decine di migliaia di cilindri (tracce concentriche

disposte sulle diverse facce dei diversi dischi)• Per leggere (o scrivere) sul disco, la testina si deve

posizionare sulla traccia che contiene il dato ed attendere che il dato passi sotto di essa Le operazioni di lettura/scrittura si basano sulla proprietà

del campo magnetico di indurre/essere indotto il/dal passaggio di corrente in una bobina



• La magnetizzazione avviene infatti mediante la testina testina magneticamagnetica (una piccola bobina racchiusa in un involucro di metallo dotato di una minuscola fessura, il traferrotraferro)

• Facendo passare corrente nella bobina si induce un campo magnetico nel traferro (invertendo la corrente si inverte anche il campo)

• Quando si fa passare corrente attraverso la testina alternandone la direzione, le aree del disco al di sotto della testina si magnetizzano in una delle due direzioni: questo procedimento rappresenta la scrittura su disco scrittura su disco



• II dati binari che l’unità scrive sul disco sono tradotti in dati binari che l’unità scrive sul disco sono tradotti in un formato costituito da una serie di aree magnetizzate un formato costituito da una serie di aree magnetizzate in un senso o nell'altroin un senso o nell'altro

• Lettura da discoLettura da disco: poiché le particelle magnetizzate sono circondate da un campo magnetico, quando il traferro passa sul disco le variazioni del campo inducono sulla testina una corrente che si manifesta con variazioni di voltaggio alle estremità della bobina; i circuiti di lettura decodificano le variazioni nell’andamento dell’intensità di corrente riconducendole a 0/1



6565

• Sui dischi ottici dischi ottici si utilizza la tecnologia laser per realizzare le operazioni di lettura/scrittura

• Densità dei bit uniforme Un’unica traccia elicoidale o…

…tracce più lontane dal centro del disco sono più lunghe e contengono un maggior numero di settori (fino al 40% in più rispetto alle tracce vicine al centro di rotazione)

I dischi ottici I dischi ottici −− 1 1


6666

• Sui dischi di lettura/scrittura i dati possono essere modificati più e più volte (dischi a cambio di fasedischi a cambio di fase)

• I dischi WORMWORM, Write OnceWrite Once−−Read ManyRead Many, si possono scrivere una sola volta

• La tecnologia originale per dischi WORM consiste nell’inserire una pellicola di alluminio tra due piatti di plastica o di vetro (o un pigmento polimerico)

• Per scrivere un bit, l’unità usa un raggio laser per praticare un piccolo foro nell’alluminio (o opacizzare il pigmento): l’informazione può venir distrutta ma non alterata

I dischi ottici I dischi ottici −− 2 2




BUS


Comportamento:Comportamento: Input (read once), output (write only), memoria (rilettura/riscrittura)

Partner:Partner: uomo o macchina Velocità del flusso dei dati:Velocità del flusso dei dati: quantità di dati trasferiti nell’unità di

tempo da o verso la CPU o la memoria centrale

• Insieme di dispositivi che consentono l’acquisizione di dati ( inputinput), la loro archiviazione (storagestorage) e la loro presentazione verso il mondo esterno (outputoutput)

• Si possono classificare in base a tre diverse caratteristiche:

TastieraTastiera inputinput uomo uomo

MouseMouse inputinput uomo uomo

ReteRete input/outputinput/output macchina macchina Hard DiskHard Disk storagestorage macchinamacchina

velo

cità

velo

cità

++

−−

≈≈101044 KB/s KB/s

≈≈1010−−22 KB/s KB/s

I dispositivi di InputI dispositivi di Input−−OutputOutput

Che cos’è l’informatica - UniPDaceccato/Intro_1213/Lezione1...dati e istruzioni, che vengono...

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